一、 霍普金森杆介绍

霍普金森杆装置，英文简称 SHP(T)B, Split Hopkinson Pressure(Tensile) Bar，主要 用于材料动态力学性能的测试，应变率范围 10^2～10^4。SHP(T)B 实验装置的基本 原型是 Hopkinson 在 1914 年提出的用于测量冲击载荷的脉冲波形的压杆装置。1949 年Kolsky 将压杆分成两段，通过加速的质量块、短杆撞击或炸药爆轰产生加速脉冲，试件置于输入杆和输出杆中间，利用这一装置可测量材料在冲击载荷作用下的应力-应变关系。Kolsky 的工作是一项革命性改进，现代的 SHPB 都是在其基础上发展而来，所以 SHP(T)B 杆也称之为 Kolsky 杆。典型的SHPB装置及其数据采集处理系统如图1所示，当枪膛中的打击杆(子弹)以一定的速度撞击弹性输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲I（应力波），应力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲的作用下产生高速变形，而应力波在通过较短试件的同时产生反射脉冲进入弹性输入杆和透射脉冲进入输出杆。利用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所记录下的应变脉冲可以用来计算材料的动态应力、应变参数。

 

图 1 霍普金森杆示意图

SHPB实验的基本原理建立在二个基本假定的基础上，即一维假定(又称平面假定)和应力均匀假定。一维假定认为应力波在细长杆的传播过程中， 弹性杆中的每个横截面始终保持为平面状态；应力均匀假定认为应力波在试件中反复 2～3个来回，试件中的应力处处相等。由此可利用一维应力个来回，试件中的应力处处相等。由此可利用一维应力理论确定试件材料的应变率、应变和应力。

 

二、 设备主要部件组成

霍普金森多功能拉、压杆设备主要由储气装置、发射与控制操纵系统、杆系与子弹、量测与分析系统、中心支撑部件、组合基础导轨、主动围压部分、单次加载装置、缓冲装置和辅助设备等组成。霍普金森多功能拉、压杆设备是建立在统一高精度基准之下的一套专用试验设备。其中主要不同于其它设备的特殊部分分述如下：

1. 发射系统

由储气室、发射体、操控模块、活塞、联接法兰、可快换变径炮管、支承座、反后座支架等组成。

2. 杆件杆径

压杆：φ10mm，20mm,30mm,40mm,50mm,80mm,100mm

拉杆：φ20mm，φ14.28mm,φ10mm

3. 操作台

操控模块为独有结构，在发射体上安装，具有进气阀、储气室微调阀、减压阀、压力表、炮管底部排气阀、自动快速放（气）炮开关。可以自动操作子弹就位，子弹发射，采集冲击信号，导出冲击方波，得出应变率和应力等测试结果

4. 杆系与子弹

材料18Ni；金属材料均进行过热处理，所有杆件端面垂直度均可达到0.02mm 以内，杆径和端面粗糙度达到 Ra0.8 以上。

5. 中心支撑部件

由基座、开合上座、三向移动调整定位机构、高精度轴承、压盖、手动调整机构等构成。主要特点在统一基准导轨下可使不同直径杆系沿轴向运动为滚动摩擦，滑动轻快，自调整极其方便，最大优点受力合理使杆系工作寿命大大延长。

6. 组合基准导轨

由型材导轨、地脚调节装置等拼合组成的一整体导轨。使用专用技术，使导轨在安装好后，形成两个基准：一个是侧基准，一个是水平基准，可使发射装置、杆系、支撑部件等在同一基准下工作，大大提高调试工作效率。

7. 激光测速系统

测速仪可用于霍普金森杆实验中测量空气炮的弹丸速度，也可用于其它类型火炮弹丸速度的测试及相关领域，主要特点如下：

Ø LCD显示界面简洁，操作提示明确，可同时显示测试时间值及速度值；可手动设置测速段距离，设置范围为1~999 mm，分辨率为1 mm；

Ø 时间测试范围为0.1~99999.9 us（0.1s），精度为±0.1 us，速度测试精度为±0.01 m/s；

Ø 具有串行通信接口，可根据用户需求设计上位机控制软件控制测试过程；

Ø 供电电源为AC220V，工作温度-10~40 ℃，也可改为电池供电，便于野外使用。

Ø 核心部件采用大规模可编程逻辑器件，根据用户需求修改功能，可在线编程、调试。

8. 高低温控制系统（可选）

8.1 高温系统

高温炉采用目前世界上最先进的全纤维真空压制炉膛，具有节能、美观、使寿命长和安装维修方便的特点；温度控制系统采用人工智能控制、具有控温精度高，性能稳定可靠等优点。炉体及炉盖采用双层不锈钢的坚固结构，中空通流动水，降温效果良好，外壳温度 25°C 恒温，以保护操作者安全。高温炉采用高性能内置式加热体，升温速度快、调节灵敏、精度高，温度稳定，温度工作上线有较大扩展，采用 PID 温度控制仪，性能可靠、使用方便。温度可任意编程升降调节。高温炉采用高性能内置式加热体，升温速度快、调节灵敏、精度高，温度稳定，温度工作上线有较大扩展，采用 PID 温度控制仪，性能可靠、使用方便。 温度可在50-1000 度之间任意编程升降调节。具体参数如表1所示

