PDF《高温 SHPB 冲击实验技术及其应用》

第2 7卷第1期高压物理学报Vol.

27,N o .

1 2

0 1 3年2月CH I N E S EJ OUR NA L O F H I GH P R E S S UR E P HY S I C S F e b . ,

2 0

1 3 文章编号:

1 0

0 0 -

5 7

7 3 (

2 0

1 3 )

0 1 -

0 0

5 7 -

0 6 高温S H P B冲击实验技术及其应用 * 许金余1 , 刘健1 , 范飞林1,

2 , 任韦波1 , 席阳阳1 , 杨坤1 ( 1. 空军工程大学航空航天工程学院, 陕西西安

7 1

0 0

3 8;

2. 中国人民解放军9

3 9

7 5部队, 新疆乌鲁木齐

8 3

0 0

0 5 ) 摘要:为研究高温下材料的动态力学性能, 研制了一套适用于分离式霍普金森压杆( S p l i t H o p k i n s o nP r e s s u r eB a r , S H P B) 高温冲击实验的温控系统.利用该温控系统和?1

0 0mm 常规S H P B装置, 对混凝土在高温下的动态力学性能进行了实验研究, 实验温度分别为2

0、

2 0

0、

4 0

0、

6 0

0、

8 0 0和1

0 0 0℃.结果表明: 由管式实时加热装置和箱式预加热炉组成的温控系统操 作方便, 实验效率高, 试件组装方法简便可行;

热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部 温升对实验结果产生的影响可以忽略, 实验技术可靠;

高温下混凝土动态力学性能的温度效应 十分明显, 相同冲击速率下, 随温度升高, 平均应变率逐渐增大, 动态应力 - 应变曲线逐渐表现 出塑性特性, 动态抗压强度随温度升高先增大后减小, 动态峰值应变随温度升高不断增大. 关键词:高温;

分离式霍普金森压杆;

实验技术;

混凝土;

动态力学性能 中图分类号:O

3 4 7. 3;

TU

5 2

8 文献标识码: A

1 引言航空航天材料、 军事防护工程材料、 武器结构材料等多种材料在特殊环境下往往要历经高温、 高应 变率等极端条件的考验, 此时材料的力学性能将受温度和应变率的共同影响, 使得高温下材料的高应变 率力学行为研究显得尤为重要.高温分离式霍普金森压杆( S p l i tH o p k i n s o nP r e s s u r eB a r , S H P B) 实验 是研究材料 高温、 高应变率力学行为的一种主要手段, 相关实验技术一直是研究的重点和难点.

1 9

6 3年, C h i d d i s t e r等人[ 1] 测试了高温下铝的冲击压缩性能;

之后, 高温S H P B不断应用于混凝土、 金属 等材料的高温动态力学性能测试领域, 相应的实验技术也得到深入研究.近年来, 人们进行了很多高温 S H P B实验研究, 例如: B e h n a m 等人[

2 ] 对高温 S H P B 实验中的热传导问题进行了实验研究和数值分 析;

贾彬[

3 ] 、 陶俊林[

4 ] 、 李奎等人[

5 ] 采用先加热试件再安装试件进行实验的方法, 在?5 0mmS H P B装置 上对水泥砂浆和混凝土材料进行了高温动态压缩实验研究, 最高实验温度达6

5 0℃;

肖大武等人[

6 ] 建立 了一套在压杆和试件之间添加隔热陶瓷短杆的高温 S H P B 实验系统, 并研究了锆的高温动态力学性 能;

张方举等人[ 7] 提出了一套 S H P B系统高温实验自动组装装置 ;

邓志方[ 8] 对高温S H P B实验中的界 面热传导特性进行了研究;

肖桂凤等人[ 9] 论述了采用 H o p k i n s o n杆测量材料高温动态力学性能的一些 技术方法和实验装置;

尚兵等人[

1 0 ] 提出了一种高温 S H P B 实验温度修正的差分方法.整体来看, 已有 研究较多采用先对试件加热再将试件安装到系统进行冲击实验的方法, 其优点在于数据处理相对简单. 但这些研究存在一定不足, 例如: 对于高温 S H P B 实验装置, 有的将加热和保温分开, 保温设备较为简 * 收稿日期:

