在各類(lèi)工程技術(shù)、軍事技術(shù)和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實(shí)際問(wèn)題中,甚至就在日常生活中,人們都會(huì)遇到各種各樣的爆炸/沖擊載荷問(wèn)題,并且可以觀察到,物體在爆炸/沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)往往與靜載荷下的有顯著不同。
19世紀(jì)開(kāi)始,人們才逐步認(rèn)識(shí)到了材料在動(dòng)載下的力學(xué)性能與其在靜載下的力學(xué)性能不同。
Thomas Young是分析彈性沖擊效應(yīng)的先驅(qū),他(1807)提出了彈性波的概念,指出桿受軸向沖擊力以及梁受橫向沖擊力時(shí)可從能量進(jìn)行分析而得出定量的結(jié)果。J. Hopkinson 1872完成了第一個(gè)動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn),觀察到鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端,而是固定端;并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度,即取決于撞擊速度,而與落重質(zhì)量的大小基本無(wú)關(guān)。Pochhammer,1876;Chree,1886;Rayleigh,Lord 1887分別研究了一維桿中的橫向慣性運(yùn)動(dòng)。1897年Dunn 設(shè)計(jì)了第一臺(tái)高應(yīng)變率試驗(yàn)。1914年B.Hopkinson想出了一個(gè)巧妙的方法,用以測(cè)定和研究炸藥爆炸或子彈射擊桿端時(shí)的壓力~時(shí)間關(guān)系。所采用的裝置被稱(chēng)為Hopkinson壓桿(Pressure Bar),有時(shí)縮寫(xiě)為HPB。
二戰(zhàn)之前,很少有人研究動(dòng)態(tài)壓縮加載問(wèn)題,只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個(gè)方法來(lái)測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度。Taylor方法主要是假設(shè)材料是剛性——理想塑性,運(yùn)用一維波傳播的基本概念,用一個(gè)圓柱撞擊剛性靶,然后測(cè)出其變形,最后得到材料動(dòng)態(tài)壓縮屈服應(yīng)力。
目前,已能對(duì)材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率在0.1/s以下;凸輪塑性機(jī)和落錘實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率到500/s;輕氣炮和平面波發(fā)生器可以獲得10000/s 以上的超高應(yīng)變率加載,核爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變率比108/s 大;分離式Hopkinson壓桿裝置被認(rèn)為是獲得材料在100/s- 10000/s高應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的最主要實(shí)驗(yàn)手段。分離式Hopkinson實(shí)驗(yàn)技術(shù)填補(bǔ)了準(zhǔn)靜態(tài)加載與超高應(yīng)變率加載之間的部分空缺應(yīng)變率范圍,這個(gè)范圍恰好包括了流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率,所以對(duì)它的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究也最多。
Kolsky證實(shí)了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變與壓桿位移之間的關(guān)系。利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器+數(shù)字示波器,記錄存儲(chǔ)入射桿和透射桿的應(yīng)變-時(shí)間波形。
該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論,通過(guò)測(cè)定壓桿上的應(yīng)變來(lái)推導(dǎo)試樣材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。SHPB技術(shù)之所以能受到人們的重視,主要原因是該測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分突出,主要表現(xiàn)在:
1.測(cè)量方法巧妙,成功的避開(kāi)了要在試樣同一位置上同時(shí)測(cè)量隨時(shí)間變化的應(yīng)力和應(yīng)變的難題;
2.SHPB試驗(yàn)所涉及的應(yīng)變率范圍包括了流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率(100~10000/s);
3.入射波形易于控制,改變子彈(撞擊桿)的撞擊速度及形狀,即可調(diào)節(jié)入射脈沖波形,從而也調(diào)節(jié)了作用于試樣上的波形。