一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及确定方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于霍普金森原理的准脆性材料动态层裂拉伸试验方法，优点是通过整形技术得到的类似等腰三角形入射波在层裂试件实现恒应变率变形和均匀拉伸应力状态，能够帮助层裂试验和其他动态拉伸试验方法在数据解释上建立联系。且类似等腰三角形入射波的幅度可以通过细致的脉冲整形来调整，而波的持续时间可以通过改变撞击杆长度控制进行调整。这些属性使这项新技术适用于不同材料、不同尺寸的层裂应用。
【专利说明】
一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及确定方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于霍普金森原理的混凝土动态层裂拉伸试验方法，属于混凝土 动态拉伸试验方法技术领域。
【背景技术】
[0002] 在当前工程界以及力学界，对于非均质、多向性材料的性能研究已经成为了一大 热点，其中，对混凝土结构的研究受到广泛关注。在自然环境中，混凝土结构除了受到静荷 载以外，台风、地震等自然灾害以及车祸等交通事故也往往对混凝土结构产生冲击荷载，使 混凝土以高应变率变形，从而产生动态力学特性。
[0003] 混凝土材料的动态拉伸性能的研究很复杂，因为混凝土极低的拉伸破坏强度和拉 伸破坏应变。国内外很多学者利用用霍普金森杆作为混凝土动态抗拉试验的测试手段。目 前，最主要的三种基于霍普金森杆混凝土的动态拉伸试验方法分别是层裂、劈拉和直接。事 实上，在层裂试验中，试件的应力和应变率沿着长度方向发生了显著变化，这也是几十年以 来层裂拉伸数据没有被直接用来与通过其他比较好控制的动态拉伸试验技术得到的动态 拉伸性能作比较的原因。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于霍普金森原理 的混凝土动态层裂拉伸断裂试验方法，基于一维波动力学，实现层裂试件的恒应变率变形 和均匀拉伸应力状态，使得层裂试验能与其他动态拉伸试验方法在数据解释上建立联系。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及 确定方法，其特征是，包括以下步骤：
[0006] (1)在入射杆的撞击端加装由聚四氟乙烯盘叠加在退火铜盘制备的复合脉冲整形 器，将入射杆的另一端的垂直端面与圆柱体混凝土试件一端的垂直端面紧密贴合；
[0007] (2)在入射杆中部和混凝土试件上粘贴应变片；
[0008] (3)试验开始时，氮气罐为撞击杆提供足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大 的冲击波使试件发生层裂拉伸；
[0009] (4)所记录入射杆中传导的入射波，入射波的波形类似一个等腰三角形，对于波形 的仔细检查后可以发现上升段与尾缘表现了良好的线性度。这两部分斜率的变化幅度在± 3%以内，可以预见的是一旦这两个区域在层裂试验期间重叠，试样的相应部分将在相对均 匀拉应力状态下经历恒应变率变形。
[0010] 进一步的，其特征是，所述四氟乙稀盘直径为3.175mm，厚度为0.51mm。
[0011] 进一步的，其特征是，所述退火铜盘直径为7.14mm，厚度为1mm。。
[0012] 本发明所达到的有益效果:通过整形技术得到的类似等腰三角形入射波在层裂试 件实现恒应变率变形和均匀拉伸应力状态，能够帮助层裂试验和其他动态拉伸试验方法在 数据解释上建立联系。且类似等腰三角形入射波的幅度可以通过细致的脉冲整形来调整， 而波的持续时间可以通过改变撞击杆长度控制进行调整。这些属性使这项新技术适用于不 同材料、不同尺寸的层裂应用。
【附图说明】
[0013] 图1为层裂试验装置图；
[0014] 图2是层裂试验装置的复合脉冲整形器结构示意图
[0015] 图3是一般线弹性材料层裂试件中入射波反射波叠加的示意图；
[0016] 图4为理论上产生的类似等腰三角形的入射波图；
[0017] 图5为通过整形手段得到的入射波图；
[0018] 1是入射杆，2是复合脉冲整形器，3是聚四氟乙烯盘，4是退火铜盘，5是混凝土试 件，6是粘贴在入射杆上的应变片，7是氮气罐，8是撞击杆，9是粘贴在试件上的应变片。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明 的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0020] 如图1和2所示，一种基于霍普金森原理的混凝土轴心动态拉伸断裂试验方法，其 特征是，包括以下步骤：
