LSDYNA SHPB 霍普金森壓桿 應(yīng)力波的案例
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(xué)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(xué)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 （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%">
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展開 基于LS-DYNA的SHPB霍普金森壓桿模擬巖石破壞形態(tài)
在進行巖石類試驗時，由于巖石試件可能會突然斷裂，因此在試樣上貼應(yīng)變片往往會產(chǎn)生不可避免的誤差，而SHPB試驗系統(tǒng)可以有效避免這一現(xiàn)象，因此被廣泛應(yīng)用于巖土領(lǐng)域的動力學(xué)研究中。巖石的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，研究巖石的動態(tài)力學(xué)性能，能夠為精細化爆破、圍巖保護、優(yōu)化爆破和支護參數(shù)提供依據(jù)，對高效破巖、改善破巖效果、提高巷道掘進速度以及保障煤礦井下安全有重要意義。
LS-DYNA軟件可以準確的模擬出這一實驗過程，目前在學(xué)術(shù)論文中非常常見，關(guān)于相關(guān)的教學(xué)資料也較多。事實上，SHPB數(shù)值模擬建模較為容易，但在進行仿真時，往往受限于損傷本構(gòu)模型而無法直接模擬出巖石試件的破壞形態(tài)。這就需要引入單元侵蝕準則，關(guān)于這一關(guān)鍵字可以在我以往帖子中或關(guān)鍵字手冊中詳細了解。我們可以根據(jù)試樣在沖擊時的受力模式，針對性的添加單元侵蝕準則，從而可以模擬出真實的巖樣破碎形態(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。
展開 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(fù)雜，且容易發(fā)生穿透和波形震蕩現(xiàn)象）。
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?
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(xué)習(xí)、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。
