大直径SHPB实验中的高温加载技术及其应用＊

范飞林，许金余

（1.空军工程大学航空航天工程学院，陕西 西安 710038；2.中国人民解放军93975部队，新疆 乌鲁木齐 830005；3.西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西 西安 710072）

高温分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，SHPB）实验是研究材料与温度相关的动力行为的重要手段。目前，高温SHPB实验方法主要分为2类：（1）对局部压杆和试件共同加热［1－3］，需要修正温度梯度的影响；（2）利用特殊实验装置，降低并进而忽略温度梯度的影响，如先只对试件加热，实验前快速将试件安装在系统中［4－8］，或者在试件和压杆之间加装弹性隔热保护块或隔热短杆［9］。由于第2类方法不考虑温度梯度的影响，数据处理相对简单，是目前应用和研究较多的一种方法。

关于高温SHPB实验技术及其应用研究，较有代表性的有：贾彬等［10］、陶俊林等［11］、李奎等［12］采用先加热试件，再将试件安装到系统中的方法对混凝土和水泥砂浆进行了实验研究；李玉龙等［13］、B.Davoodi等［14］、邓志方等［15－16］对界面热传导及其对实验结果的影响进行了研究；谢若泽等［6］、张方举等［7］、李玉龙等［8，13］提出了利用机械装置对预加热完毕的试件进行同步组装的实验方法。但已有研究尚存在不足之处，比如机械组装装置改造复杂，同步组装不易实施；加热和保温装置简易，实验效率较低；利用大直径（如∅100mm）SHPB压杆装置对混凝土材料进行高温实验的研究相对不足，远不能满足工程设计和数值计算等的需要。

针对存在的不足，本文中提出一套由自主设计的温控系统和∅100mm SHPB装置组成的高温SHPB实验系统，采用ANSYS软件对界面热传导及其对实验结果的影响进行计算分析，论证该实验技术的可靠性，并对混凝土的高温动态力学性能进行实验研究。

1 ∅100mm SHPB高温加载技术

1.1 系统组成及特点

高温SHPB实验系统由自主设计的温控系统和常规∅100mm SHPB装置组成，如图1所示。温控系统由箱式预热炉和管式实时加热装置组成，管式实时加热装置位于入射杆和透射杆之间。

箱式预热炉加热元件采用U型硅碳棒，均布在炉膛内两侧，控温精度为±1℃，最高加热温度为1 300℃，炉膛空间尺寸约为720mm×300mm×350mm，通过电脑利用固定于炉体中部的热电偶对电炉实施监控，并进行温度记录。管式实时加热装置由支撑平台和管式加热炉组成，其中管式加热炉位于支撑平台上，支撑平台上设有滑动轨道，整个炉体可以沿轨道前后、左右滑动以方便取放试件和调节位置，同时整个炉体可上下调节。管式加热炉加热元件采用耐高温硅碳棒，沿圆周均匀布置，工作区尺寸为∅120mm×100mm。采用固定于炉膛中间正上方的热电偶对电炉实施监控，内部圆形炉膛由刚玉管和耐热钢管组成，其中与工件接触部分采用耐热钢管，以防止试件破碎损坏炉膛。采用智能控制，可根据设定温度自动调节输出功率大小，控温精度为±2℃，最高工作温度为1 200℃。

图1 高温SHPB系统Fig.1High－temperature SHPB system

实验时，先用箱式预热炉对多个试件进行预热处理，之后逐一利用管式实时加热装置进行实验，能大大提高工作效率。整个高温实验系统具有结构简单、操作方便、控温准确、工作效率高的特点。

1.2 工作原理

试件定位：通过调节炉体位置，利用耐热垫片对试件进行定位。首先调节管式炉位置，使其轴线与压杆轴线对齐，然后利用夹具将垫片和试件先后装入炉内，再利用辅助工具调节试件位置，使试件的轴线与炉体和压杆的轴线对齐。

对杆方法：同时缓慢推动入射杆和透射杆进入炉内，当2杆推入炉内到预先标记好的位置时，两边同时用力，可确保接触良好，也能避免试件运动造成定位不准。

组装方法：依托管式实时加热装置进行人工组装。高温下，当管式炉中的试件恒温加热到预定时间时，打开端盖人工快速推动压杆到预先标记好的位置，压杆和试件接触的瞬时下达触发子弹口令，并迅速离开，操作人员听到口令的瞬时摁下触发按钮进行加载，待加载完毕，迅速将入射杆和透射杆推出进行冷却。

经过计算和测试，人工组装可将冷接触时间（cold contact time，CCT）tc，即压杆与试件完成对接到入射波到达试件端面的延时，控制在0.50s以内，这是目前人工组装所能达到的普遍时间［13］。

