脉冲整形器在聚碳酸酯的SHPB试验中的应用

杨自超，浣 石，陶为俊，庞书孟

（广州大学土木工程防护研究中心，广东广州 510006）

脉冲整形器在聚碳酸酯的SHPB试验中的应用

杨自超，浣 石*，陶为俊，庞书孟

（广州大学土木工程防护研究中心，广东广州 510006）

对聚碳酸酯材料进行不同应变率下SHPB试验的动态力学响应的研究，同时采用脉冲整形器技术分析了其尺寸和撞击速度与脉冲波形的影响关系，再应用到SHPB试验中以获得聚碳酸酯试件在试验过程中满足动态应力平衡的条件，以及获得近似恒应变率加载的条件.试验结果表明，聚碳酸酯材料具有应变率敏感效应，并且强度随着应变率的增大而提高.

脉冲整形器；聚碳酸酯；霍普金森压杆；动态力学响应

KOLSKY最先在1949年建立了SHPB（分离式霍普金森压杆）的理论，并采用SHPB技术对材料在高应变率下的动态力学响应进行了研究，于是拉伸或纯剪切的试验方法应运而生［1］.在SHPB试验中首先通过加载杆产生纵波，再利用该纵波研究材料的拉伸或压缩力学特点时，无可避免地会产生波的弥散效应，导致SHPB试验复杂于无弥散的扭转波情形.而且波的弥散能导致实验数据的失真，如周风华等［2］通过高聚物材料的SHPB试验研究了波的弥散引起的应力不均匀性现象.实验结果表明，假如不能在足够短的时间内使得试件中的应力分布均匀，那么将无法从试验中获得可靠的应变—应力曲线.

为了保证SHPB试验数据受波的弥散的影响尽量小，国内外学者进行了关于通过脉冲整形技术来实现动态应力均匀化的大量研究，且进一步探索了近似恒应变率变形的加载条件.通过在入射杆的撞击端紧贴一块较薄的圆片状试件进行了SHPB实验，FRANTZ等［3］发现该方法软化了撞击，减小了振荡波形幅值，并且幅值最多能降低一半.ELLWOOD等［4］采用三杆方法有效地减小了波的弥散，并成功地进行了近似恒应变率加载试验，但在每次试验中该技术都得破坏一个模拟试件.王从约等［5］通过结合傅立叶波谱分析与Pochhammer-Chree一般理论解，采用FFTDSP分析了弹性弥散波在有限长圆杆中的传播，并采用离散波谱研究发现，在传播过程中，高频简谐成份滞后于低频简谐成份引起了波的弥散.在混凝土试样的SHPB试验中，通过对入射杆杆端有无胶布这2种工况的对比，胡金生等［6］发现贴胶布能可靠地过滤实验过程中入射波形的高频谐波，从而降低波的弥散效应并获得平滑的波形.赵习金等［7］将一个硅橡胶薄片放在黄铜片整形器前部实现了常应变率加载.CHEN等［8］在研究几种材料内部的原位损伤评估和失效过程的SHPB试验中，采用了泡沫类材料垫片作为脉冲整形器，来控制入射脉冲信号，以保证有效的试验条件.HEARD等［9］设计了一种新型环形脉冲整形器减少了入射脉冲波中附加的不必要的振荡，并满足了被测试件的有效加载条件.从上面的文献看，脉冲整形器在SHPB试验中的应用很广泛，但其在试验技术中的研究相对较少，脉冲整形器尺寸的设计与整形后的脉冲波形之间的关系研究需要开展.

常温下聚碳酸酯材料（Polycarbonate简称PC）是几乎无色的透明固体，密度大约1.20 g·cm－3，其玻璃化温度大约135℃.PC是碳酸的聚酯类，耐弱酸性和耐弱碱性很好，但耐紫外光性和耐强碱性较差.弯曲试验中PC的弯曲模量约为2 400MPa，同时它具有很强的韧性，PC的悬臂梁缺口冲击强度大约为600～900 J·m［10］.但在PC的SHPB试验中，一般SHPB系统的加载波上升段仅有10～20 μs，在这么短的时间中保证早期PC试件中的应力分布均匀很困难，该情形下的实验数据基本不能真实反映材料动态力学性能［11］.

聚碳酸酯类材料的波阻抗较低，因此通过在实验中利用紫铜脉冲整形器，一方面能够延长入射脉冲波形上升沿的时间，使得试验加载过程中在聚碳酸酯试件产生塑性变形前应力能均匀平衡化；另一方面能有效消除应力波的高频成分并实现在加载过程中试件的近似恒应变率加载.满足这两方面的条件可以保证试验的有效性和数据的准确性.

1 SHPB试验的研究和数据分析

本文的SHPB试验装置见图1，采用的撞击杆长度为500 mm，压杆的直径为40 mm，被测聚碳酸酯试件的大小均为Φ25 mm×8 mm，紫铜脉冲整形器的尺寸大小见图2.

