SHPB可控多脉冲加载技术与Abaqus仿真方法 原创

1、问题介绍

SHPB多脉冲加载方法一般有两种：多次反射加载法、多级撞击杆法。多次反射加载法，利用入射杆的反射波在端面二次反射形成加载波，实际上常规的SHPB试验都是多次反射加载，只不过在处理数据时只截取了第一次加载的数据，其特点是相邻加载时间间隔是固定值（入射杆杆长的两倍与杆弹性波速的比值）；多级撞击杆法，是基于撞击杆或者加载结构设计，将撞击杆设计成可实现多次撞击的结构，撞击间隔可调可控，多级撞击杆一般有串联结构、夹心结构等形式。

本案例主要介绍SHPB夹心结构的多级撞击杆技术与仿真方法。

2、内容

2.1 基于夹心撞击杆的多脉冲加载SHPB结构

夹心撞击杆形式的多脉冲加载SHPB结构如下：

夹心形式的撞击杆主要由外杆和内杆组成，内杆与外杆端面间隔d。实际试验中，内杆是圆柱体，尺寸与外杆内径相同（留有公差），内杆与外杆可以滑动，外杆自由端封闭，靠近撞击端的端面装配有端盖。

进行实验时，内杆、外杆以相同的初速度运动，由于间隔d的存在，外杆先撞击入射杆，然后经过一定的时间间隔后内杆再撞击入射杆，因此通过调节间隔d的大小可以控制多脉冲加载的时间间隔。

2.2 时间间隔计算

根据一维应力波理论，可知：

（1）加载脉宽：

第一次加载（加载波1）：

第二次加载（加载波2）：

（2）两次冲击时间间隔：

其中，初始撞击速度，撞击外杆长度，撞击内杆长度，波速，间隔长度，为波阻抗比值。

2.3 仿真模型几何尺寸及工况设置

仿真模型各部尺寸和参数如下：

撞击杆外杆直径20mm，长度200mm；撞击杆内杆直径取12.5mm，长度取192.8mm，间隔长度d=1.2mm；入射杆、透射杆、吸收杆直径20mm，长度分别为1800mm、1200mm、600mm；试样直径16mm，厚度8mm；杆件为钢杆，波速是5172.2e3mm/s。

因此，此时对应的工况条件如下：

第一次加载脉宽（理论值）为

第二次加载脉宽（理论值）为

取初始撞击速度为12m/s，则两次冲击加载时间间隔（理论值，β取1.64）：

夹心结构撞击杆（内杆、外杆及端盖）

入射杆、透射杆、吸收杆以及试样

 

网格划分结果

2.4 材料

（1）杆件：钢杆密度kg/m2，杨氏模量210e3MPa，泊松比0.29.

（2）试样：材料选择1100-H14铝合金，使用Johson-Cook本构模型，参数如下：

2.5 结果

仿真结果-两次加载波云图

仿真结果-入射杆信号（黑色），透射杆信号（红色）

初始撞击速度为12m/s、间隔长度1.2mm情况下：

（1）理论计算第一次加载脉宽为，仿真计算结果为79（中值脉宽）；

（2）理论计算第二次加载脉宽为，仿真计算结果为75（中值脉宽）；

（3）理论计算两次冲击加载时间间隔为，仿真计算结果为131.9；

（4）理论计算由加载波反射后引起的第三次与第一次冲击加载的时间间隔为，仿真计算结果为699；

（5）吸收杆吸收加载波1、2引起的透射杆的信号，透射杆未形成拉伸波，使试样与压杆在第三次加载来临之前保持预接触。

仿真与理论吻合较好，结果误差产生原因：撞击杆几何结构影响、上升下降沿时间、几何弥散等。

仿真结果-试样应力