霍普金森壓桿實驗的案例
科技前沿 | 材料動態力學測試——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，用于材料動態力學性能的測試，應變率范圍102-104s-1?；驹頌椋寒攓inag膛中的打擊桿（zidan）以一定速度彈入輸入桿時，在輸入桿中產生一個入射脈沖，應力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應力脈沖作用下產生高速變形。
應力波通過試件同時產生反射脈沖，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變片，記錄應變脈沖計算材料的動態應力、應變參數。
根據粘貼在壓桿上的電阻應變片測得的入射波、反射波、透射波，以及一維應力波理論可得到如下的計算公式。 試樣的平均應變率為：（1） 試樣中的平均應變：（2） 試樣中的平均應力： （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， 在應力平衡的條件下可采用式（5）、（6）、（7）來計算材料的動態壓縮的力學行為。
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
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，具備在插件界面設置好參數后，一鍵全流程仿真，無需手動輔助，自動完成幾何-網格-材料-接觸設置-載荷-場輸出-歷史輸出等流程。
對于零基礎的初學者，本插件可以避免前期花費大量時間的學習Abaqus相關流程，可以基于根據自己的需求先行獲得仿真結果完成主要目標，然后再根據插件生成的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，本插件可以快速調整模型參數和工況設置，短時間內進行大批量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 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 用于材料動態力學性能的測試，應變率范圍 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，通過加速的質量塊、短桿撞擊或炸藥爆轟產生加速脈沖，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力-應變關系。Kolsky 的工作是一項革命性改進，現代的 SHPB 都是在其基礎上發展而來，所以 SHP(T)B 桿也稱之為 Kolsky 桿。典型的SHPB裝置及其數據采集處理系統如圖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，在輸入桿中產生一個入射脈沖I（應力波），應力波通過彈性輸入桿到達試件，試件在應力脈沖的作用下產生高速變形，而應力波在通過較短試件的同時產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變片所記錄下的應變脈沖可以用來計算材料的動態應力、應變參數。
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上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應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；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力理論確定試件材料的應變率、應變和應力。
展開 
霍普金森壓桿拉桿測試
霍普金森壓桿系統，霍普金森拉桿系統?；谶@種基礎，不同性能的材料都可以用我們提供的設備進行測試及制備。在璐暢通，有以下產品宣示著公司輝煌的業績：
? 超低溫霍普金森壓桿拉桿，最低溫度達-196℃
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璐暢通公司被譽為當今世界上沖擊力學領域的先驅和誠信、可靠的合作伙伴，是沖擊力學性能領域的先驅者。始終在沖擊力學的精確測量、控制、加載、自動化、應用軟件等領域中保持著領先地位。可以為特殊客戶推出的解決特殊的非標準方案，具體包括：測試材料的各類應變特性，在各類環境及各類不同實驗條件下的沖擊性能。
展開 LS-DYNA陶瓷材料SHPB仿真 ￥19.98
陶瓷材料動態力學性能經常通過霍普金森壓桿實驗獲得，本案例利用LS-DYNA對某陶瓷SHPB實驗仿真。
1、工況設置
陶瓷材料作為脆性材料，端面摩擦對陶瓷材料SHPB實驗影響很大。為消除端面摩擦影響，且樣件長徑比不至于過長，實驗和仿真的陶瓷樣件選取如圖類似的小圓柱。
為簡化仿真，仿真中只有入射桿、陶瓷樣件、透射桿，忽略子彈、波形整形器，墊塊、緩沖桿和吸收桿等部件。通過*LOAD_SEGMENT_SET施加子彈對入射桿的沖擊波，沖擊波波形最好和樣件材料應力應變曲線形狀相似，所以本案例施加的沖擊波形為三角波。
2、實驗結果
實驗和仿真波形如圖，可以觀察出反射波中有明顯的小平臺，說明陶瓷材料樣件兩端已經達到應力平衡。由于陶瓷樣件破碎，使反射波出現了階躍。
陶瓷樣件損傷云圖如下。 在LS-DYNA仿真中，當單元達到陶瓷失效應變時，單元會自動刪除。不同大小的失效應變對仿真結果有顯著影響，須反復調試。過小的失效應變不會造成反射波階躍，反而會使反射波變?。贿^大的失效應變使樣件端部變形過大而不破碎，與實際不符。反射波和投射波振蕩比較嚴重。
陶瓷材料實驗和仿真破碎形式。盡可能消除端部接觸力造成的影響，且失效應變選擇合適值。