图1 霍普金森压杆装置Fig.1 SHPB apparatus

图2 紫铜脉冲整形器Fig.2 Copper pulse shapers

1.1 紫铜脉冲整形器的研究

1.1.1 撞击速度对脉冲信号的整形效果

图3给出了不同撞击速度下整形的脉冲波形对比图，采用的紫铜脉冲整形器的尺寸均为Φ3 mm×2 mm，撞击速度分别为7.14 m·s－1、4.54 m· s－1、3.57 m·s－1.从图3波形的对比中可见，相同尺寸的脉冲整形器，随着撞击速度的增加，入射脉冲波形上升沿升时相应的提高，同时也延长了加载脉冲的周期长度.另外，从反射脉冲波形的对比中看出，撞击速度愈高，反射脉冲的振荡愈严重，撞击速度愈低，反射脉冲波形的平台长度也有所减短，对同一尺寸的脉冲整形器，理想的反射平台对应一个特定的速度值.

图3 整形器尺寸为Φ3 mm×2 mm时不同撞击速度下的波形图Fig.3 Waves under different impact velocities with pulse shaper Φ3 mm×2 mm

1.1.2 脉冲整形器厚度对脉冲信号的整形效果

如图4所示，试验采用的撞击速度均为4.7 m·s－1，使用的紫铜脉冲整形器的尺寸，直径均为5 mm，厚度分别为1 mm、2 mm、3 mm，以研究脉冲整形器厚度对脉冲波形的整形效果.

图4 不同厚度的脉冲整形器在撞击速度为4.7 m·s－1下的波形图Fig.4 Waves under different thicknesses of pulse shapers with impact velocity 4.7 m·s－1

从图的波形对比可见，同一撞击速度，紫铜脉冲整形器的直径越大，得到的入射脉冲波形的上升沿升时越长，相应的加载波形的周期长度也得到了延长，但降低了入射波的幅值高度，这可能是紫铜脉冲整形器在受撞击过程中产生了弹塑性的变形，而吸收的能量更多，以致波形的幅值降低；从反射波波形对比的角度看出，脉冲整形器厚度为1 mm时，反射波的初始段有较为明显的凸起现象，其波形的平台不够长，以致不能满足试件加载过程中的近似恒应变率的加载条件，3组波形中，脉冲整形器厚度为3 mm时的反射波形平台足够长，其较能满足试验的条件要求.

1.1.3 脉冲整形器直径对脉冲信号的整形效果

与前相同，本小节采用的试验撞击速度也为4.7 m·s－1，但采用的紫铜脉冲整形器的厚度为3 mm，而其直径分别为3 mm、4 mm、5 mm和6 mm，波形对比见图5.

图5 不同直径的脉冲整形器在撞击速度为4.7 m·s－1下的波形图Fig.5 Waves under different diameters of pulse shapers with impact velocity 4.7 m·s－1

从该图的入射波波形的形状看出，同一撞击速度下，随着脉冲整形器直径的增大，入射脉冲波形上升沿升时越长，加载脉冲的周期长度也得到了延长，但其幅值的大小同样受紫铜脉冲整形器的吸能效应影响而相应的降低；另外，从反射脉冲波形的形状得出，该撞击速度下，脉冲整形器的直径越小，反射波的平台越短，而脉冲整形器直径为6 mm时的反射波平台最长，因此，更能表明该状态下的试件在加载过程中保持近似恒应变率加载条件.

1.2 聚碳酸酯材料在不同应变率下的动态力学响应

根据上一小节的脉冲整形器的研究，把紫铜脉冲整形器应用到聚碳酸酯材料的SHPB试验研究中，不仅为了消除应力波高频成分的影响，而且也保证了聚碳酸酯材料在加载过程中发生塑性变形之前达到应力平衡状态以及近似恒应变率加载的条件，以达到试验结果的有效性条件；同时也为了研究聚碳酸酯材料在不同应变率加载状态下的动态力学响应状态，采用5种不同的应变率，分别为120 s－1、220 s－1、320 s－1、420 s－1、530 s－1，试件的应力应变曲线见图6.

图6 不同应变率下聚碳酸酯的应力应变曲线图Fig.6 The stress-strain curves of PC materials under different strain rates

从该图的本构响应曲线对比可见，所有应力应变曲线的发展趋势相似，并随着试验应变率的增加，聚碳酸酯材料的屈服强度也相应增大，即其抗承受的强度增强，聚碳酸酯材料表现出了应变率敏感性.

