1 問題介紹

  反射式霍普金森拉桿（SHTB）是在常規霍普金森壓桿（SHPB）基礎上改進而來，相比于直接式SHTB，反射式SHTB結構簡單、易于改造，但需要對結果進行必要的數據修正。

  本案例將介紹韌性材料的反射式霍普金森拉桿原理及其Abaqus仿真方法。

1.1.SHTB原理

反射式霍普金森拉桿SHTB（仿真）結構

反射式SHTB結構基于SHPB改造而來，除具備常規SHPB結構的撞擊桿、入射桿，還需要在拉伸試樣外圍加上與入射桿、透射桿相配合的承壓環。并且反射式SHTB的入射桿、透射桿與常規SHPB位置相反。開始撞擊桿以一定速度撞擊透射桿，在透射桿形成一個傳播的壓縮載荷脈沖，壓縮波從透射桿主要通經過承壓環傳遞到入射桿，并在入射桿自由端反射形成拉伸波，此拉伸波為試樣的拉伸加載脈沖。拉伸加載脈沖對試樣進行拉伸加載，承壓環不承受拉力，拉伸脈沖一部分進入透射桿形成透射波，一部分反射回入射桿形成反射波。試樣與入射桿、透射桿通過連接結構固定，連接方式有螺紋連接以及卡具連接等方式。

由于承壓環受到壓縮變形，部分壓縮波會進入試樣引起試樣的壓縮變形。因此需要對承壓環進行設計，使其承受壓縮波的主要部分，使試樣幾乎不變形或者只發生彈性變形。承壓環與試樣直徑尺寸確定：

根據經驗，承壓環橫截面積需大于試樣的橫截面積10倍以上：

1.2 仿真模型

反射式霍普金森拉桿SHTB仿真模型

根據試樣形狀及連接方式、加載方式設置4個作業模型：

仿真模型各部尺寸和參數如下：

兩種試樣尺寸

兩種試樣尺寸如圖，柱狀試樣尺寸為D=8，d=5，H=10，h=10；其配套的承壓環內徑6mm，有效長度8.6mm，仿真中使用tie約束等效螺紋結構。片狀試樣D=15，d=5，H=14，h=10，厚度2mm；承壓環內徑6mm，有效長度2mm。撞擊桿、入射桿、透射桿直徑20mm，長度分別為778mm、1800mm、1800mm；桿件為高強度鋁桿，波速是5164e3mm/s。

撞擊桿初始速度25e3mm/s。以下給出等效載荷脈寬、峰值：

以下給出撞擊桿尺寸、速度與等效載荷脈寬、峰值換算關系：

（1）撞擊桿長度L_st 與載荷脈寬τ_i ：

由于使用整形片，實際脈寬大于計算值，經測量為250e-6s上升\下降沿50e-6s。

（2）撞擊桿速度V₀與載荷峰值σ_i：

其中， L_st  為撞擊桿長度，C_b為桿件波速，ρ_b 桿件密度。

材料設置：①桿件何承壓環：高強鋁合金密度 2700kg/m²，楊氏模量72e3MPa，泊松比0.3。②試樣：材料選擇1100-H14鋁合金，使用Johson-Cook本構模型，參數如下：

1.3 仿真結果

反射式SHTB的撞擊桿可以使用整形片進行波形整形，Model-1-S模型使用整形片減少波形彌散，Model-1-L模型使用等效載荷，通過增加上升\下降沿時長（50e-6s）達到了與使用整形片同樣效果減少了波形彌散，兩個模型結果一致。有些試驗需要使用可更換連接桿便于更換試驗工裝，仿真進行了包含螺紋結構連接桿的反射SHTB仿真（Model-1-L-C），結果表明，螺紋結構的可更換連接桿對結果影響不大。片狀卡具結構（Model-2-L）與柱狀螺紋結構相比，由于卡具界面復雜性，結果曲線“抖動”較大。但由于柱狀螺紋結構固定方式，導致試樣在第一次壓縮波通過時承受更多的壓縮載荷，并產生一定的預拉伸現象。