表 1 高温系统参数

 

 

8.2 低温系统

采用液氮作为制冷介质，采用智能仪表控制温度，PID 调节，温度范围：

-196℃～室温；控温精度：≤±5℃。

9. ALT1000型超动态数据采集系统

ALT1000 型超动态数据采集系统专用于霍布金森杆实验的测试和分析。系统瞬态最高采样速率 1MHz，每通道独立 A/D 模数转换器，外挂应变调理器完成1/4 桥、半桥、全桥状态的应力应变测试和分析，对被测信号实时采集、实时显示、实时存储和实时分析，具备自动测试控制和数据波形分析处理功能。具有以下优点：

Ø 12 Bits A/D 分辨率、10KSPS-40MSPS 采样率、4 个并行采集通道、每通道 8MSa 缓冲存储器

Ø 丰富的触发功能

Ø 驱动程序支持 Windows10

Ø 它具有高精度，低噪声，低失真和测试信号范围宽的特点。

n ALT1000 超动态数采系统提供 8 路模拟信号输入并行采集测试通道，所有

通道同时采样保持，各自进行独立的 A/D 转换，数据采集测量达 12 位

Ø A/D 转换分辨率和最高 40MSPS 数据采样率。其高阻抗差分输入的每通道

Ø 有独立的增益 1-1600 倍，可直接连接大多数传感器电压输出。

n ALT1000 超动态数采系统有八个量程档±10V，±6V，±4V，±2V，±1V，

Ø ±500mV，±250mV，±125mV,有一系统触发线和系统时钟线，可在多个

Ø 采集器同时工作时选择系统触发和系统时钟之用，以便整个系统触发同步

Ø 和以同一时钟进行采样，保持系统同步。

n ALT1000 超动态数采系统具有软件触发、内触发、外触发和正负延迟多种

Ø 触发功能。A/D 转换率最高为 40MSPS，向下按 1、2、5 分频；信号输入

Ø 用 BNC 同轴电缆(可选用差分连接器)连接器输入。每通道采样的最大存贮

Ø 深度为 8MSa，可用软件随意设置采样长度。该系统配有系统驱动控制程

Ø 序软件，在 WindowsXP/7 版本的操作平台下运行，控制面板完全是虚拟

Ø 仪器软面板，图形化界面十分友好

9. 3 ALT1000 应变适调器技术指标：

（1）可实现桥路的程控切换和自检功能：

（2）适用电阻应变片阻值：

50Ω～10000Ω；

（3）供桥电压：2V、5V、10V（可选）

（4）程控桥路方式：

1/4 桥（标配 120Ω）、半桥、全桥；

（5）增益：

100 倍（30，50，100，500，100 可选）；

（6）最大带宽：

DC～300kHz（+0.5dB～-3dB）；

（7）输出特性：

A．输出电压：7VRMS；

B．输出电流：5mA；

C．输出电阻：小于 1Ω；

（8）尺寸：

30mm（宽）×20mm（高）×80mm（长）（单通道）；

10. 霍普金森拉杆 ALT1500 软件简介

10.1. 操作界面(可自动识别计算波形）

霍普金森杆数据分析软件由阿基米德工业科技公司开发，功能非常强大，可以同时计算得到动态应力、应变、应变速率、应变能、入射能、透射能、反射能、质点速度、加速度（高 g 值）、试样升温、断裂韧性，位移量、冲击力、轴压变化、围压变化、孔隙压力变化、入射应力应变、透射应力应变、反射应力应变、巴西劈裂强度等数据。 

