科技前沿 | 材料动态力学测试——霍普金森杆实验

在航空、航天、汽车、运输、包装及其它军事和民用领域中，工程材料可能会遇到像高速碰撞、爆炸这样的冲击加载情况，了解材料在冲击加载下的力学响应，有助于各类材料的工程应用和工程设计。

对于材料来说，其在动载下的力学性能和在静载下的力学性能是不同的。与准静态实验相比，进行高应变率下的动态实验，依然是一个不小的挑战。霍普金森拉伸实验，对于有效并精确地获取材料的应变率相关的应力-应变曲线，是非常好的动态实验方式。

大家都知道，常规静态拉伸，研究的是处于静力平衡状态下的材料，以忽略材料的惯性作用为前提。爆炸/冲击载荷以载荷作用的短历时为其特征，在这种条件下，材料处于随时间迅速变化着的动态过程。

霍普金森杆拉伸实验，可测得材料在高应变率（102-104/s）下的应力-应变曲线。强冲击载荷所具有的在短暂时间尺度上发生载荷显著变化，同时也意味着高加载率或高应变率，所测得的可变形材料的应力-应变曲线，是研究该材料试件动态力学特性的重点。

该研究采用霍普金森杆装置，用于材料动态力学性能的测试，应变率范围102-104s-1。基本原理为：当枪膛中的打击杆（子弹）以一定速度弹入输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲，应力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲作用下产生高速变形。

应力波通过试件同时产生反射脉冲，进入弹性输入杆和投射脉冲进入输出杆。测速器可以获得子弹的打击速度，粘贴在弹性杆上的应变片，记录应变脉冲计算材料的动态应力、应变参数。

数值模拟，已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提，是要建立一个材料在各种应变率下的精确应力-应变曲线。

利用霍普金森杆拉伸实验，该研究所成功采集到了材料试件在动态荷载下的应力-应变曲线，有助于材料的数值模拟，助力材料的工程应用和工程设计。