[0021] (1)在入射杆1的撞击端加装由聚四氟乙烯盘3叠加在退火铜盘4制备的复合脉冲 整形器2,将入射杆1的另一端的垂直端面与圆柱体混凝土试件5-端的垂直端面紧密贴合； [0022] (2)在入射杆1中部粘贴应变片6，混凝土试件5上粘贴应变片9，分别粘贴在4分点 处；
[0023] (3)试验开始时，氮气罐7为撞击杆8提供足够大的撞击速度撞击入射杆1，以产生 较大的冲击波使试件5发生层裂拉伸；
[0024] (4)所记录入射杆1中传导的入射波，入射波的波形类似一个等腰三角形，对于波 形的仔细检查后可以发现上升段与尾缘表现了良好的线性度。这两部分斜率的变化幅度在 ±3%以内，可以预见的是一旦这两个区域在层裂试验期间重叠，试样的相应部分将在相对 均匀拉应力状态下经历恒应变率变形。
[0025] 本实施例中，所述的四氟乙烯盘2直径为3.175_，厚度为0.51_。
[0026] 本实施例中，所述的退火铜盘3直径为7.14_，厚度为1_。
[0027]本发明采用以下理论依据，
[0028] 当入射的压缩波反射回试件的自由面时为拉伸波，产生层裂试件的拉应力。但是， 试件拉应力分布是入射波和反射波的叠加的结果。图3为一般线弹性材料层裂试件中入射 波反射波叠加的示意图。向左侧传播的反射拉应力波，〇i = g(x，t)，与右侧入射压缩波，〇2 = f(x，t)，有相同的分布和振幅。根据应力平衡假设，在两者重叠区域内的任意一点xo,试件 的应力如下式:〇(XQ，t) =f (XQ, t)+g(XQ, t)。并通过对相邻的两点（XQ+A X和XQ-A X)进行求 偏导。在为了满足很应变率的条件下，二者是相等的。故可得
[0029] +M.J;) / dt = dg(x0. - r) / dt ； df(x0 + Ax：, f) / &t = df -Axj)/ dt
[0030] 可由上二式得，在任何给定的x o和A x成立的唯一解是啟=6和 办'(x,〇/汾=C2，其中CjPC2是常数，其中CjPC 2可以通过试件5上面的应变片9记录的波形之 间的时间差和应变片之间的距离计算得到。动态弹性模量可以通过一维弹性波理论的公式 E = pC2得到，其中P表示试件的密度，C表示波速。从而可以通过应变计算得到应力。这表明 在试件中入射波和反射波相互影响的部分，两者的波形需要呈现线性应力分布来保持恒应 变率变形。
[0031] X表示试件上的点距离入射杆的距离，t表示波传播的时间，g(x，t)表示反射压缩 波的函数关系式，f(x，t)表示入射压缩波函数关系式。
[0032] 上述分析表明如果一部分入射波和反射波在空间域内呈现相反斜率的线性应力 分布时，层裂试件中保持恒应变率变形和均匀应力状态在理论上是可能的。考虑到反射波 实际上是霍普金森杆实验中入射波的拉伸版，入射波本身需要满足具有相反斜率的两个线 性应力分布。一种可能的满足要求的实验方案是设计一个波形类似一个等腰三角形的入射 应力波，如图4所示。对于这个特定的波形，当反射波的上升沿完全进入层裂试件，与入射波 的后缘相互作用，一个均匀应力区域产生(虚线之间的区域）。当这两种波在试件中传播时， 均匀拉应力增大直至脆性试件断裂
[0033] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及确定方法，其特征是，包括以下步骤： (1)在入射杆的撞击端加装由聚四氟乙烯盘叠加在退火铜盘制备的复合脉冲整形器， 将入射杆的另一端的垂直端面与圆柱体混凝土试件一端的垂直端面紧密贴合； (2 )在入射杆中部和混凝土试件上粘贴应变片； (3) 试验开始时，氮气罐为撞击杆提供足够大的撞击速度撞击入射杆，以产生较大的冲 击波使试件发生层裂拉伸； (4) 所记录入射杆中传导的入射波，入射波的波形类似一个等腰三角形，对于波形的仔 细检查后可以发现上升段与尾缘表现了良好的线性度;这两部分斜率的变化幅度在±3 % 以内，一旦这两个区域在层裂试验期间重叠，试样的相应部分将在相对均匀拉应力状态下 经历恒应变率变形。2. 根据权利要求1所述的一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及确定方法，其 特征是，所述四氟乙稀盘直径为3.175mm，厚度为0.51_。3. 根据权利要求1所述的一种高应变率下准脆性材料层裂强度的测量及确定方法，其 特征是，所述退火铜盘直径为7.14_，厚度为1_。
【文档编号】G01N3/307GK105928808SQ201610520786
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】邵羽, 陈徐东, 袁昊天, 陈逸杰, 聂宇
【申请人】河海大学