霍普金森(Hopkinson)杆实验采集的数据主要包括时间、入射电压和透射电压。数据分析程序对原始数据进行处理，主要功能有：

1. 根据图像中的曲线图手动抓取入射波/透射波的起始位置，并分离出所需时间区间的所有数据。

2. 根据特定的计算方法对原始数据进行分析并自动识别入射波/透射波的起始位置，并分离出所需时间区间的所有数据。

3. 可实现移波操作，即当入射波和透射波的起始位置有偏差时，可对入射波或透射波的数据进行移动，以使两者的起始位置对齐。

4. 针对有效时间区间的入射电压和透射电压，依据给定的实验参数计算相应的应变率、应力、应变能和高 G 值等参数。

5. 针对给定的数据列表，可按平面曲线的方式显示指定的映射关系。默认条件下，以时间数据表示横坐标值，其他数据列作为纵坐标值。

6. 可对映射曲线的显示风格进行编辑，包括线型、线宽、颜色、显示间隔，节点符号的形状、大小、颜色、显示间隔等等。

7. 可对坐标轴、注释框、图形边框等元素的风格进行编辑，包括坐标轴的名称、显示范围的数据区间，注释框的显示位置、是否隐藏边框，图形边框是否隐藏、网格辅助线是否显示等属性。

8. 可实现图形/图像的缩放、移动、抓取、位图转换等功能。缩放和平移即改变曲线的显示范围，抓取即可以将点击图像获得对应的数值，位图转换即将变换为 BMP 格式的位图并输出。

三、 设备优越性能

ALT1500 采取柜体式结构设计，直接将发射及压杆系统安装在两个操作台

之间，所有零配件都安装在工作台内部，整齐美观，实用性很强。发射及控制系统安装在前操作台，操作人员在电脑前即可完成子弹发射，子弹回收数据处理等操作，非常方便。高温加热系统及同步气缸安装在后操作台，可以通过PID控制 系统随意调整目标温度，高温炉外部带水冷系统，可以保证操作的安全。各个杆系通过不同直径的带轴承杆套可以安装在同一规格的支撑台上，可以随意更换压杆。同一系统也可以安装两套基座以适应不同直径的杆径，通过对杆及发射系统的系统调整，该设备可以冲击出经典的规则方波。具有以下优点：

1. 可快速变换不同杆径：采用斜口压杆支座，在一台霍设上只需更换炮管就可方便实现各种霍杆试验，达到各种实验目的，可为用户节钱。

2. 主体采用柜式结构加型钢轨道设计，实用性强，操作方便，外观符合现代工业美学理念。

3. 可以拉杆和压杆共用一个主体，共用采集系统和气室发射系统，拉杆支架采用轴承支架，方便安装与滑动。

4. 操作面板集成到炮管后的柜体上以保证操作安全，撞击杆可以自动发射，自动回位，采用双开关以避免误发射。

5. 排除外部电磁干扰，同时防止采集系统误触发，发射控制系统采用气动控制系统。

6. 数据采集软件可以随意选择波形的起点及终点，可以选取任意波段数据进行分析。

7. 数据处理软件自动识别透射波和反射波的起跳点，自动计算应力、应变、应变率、应变能、入射能、透射能、反射能、质点冲击速度，自动生成应力应变曲线，以及时间与上面各种参数的曲线，可以计算方形试样，以上功能可以现场演示。

8. 统一基准：由专有技术拼合成的分段组合式导轨，可任意接长或缩短，具有侧向和平面高精度统一基准，可使发射系统（包括各种炮管）、杆系（各种杆径）在同一基准下任一位置调试安装，极大节约调试时间，操作方便，提高试验精度。

9. 标准模块化：无论发射系统、中心支撑装置，还是导轨，全部采用标准模块化结构。无论你需要什么样的拉杆试验设备，都可通过数量增减而达到试验要求，易于推广。

10. 扩展性：系统具有很强的扩展性。可以加测速，高温，围压，三点弯，剪切等各种不同条件下的测试，可以在在导轨上增加一台辅助设备（高精度磨头变频动力驱动、短直线导轨副、杆件旋转动力机构等），即可解决长杆磨削问题；增加各种直径杆件的单次加载装置等试验项目不加什么就很容易实现；缓冲装置可移位等。

 

四、 具体工程应用：

可以进行不同杆径，不同围压，不同温度和压缩，弯曲，拉伸及剪切测试等，具体设计根据客户要求。一般有如下应用：

1. 用同步组装系统进行高温、高应变率耦合作用下材料动态力学性能的测试;

2. 在 Hopkinson 拉杆技术中实现单脉冲加载及其在动态损伤力学中的应用;

3. 用 Hopkinson 拉杆加载三点弯曲试样测定材料的动态起裂韧性;

4. 用 Hopkinson 拉杆技术对高 g 值加速度传感器进行 g 值校准；

5. 快速落刀的应力应变测试

6. 真三轴围压及假三轴围压时的霍普金森拉杆拉杆测试

7. 其他动态冲击力学方面的应力应变测试