冲击拉伸应变波简易实验装置结构设计

　　工程设计应用中，常需提供材料动态性能参数。材料的动态拉伸性能，可比其动态压缩性能得到更为丰富的材料的破坏信息。因此，发展冲击拉伸实验技术，具有十分重要的理论意义和应用价值。由于技术上的困难，使得冲击拉伸试验装置及其试验技术目前尚未成熟。根据加载方式，概括起来主要有如下几类：依靠落重、飞轮或旋转盘、膨胀环、气动和锲型飞片等加载的直接和间接式 Hopkinson 拉杆。我国成功研制了摆锤式块杆型冲击拉伸试验装置，旋转盘式间接杆杆型(块杆型)冲击拉伸试验装置等，创造性地利用了前置金属短杆的断裂，使得冲击过程中产生的反射波对拉伸应力波的影响作用消除，获得了较理想的一维应力波[1~4]。因以上冲击拉伸设备的成本较昂贵，且加工、安装技术要求较高，我们采用简易的落重技术，在考虑了装置的稳定、可调性等基础上，设计了一套可用于对金属、非金属、复合材料纤维束等多种材料进行冲击拉伸教学与实验的实验装置。并进行了实验验证，效果良好。

　　1 实验原理

　　1.1 两个基本假设

　　材料在冲击载荷下，变形率达到一定值后，需使用应力波公式来计算，应力的大小，取决于质点间的相对运动速度。在用落重冲击拉伸钢丝时，在自由端获得的扰动持续的时间较长，为十多到数十毫秒，需要考虑叠加次数和衰减等情况。通过本实验，可获得落重冲击拉伸钢丝时的时间及应变等各量之间的关系。为了处理方便，需先做两个基本假设：

　　(1)假设钢丝的横截面，在变形过程中始终保持平面，轴向受均布力，各项运动参量只是 x、t(x 为长度，t 为时间)的函数，略去横向惯性的影响，从而简化为一维弹性应力波问题。

　　(2)应力只是应变的单值函数，即在某应变率范围内，有平均意义下的唯一的应力—应变关系：σ = σ(ε)。半无限长金属线受高速冲击时的冲击应力公式为

　　式中，σ 为应力;ρ0为钢丝的密度;c0( c= E / ρ0姨)为常数;ν 为冲击速度。

　　1.2 实验装置原理

　　本实验装置的装配示意图如图 1 所示。具体工作过程如下：分体式夹具用螺栓固定在梯形支架的顶部，以 Φ1.2 mm的钢丝为例，钢丝的顶端用夹具夹住，钢丝的底端夹在与顶部夹具有相似结构的挡块中。顶端作固定端，底端作冲击端。钢丝的上、中、下处的一侧分别贴有三组 1mm×1mm 电阻应变片，两根导管空套在钢丝及导线外。实验时，落重沿导管滑下，撞击到导管下方的挡块，使钢丝内部产生拉伸应变波。应变信号由动态电阻应变仪放大后，存入瞬态波形存储器，再间接由接口传入计算机，在计算机上对应变波形图和数据进行处理分析。