陶瓷材料的力-位移曲線
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變率（1e2～1e4?s^?1）下的動態力學行為，如應力-應變關系、應變率效應、溫度效應以及失效模式等。
本案例主要介紹基于ABAQUS韌性金屬材料的SHPB常規仿真建模方法以及波形整形、等效載荷加載等仿真內容。此外還提供了一個試樣應力應變數據處理表格和數據處理的視頻，包含兩種獲得試樣應力應變的方法：直接提取試樣應力應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
常規霍普金森桿SHPB（仿真）結構
如圖所示，常規的SHPB仿真模型結構主要包含撞擊桿、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：一維性應力狀態和均勻性假定。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平衡，即試樣兩端相對應力差足夠小。相對應力差與阻抗比、應力波在試樣中的反射次數有關，反射次數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力、應變狀態，使試樣呈現鼓狀產生非均勻變形并且軸向壓縮應力幅值增加。
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壓縮和劈裂的相關模擬結果，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
LS-DYNA軟件可以準確的模擬出這一實驗過程，目前在學術論文中非常常見，關于相關的教學資料也較多。事實上，SHPB數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模型而無法直接模擬出巖石試件的破壞形態。這就需要引入單元侵蝕準則，關于這一關鍵字可以在我以往帖子中或關鍵字手冊中詳細了解。我們可以根據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。動態壓縮和劈裂的模擬結果展示如下：
（1）動態壓縮
（2）動態劈裂
另外，SHPB模擬也應注重入射波的整形問題，盡量避免矩形波的出現，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 （k文件）SHPB動態壓縮模擬破碎形態-LS-DYNA霍普金森壓桿 ￥75
<p>霍普金森壓桿系統通常用于巖石、混凝土材料動力特性研究。有關SHPB數值模擬方法的相關教程比較常見，若對于模擬出巖石破碎形態感興趣，可參考以下附件。主要是接觸、邊界條件和材料失效的設置。如下圖，是主頁成果展示的相關k文件。對于成果展示的其他內容感興趣的，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 LS-DYNA霍普金森壓桿循環沖擊和動態劈裂（SHPB）
（1）巖石動態劈裂試驗
在進行霍普森壓桿試驗時，需要對入射波進行整形，將矩形波轉化半正弦波。在數值分析時，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果。
采用面面侵蝕接觸，接觸剛度取默認值，動靜摩擦系數取0。得到的動態劈裂模擬結果與試驗結果吻合。桿端由于應力集中產生了三角形壓碎區，試樣中部發生拉伸破壞。
（2）巖石循環沖擊試驗
在循環沖擊時，彈速通常較小，試樣是不會破壞的，因此應力應變曲線在達到峰值后會回彈。
模擬循環沖擊可以使用完全重啟動或Dynain文件法。兩種方法各有優劣，完全重啟動要求較苛刻，很容易報錯，難以調試出來，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文件成功地實現了多次沖擊。而透射波隨著沖擊次數的增加逐漸減小，這是因為巖樣在前一次沖擊后內部產生了裂紋（損傷累積）。
綜上所述，LS-DYNA軟件可以對SHPB相關試驗進行模擬。另外，半正弦波整形技術也可以通過建立紡錘形彈體實現（不建議設置整形器，操作相對復雜，且容易發生穿透和波形震蕩現象）。
展開 
ANSYS/LS-DYNA基于SHPB霍普金森壓桿案例的試件破碎調試過程（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的調試過程，需要進行大量的試算。本文主要將自己調試過程中得到的破碎效果進行總結（破碎圖對應k文件），給大家提供參數調整的思路，以期減少大家在調試過程中所花時間。
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、數據處理）進行了非常詳細的總結，一起整理到附件中供大家參考。
SHPB霍普金森桿K文件 ￥1.99
1117.avi
分離式霍普金森桿實驗技術是研究中高應變率下材料力學性能的最主要、可靠的實驗方法，是爆炸與沖擊動力學實驗技術的重要組成部分。APDL建模（其他CAD模型均可），導入LS-prepost進行前處理，利用ANSYS/LS_DYNA進行求解，結果導入LS-prepost進行后處理，時間有限，只上傳K文件，視頻后續考慮上傳，付費1塊錢純屬娛樂，有購買的朋友可聯系本人。聯系方式見后。
霍普金森桿
霍普金森桿跑出來透射波非常小，而且入射和反射波幾乎一樣。
霍普金森桿數據處理軟件（福利！） ￥1.5
部分功能：
1、自動對齊三波起點
2、一鍵導出
工程應力-應變
真實應力-應變
工程、真實應變率
作用力、速度
二波法、三波法數據……
3、拉壓試驗數據、操作簡單
該軟件已由本號“原點仿真”進行了漢化，漢化版入門使用教程見下面視頻：
