应用高速摄影机对泡沫铝在SHPB实验过程的变形跟踪与分析

    0 引言

    泡沫铝材料作为一种新型结构功能一体化材料,除了具有轻质、高比强度、高比刚度等结构特点外,还具有隔音、降噪、减震、隔热、缓冲吸能等功能特点。基于泡沫铝的上述结构功能特点,对泡沫铝性能的研究越来越多,由于泡沫铝的静态力学实验技术已趋于成熟,故目前国内外对泡沫铝力学性能的实验研究主要集中于对其动态力学性能的研究[1-6],而这方面的实验方法较单一,主要是分离式霍普金森压杆(SHPB)以及落锤实验技术。其中霍普金森压杆技术具有简单、实用等特点,能够方便得到试件在高应变率下的动态应力应变曲线,是目前研究材料动态力学性能的常用方法,但是这种实验方法不能直观地观察试件的高速变形情况,而实验材料的冲击变形及破坏情况极可能跟其准静态的情况有所不同,所以很有必要对材料的动态变形情况进行一些直观的了解。

    图像技术作为一种直观的实验研究方法,目前已应用于材料微变形特征的研究,但仅仅局限于材料在准静态实验下的变形特征研究[7-11],而对于SHPB动态实验下的材料微变形特征研究却很少,这主要是由于满足图像处理要求的材料动态实验变形图像难于获取造成的。而目前用于获取物体高速运动图像的方法主要是高速摄影技术,但这种方法现在主要是用于宏观物体高速运动图像的获取,如汽车的撞击实验、手机跌落实验等,对SHPB实验中动态微变形过程的跟踪拍摄目前国内外的相关报道较少。

    综上可知,SHPB实验技术虽然能方便地得到材料动态应力应变曲线,但却不能给予实验试件微变形的直观认识,另外目前用于研究材料变形分析的图像处理技术虽已用于材料实验的微变形特征研究,但却仅局限于准静态实验,并未涉及到动态实验。为了更好地研究泡沫材料的动态变形特征,本研究试图通过设计一套SHPB-高速摄影机系统来整合上述两种实验方法的优点,拍摄泡沫铝经受SHPB冲击加载的微变形过程,并分析泡沫铝经受冲击加载的变形特点,然后通过对比用图像处理方法以及SHPB传统后处理方法得出的试件变形信息,来验证SHPB-高速摄影机系统用于研究SHPB冲击实验中泡沫铝材料动态微变形的可行性,并通过图像初步分析泡沫铝试件在SHPB实验中的变形特点,为泡沫铝动态力学性能的数值模拟提供一些参考信息。

    2 实验方案设计

    2.1 SHPB-高速摄影机系统

    本实验设计的SHPB-高速摄影机系统主要由分离式霍普金森压杆装置系统和高速摄影机系统两大部分组成。其中分离式霍普金森压杆装置的压杆是直径为574mm的锥形钢杆,入射杆和透射杆长度分别为320cm和200cm,子弹长度为80cm,子弹由空气炮发射;高速摄影机系统由高速摄影机和辅助照明装置组成,其中高速摄影机为美国RedLake公司的HG-100K高速摄影机,该摄影机的最高拍摄速度为100000帧/秒,辅助照明装置由功率为1000W的高速摄影机专用金卤灯及其配套整流器组成。