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閉孔泡沫鋁夾芯板動態(tài)沖擊實驗研究

本次實驗所用分離式霍普金森壓桿裝置(Split Hopkinson Pressure Bar,簡稱SHPB)。其中子彈長度為800mm,輸入桿(入射桿)及輸出桿(透射桿)長度均為2000mm。試件分為純閉孔泡沫鋁板、閉孔泡沫鋁單面板、閉孔泡沫鋁夾芯板。不同結(jié)構(gòu)的閉孔泡沫鋁試件在應(yīng)變率為103s1下分別測試，分析不同結(jié)構(gòu)的閉孔泡沫鋁試件吸能情況。另外還做幾組閉孔泡沫鋁夾芯板在不同應(yīng)變率下的動態(tài)沖擊測試，分析閉孔泡沫鋁夾芯板的動態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)。

為了準(zhǔn)確測量閉孔泡沫鋁夾芯板動態(tài)防護特性，應(yīng)用SHPB實驗技術(shù)研究時需要解決以下幾個問題：

(1)由于泡沫材料內(nèi)部主要由胞孔構(gòu)成，為了能得到較為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，以使得到的結(jié)果能代表真實材料的宏觀特性，一般要求試件直徑上分布的胞孔個數(shù)應(yīng)大于10,而實際工程中的泡沫鋁的胞孔孔徑有時相對較大，因此所采用的SHPB裝置的壓桿直徑也應(yīng)相應(yīng)變大。隨著SHPB裝置壓桿直徑的變大。桿的橫向慣性效應(yīng)以及彌散效應(yīng)也相應(yīng)地增加。仍采用一維應(yīng)力波理論處理實驗數(shù)據(jù)將造成不可忽略的誤差。

(2)泡沫金屬材料的相對密度大多在30%左右，從而使得其波阻抗遠低于輸入桿材料的波阻抗，因此輸入應(yīng)力脈沖透過試件傳到透射桿上的應(yīng)力脈沖幅值很小，導(dǎo)致反射波形很大，與入射波形持平，而透射波形很小，與外界干擾信號的幅值處于同一數(shù)量級，幾乎被干擾信號淹沒，從而導(dǎo)致所測信號的嚴(yán)重失真。

(3)這類材料的低波速(較壓桿材料低1~2個量級)會引起試件內(nèi)部應(yīng)力長時間的不均勻性。

(4)這類材料需要相當(dāng)寬的應(yīng)變范圍(彈性階段、屈服階段和密實階段)。

(5)在理想的霍普金森壓桿實驗中，試件應(yīng)處于應(yīng)力均勻狀態(tài)并在實驗的大部分時間內(nèi)以近似恒應(yīng)變率變形。然而，在常規(guī)霍普金森壓桿實驗中這兩項要求并不能自動達到恒定。

為了解決以上問題，我們采取了以下措施或改進方法：

(1)采用純鋁壓桿，其波傳播的速度只有鋼制壓桿的1/6。

(2)在輸出桿上采用半導(dǎo)體應(yīng)變片。由于半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)遠大于電阻應(yīng)變片，可將所測信號的信噪比提高約50倍，從而可獲得準(zhǔn)確可靠的透射波形。

(3)對常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法作了較大的修改，采用“不均勻時間平移法”,以解決反射波形太大而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理困難以及試件內(nèi)應(yīng)力長時間的不均勻性。

(4)必須很好地設(shè)計入射脈沖的加載率以保證在試件中盡可能早地達到應(yīng)力均勻。此外，還需要整形器以使試件能以近似恒應(yīng)變率變形。

(5)選用大尺寸SHPB裝置，壓桿直徑為37mm(遠大于泡沫的孔徑),以減少數(shù)據(jù)的分散性；子彈長度為800mm,輸入桿(入射桿)及輸出桿(透射桿)長度均為2000mm,以保證足夠長的加載時間，增加試件的變形量。首先分別測試了泡沫鋁夾芯板、單面粘貼鋼板的泡沫鋁及單純泡沫鋁在1000s1的應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，然后對泡沫鋁夾芯板在550s1、750s1和1000 s1的應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過分析，對泡沫鋁夾芯板的防護吸能進行進一步的研究。