1.3 界面热传导及其对实验技术可靠性影响的计算分析

由已有研究［7，13，15－16］得知，CCT的长短决定界面热传导对试件温度均匀性和压杆端部温升的影响程度，是进行实验技术分析必须考虑的一个重要参数。CCT应有一个临界值［13］，当其在临界值以内时，热传导的影响可以忽略不计，这个临界值应该既能满足使实验技术可靠的最低要求，又能使技术上简便可行。本文中描述的高温加载技术主要是为利用大直径的合金钢材质压杆对混凝土、岩石等脆性和热惰性材料进行冲击实验而设计的，下面利用ANSYS软件对混凝土试件和压杆中的温度场进行数值分析，以确定CCT的临界值tc，c。

1.3.1 模型建立

试件和压杆之间的热传导实际上是存在界面接触热阻的热传导问题［13，15－16］，鉴于接触热阻的复杂性［17－18］，为计算方便，按最不利情况考虑，引入2个基本假定：（1）忽略压杆和混凝土试件之间的接触热阻；（2）假定材料的比热容和导热系数为常数。

高温SHPB实验中材料内部温度场的求解属于瞬态热传导问题。混凝土试件几何模型按实际尺寸建立，长度为48mm，直径为98mm；入射杆和透射杆分别取与试件接触端部的长50mm的部分进行分析，直径为100mm。根据轴对称性，建立轴对称1／4二维有限元模型。计算时材料参数［17－19］按不利情况取值：混凝土密度为2 400kg／m3，比热容为840J／（kg·℃），导热系数为1.63W／（m·℃）；合金钢压杆密度为7 850kg／m3，比热容为520J／（kg·℃），导热系数为34.9W／（m·℃）。

试件初始温度θ0分别为800和1 000℃，压杆初始温度为20℃，CCT依次为0.05、0.25、0.50、0.75和1.00s；不考虑系统与环境之间的热交换；网格划分选取四节点矩形轴对称单元，压杆沿轴向和径向100等分，试件沿轴向96等分，径向98等分，网格尺寸均为0.5mm×0.5mm。

1.3.2 模拟结果分析

（1）混凝土试件上的温度分布。当温度下降超过试件初始温度的5%时，认为是显著下降，定义温度下降比例因数ξ为：一定θ0和CCT下温度显著下降区厚度与试件厚度的比值，可表示为ξ＝la／ls，其中la为轴向温降超过初始温度5%的区域厚度，ls为试件厚度。图2是θ0为1 000℃，不同CCT下试件轴向温度分布对比情况，L为距试件端部的距离。由图2可见，试件的温降仅限于端面局部区域，CCT越大，则温降范围越大。图3是θ0分别为800和1 000℃时，ξ随CCT的变化情况。由图3可见，试件的温降范围随CCT的延长而增大，当初始温度升高时，试件的温降范围基本没有变化。CCT为1.00s时，初始温度为1 000℃的混凝土试件的温降范围比例因数为10%。

图2 试件轴向温度分布Fig.2Axial distribution of specimen temperature

图3 ξ随CCT的变化Fig.3Changes ofξwith CCT

（2）压杆上的温度分布。图4是θ0为1 000℃，不同CCT时压杆端部的轴向温度分布情况。由图4可见，温升主要发生在与试件接触的局部区域，压杆上远处的绝大部分区域是没有温度变化的，CCT越大，温升范围相对越大。考察不同初始温度时，入射杆和透射杆端部温度最大值θmax随CCT的变化情况，如图5所示。由图5可见，θmax随CCT的延长而不断升高，但升高的速度逐渐变慢，当θ0分别为800和1 000℃，CCT为1.00s时压杆端部的温度最大值分别为105和126℃。

图4 入射杆和透射杆端部轴向温度分布Fig.4Axial distribution of temperature at the inciedent and transmission bar tips

图5 θmax随CCT的变化Fig.5Changes ofθmaxwith CCT

1.3.3 技术可靠性分析

根据A.M.Lennon等［4］的观点“高温SHPB实验中，可接受的试件温度为试件上85%部分的温度下降不超过10%”，并参照已有研究［7，15－16］对热传导影响的允许范围“试件的温度不均匀性不超过10%，钢质压杆端部温度最大值不超过200℃的弹性行为变化可忽略范围”，针对本文的实验条件（∅100mm合金钢质压杆）和实验对象（混凝土类热惰性材料），可建议较保守的CCT临界值条件为：试件温度不均匀区域不超过10%，压杆端部温度最大值不高于200℃。

由上文按最不利情况对混凝土试件和合金钢压杆进行的数值计算结果可以看出：当实验温度低于1 000℃，CCT小于1.00s时，可将试件温度不均匀区域比例控制在10%以内，将压杆端部最高温度控制在200℃以内，能满足建议的CCT临界值条件，即当CCT小于1.00s时，热传导对实验结果的影响在允许范围内，可忽略不计，CCT临界值为1.00s。本文实验技术可将CCT控制在0.50s以内，小于CCT临界值，因而界面热传导的影响可忽略不计，实验技术可靠。