2 0

1 1 -

0 7 -

1 1;

修回日期:

2 0

1 1 -

1 0 -

0 5 基金项目:国家自然科学基金(

5 1

0 7

8 3

5 0 ) ;

军队后勤科研项目 作者简介:许金余(

1 9

6 3 -) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事结构工程与防护工程研究. E - m a i l : j y x

3 6

9 @y e a h . n e t 通讯作者:范飞林(

1 9

8 3-) , 男, 博士研究生, 主要从事机场防护工程和材料动态力学性能研究. E - m a i l : f l y b e y o n d

0 0 7@1

6 3. c o m 易, 有的虽集加热和保温于一体, 但每次实验只能加热一块试件, 实验效率较低, 有的机械自动组装装置 的使用效果较好, 但改造比较复杂, 且组装不易实施, 同步组 装有一定难度;

对混凝土类材料的高温 S H P B实验研究相对不足, 远不能满足工程应用和数值计算等需要;

已有实验研究多局限于小直径 S H P B实验, 利用?1

0 0mmS H P B装置对混凝土进行高温实验的研究很少.由于混凝土在微观上属于 各向异性材料, 骨料尺寸相对较大, 利用小直径压杆进行高温实验获得的结果不足以真实反映混凝土的 宏观力学性能.基于此, 有必要增大试件尺寸, 研究大直径高温 S H P B实验的温控装置和实验技术, 测 试高温下材料的动态力学特性. 本研究针对大直径 S H P B实验中的高温实验技术, 研制一套适用于 S H P B实验的温控系统, 利用 该温控系统和常规?1

0 0mmS H P B装置, 对混凝土在高温下的动态力学性能进行研究, 实验温度分别 为2

0、

2 0

0、

4 0

0、

6 0

0、

8 0 0和1

0 0 0℃.

2 高温S H P B实验技术 2.

1 高温S H P B实验系统组成及特点 高温S H P B实验系统由常规 S H P B 装置和温控系统组成.常规 S H P B 装置由主体设备、 能源系 统、 测试系统3部分组成, 如图1所示.温控系统包括箱式预加热电炉( 见图2) 和管式实时加热装置 ( 见图3 ) 两部分.箱式预加热炉的加热元件为 U 型硅碳棒, 炉体温度的控制精度为±1℃, 最高加热 温度为1

3 0 0℃, 可对多个试件同时进行热处理.管式实时加热装置安装于入射杆和透射杆之间, 由支 撑平台和管式加热炉组成, 管式加热炉位于支撑平台之上, 加热元件为耐高温硅碳棒, 内部为圆形炉膛, 试件及刚玉管放于炉膛内, 其中与试件接触的部分采用耐热钢管, 以防止试件破碎损坏炉膛, 炉体控温 精度为±2℃, 最高工作温度为1

2 0 0℃.管式实时加热装置的加热速率较慢, 因此实验时先利用箱式 预加热炉对多个试件进行预加热, 然后逐一装入管式实时加热装置进行冲击加载, 从而大大提高实验效 率.整个实验系统具有控温精度高、 实验效率高、 操作安全简便、 重复性好的特点. 图1 常规?1

0 0mmS H P B装置 F i g .

1 G e n e r a l?1

0 0mmS H P Bd e v i c e 图2 箱式预加热炉 F i g .

2 B o xp r e h e a t i n gf u r n a c e 图3 管式实时加热装置 F i g .

3 T u b er e a l - t i m eh e a t i n gd e v i c e 2.

2 试件组装 张方举等人[ 7] 曾提出利用同步组装系统进行快速组装的方法, 但其组装系统较为复杂, 需要增设气 源、 气路以及附属设备, 改造成本较高, 并且组装实验过程复杂, 需对气炮气压和推动气压进行对照实 验, 由于相同气压在不同时间产生的激发速度并不完全相同, 存在一定误差, 因此精确的同步组装有一 定难度.本研究依托管式实时加热装置进行人工组装, 在高温下利用辅助器具将试件推入管式炉内指 定位置并定位好, 人工快速推动入射杆和透射杆到预先标记好的位置, 同时下达触发子弹口令, 人员迅 速撤离, 待触发完毕, 再迅速将入射杆和透射杆推出管式加热炉进行冷却.依托管式实时加热装置进行 的人工组装, 具有操作简便、 实验过程简单、 组装成功率高的优点, 同时管式实时加热装置能对试件进行 定位和实时控温, 大大提高了组装过程的安全性和测试温度的准确性.当然, 人工组装时的冷接触时间 ( 即压杆与试件完成对接到入射波到达试件端面的延时) 要稍大于同步组装时间.