2 结 论

脉冲整形器的试验研究表明，脉冲整形器的厚度或直径的增加，在一定程度上提高了入射脉冲波形的上升沿升时，延长了脉冲加载的周期长度，但相应的降低了入射脉冲的幅值；撞击速度的提高，降低了入射脉冲波形的上升沿升时，但提高了入射脉冲的幅值.在高分子材料聚碳酸酯的SHPB动态试验的研究中，采用脉冲整形器技术对试验进行改进，获得了较为光滑的入射脉冲波形，降低了应力波的振荡效应的影响，同时改变紫铜脉冲整形器的尺寸大小，实现了试件在试验过程中保持近似恒应变率的加载状态，并获得了较为准确和真实的应力应变曲线；同时对比了不同应变率下聚碳酸酯材料的动态力学响应，发现了其具有明显的应变率敏感效应.

［1］ 陈荣，卢芳云，林玉亮，等.分离式Hopkinson压杆实验技术研究进展［J］.力学进展，2009，39（5）：576-587.

CHEN R，LU F Y，LIN Y L，et al.A critical review of split Hopkinson pressure bar technique［J］.Adv Mech，2009，39（5）：576-587.

［2］ 周风华，王礼立，胡时胜.高聚物SHPB试验中试件早期应力不均匀性的影响［J］.实验力学，1992，7（1）：23-29.

ZHOU F H，WANG L L，HU S S.On the effect of stress nonuniformness in Polymer specimen of SHPB tests［J］.Exp Mech，1992，7（1）：23-29.

［3］ FRANTZ C E，FOLLANSBEE P S，WRIGHT W T.New experimental techniques with the Split Hopkinson Pressure Bar ［C］∥P 8th Int Conf on High Energy Rate Fabrication，1984：17-21.

［4］ ELLWOOD S，GRIFFITHS L J，PARRY D J.Materials testing at high constant strain rates［J］.J Phys E Sci Instrum，1982，15（3）：280-282.

［5］ 王从约，夏源明.圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析［J］.爆炸与冲击，1998，18（1）：1-7.

WANG C Y，XIA Y M.Dispersion analysis for elastic wave in the cylindrical bar by fourier transform［J］.Exp Shock Waves，1998，18（1）：1-7.

［6］ 胡金生，唐德高，陈向欣，等.提高大直径SHPB装置试验精度的方法［J］.解放军理工大学学报：自然科学版，2003，4（1）：71-74.

HU J S，TANG D G，CHEN X X，et al.Method of enhancing experimental precision for big radial size SHPB equipment ［J］.J PLA Univ Sci Tech：Nat Sci Edi，2003，4（1）：71-74.

［7］ 赵习金，卢芳云，王悟，等.入射波整形技术的实验和理论研究［J］.高压物理学报，2004，18（3）：231-236.

ZHA0X J，LU F Y，WANG W，et al.The experimental and theoretical study on the incident pulse shaping technique［J］. J High Press Phys，2004，18（3）：231-236.

［8］ CHEN W N，HUDSPETH M C，CLAUS B，et al.In situ damage assessment using synchrotron X-rays in materials loaded by a Hopkinson bar［J］.Math Philos Trans R Soc A Math Phys Engin Sci（online），2014，372：1-15.

［9］ HEARD W F，MARTIN B E，NIE X，et al.Annular pulse shaping technique for large-diameter Kolsky bar experiments on concrete［J］.Exp Mech，2014，54（8）：1343-1354.

［10］于鹏.航空聚碳酸酯动态力学性能及本构关系研究［D］.广州：华南理工大学，2014.

YU P.Investigation on the dynamic characteristics and constitutive model of Polycarbonate of aircraft［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2014.

［11］徐明利，张若棋，王悟，等.波形整形器在酚醛树脂的霍普金森压杆实验中的应用［J］.爆炸与冲击，2002，22（4）：377-380.

XU M L，ZHANG R Q，WANG W，et al.Application of wave shaper in SHPB experimental study of Phenolic Resin［J］. Exp Shock Waves，2002，22（4）：377-380.

Application of pulse shaper in SHPB experiment for polycarbonate

YANG Zi-chao，HUAN Shi，TA0Wei-jun，PANG Shu-meng
（Civil Engineering Protection Research Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

The dynamic responses of polycarbonate material under different strain rates are studied using SHPB experiment.Also a pulse shaper technique is applied to analyzing the relationship among the pulse shaper's size，impact velocity and pulse wave，and then the dynamic stress equilibrium conditions of the polycarbonate specimens during the experiment are obtained through applying the relationship into SHPB experiment，as well approximate constant strain rate loading conditions are acquired.The experimental results show that the polycarbonate material is sensitive to strain rate and its strength increases with the increasing of strain rate.

pulse shaper；polycarbonate；SHPB；dynamic response

TU 528.572

A

【责任编辑：周 全】

1671-4229（2015）05-0049-04

2015－04－21；

2015－05－10

国家自然科学基金专项仪器基金资助项目（51227006）

杨自超（1990－），男，硕士研究生.E-mail：1587172982＠qq.com

*通信作者.E-mail：huanshi＠gzhu.edu.cn