2 混凝土高温SHPB实验

利用上文描述的高温加载技术对混凝土进行高温动态压缩实验，实验温度分别为20、200、400、600、800和1 000℃，弹速均控制为8m／s。试件加热速率为10℃／min，温度达到指定值后，恒温4h再进行实验。试件几何尺寸约为∅98mm×48mm，每立方米混凝土材料的配比如下：强度等级为42.5R的普通硅酸盐水泥，375kg；硅灰，25kg；粉煤灰，125kg；中砂，690kg；碎石，1 030kg；水，180kg；高效FDN减水剂，5kg。

图6 典型应力均匀性情况Fig.6Typical stress uniformity

图7 应力不均匀因数的变化Fig.7Changes of D

2.1 波形整形技术和数据处理

入射波波形整形技术［20］是解决大直径SHPB实验中弥散效应的重要手段，周子龙等［21］认为，对于混凝土的大直径SHPB实验，半正弦加载波是比矩形波优越的理想加载波形。本文中采用H62黄铜波形整形器对入射波进行整形，结果表明，入射脉冲呈半正弦状，不仅消除了过冲及高频振荡，还可以延长入射脉冲升时，让试件有足够的时间达到应力均匀，也有利于平滑波形和实现恒应变率加载。图6为运用高温加载技术和波形整形技术后得到的混凝土在400℃高温下的典型波形，图中εi、εr和εt分别为杆中的入射、反射和透射应变。数据处理方法与常温SHPB实验相同，采用三波法［22］可求得试件中的平均应力、平均应变和平均应变率。

2.2 应力均匀性分析

根据应力均匀假设［22］，将εi＋εr与εt进行比较，可直观判断应力均匀情况，典型的应力均匀性情况如图6所示，可见应力均匀性良好；采用应力不均匀因数D对应力均匀性问题进行定量描述，即

式中：T为应力脉冲作用时间。图7为D的变化情况，图中tp为试件开始破坏的时刻，显然，试件在开始破坏之前就已经达到应力均匀分布，且在整个加载过程中的绝大多数时间内保持应力均匀状态。

2.3 实验结果和讨论

混凝土在常温和高温下的动态应力应变曲线如图8所示。由图8可见：随温度的逐渐升高，动态应力应变曲线的上升段变得平缓，曲线逐渐表现出塑性特性，1 000℃时的曲线存在较明显的塑性阶段。

测得的高温混凝土动态应力应变曲线的下降段斜率较大，说明试件卸载较快，峰点后承载能力较差，这一点不同于常温混凝土。值得注意的是：高温下试件完全破坏时的应变小于最大应变，这一现象从文献［10－12］中的应力应变曲线或原始波形上也可看到。这是因为，冲击荷载下，高温产生的已有大量微裂缝、微孔隙和冲击力产生的新微裂缝在不断扩展和贯通的同时会被压实和挤密，随着冲击力的卸载，被压实的大量微裂缝和微孔隙会有部分的惯性回扩，表现在应力应变曲线上，就是完全破坏时的应变小于最大应变。

混凝土的动态抗压强度和动态峰值应变随温度的变化曲线如图9～10所示，其中fcd为动态抗压强度，fcs为静态抗压强度，εp为动态峰值应变，θ为实验温度。

由图9～10可见，动态抗压强度随温度升高表现出先提高后降低的变化规律，动态峰值应变随温度升高不断增大。图9显示，当温度低于400℃时，常温下的动态抗压强度比高温下的小。根据文献［19，23－24］，静力条件下，当温度为200～300或低于350℃时，混凝土的立方体抗压强度会高于100℃时或常温下的。在冲击荷载和高温共同作用下，当温度低于400℃时，常温下的动态抗压强度比高温下的小是由温度和加载速率对混凝土微观结构共同作用造成的。高温动态条件下混凝土强度的影响因素较多，变化机理复杂，对该结果更详细的解释有待于对混凝土动态条件下微、宏观力学性能及变化机理更深入的研究。

图8 不同温度下的应力应变曲线Fig.8Stress－strain curves at different temperatures

图9 动态抗压强度随温度的变化Fig.9 fcdvaried withθ

图10 动态峰值应变随温度的变化Fig.10εpvaried withθ

3 结 论

（1）在大直径钢材质SHPB装置上对大尺寸的混凝土等热惰性材料试件进行高温冲击实验，冷接触时间临界值为1.00s，本文中提出的高温加载技术可控制冷接触时间小于0.50s，实验技术可靠。

（2）同一加载速率下，随着温度从常温升高到1 000℃，混凝土的动态应力应变曲线呈现出塑性变化趋势，动态抗压强度先提高后降低，动态峰值应变不断增大。

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