8 5 高压物理学报第2 7卷2.

3 高温S H P B技术分析 采用只对试件加热、 再将试件安装到系统中的方法进行高温 S H P B 实验的关键技术在于试件加 热、 定位、 组装等装置的合理设计及准确使用, 要求试件控温准确, 冷接触时间足够短, 确保热传导造成 的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果的影响足够小. 根据已有研究[

7 -

8 ] , 在一定条件下, 导杆上存在的局部温升不影响导杆的弹性性能, 对于?2 2mm 的钢质压杆和小尺寸钢质试件, 当初始温度低于1

0 0 0℃、 冷接触时间小于0.

5 s时, 冷接触导致的试件 温度分布不均匀对实验结果的影响可以忽略.本研究的高温 S H P B 技术是为在较大直径的合金钢质 压杆上进行混凝土、 岩石等脆性和热惰性材料的高温冲击实验而设计的, 利用管式实时加热装置进行温 控和定位, 试件温度的均匀性大大提高, 试件定位准确稳定, 采用人工组装方法时, 冷接触时间能控制在 0.

5 s以内.对于较大尺寸的混凝土、 岩石等脆性和热惰性材料, 由于其热传导系数远小于金属材料, 比 热较大, 并且 冷接触 造成的试件温度损失可通过实时控温来减少, 所以试件温度的不均匀性大大降 低.由于接触时间很短, 根据已有研究结果, 导杆上存在的局部温升不影响压杆的弹性性能. 综合以上分析, 可以认为热传导导致的试件温度分布不均匀和压杆局部温升对实验结果的影响足 够小, 可以忽略不计, 高温S H P B实验技术可靠.

3 混凝土的高温S H P B实验 3.

1 实验设计 应用自行研制的高温实验技术( 见第2节) , 在?1

0 0mmS H P B 装置上对混凝土进行高温冲击实 验.实验温度分别为2

0、

2 0

0、

4 0

0、

6 0

0、

8 0 0和1

0 0 0℃, 压杆和子弹材料为合金钢, 气压均为0. 5MP a , 弹速均在1 0m / s左右.混凝土试件的加热速率为1 0℃/ m i n , 温度达到指定值后, 恒温5h, 然后再对试 件进行高温冲击实验.每种温度下测量3个试件, 共1 8个试件. 3.

2 原料、 配比和试件 原料: P. O4 2.

5 R 水泥, 陕西秦岭水泥股份有限公司生产;

硅灰, 西安霖源微硅粉有限公司生产;

粉 煤灰, 韩城第二发电厂提供;

骨料, 细骨料为灞河中砂, 粗骨料为泾阳县石灰石碎石;

水, 自来水;

F D N 高 效减水剂, 广州建宝新型建材有限公司生产.混凝土的配合比见表1.对标准养护2 8d后的长圆柱混 凝土试件进行切割和水磨加工, 用于实验的圆柱形混凝土试件的几何尺寸约为?9 8mm*4 8mm. 表1 混凝土配合比 T a b l e1 M i xp r o p o r t i o n so f c o n c r e t e ( k g / m

3 ) C e m e n t S i l i c o na s h F l ya s h S a n d C r a c k e ds t o n e W a t e r F D N w a t e r r e d u c i n ga g e n t

3 7

5 2

5 1

2 5

6 9

0 1

0 3

0 1

8 0

5 3.

3 波形整形技术与数据处理 图4 S H P B测试得到的原始曲线 F i g .

4 O r i g i n a l r e c o r d so f a t y p i c a lS H P Bt e s t 采用波形整形技术[

1 1 ] , 通过在入射杆端面中心 粘贴 H

6 2黄铜波形整形器, 改善入射波形.图4给 出了采用波形整形技术后混凝........