SHPB单脉冲加载-应变冻结技术及Abaqus仿真方法 原创

1. 问题介绍

  常规霍普金森压杆SHPB试验，入射杆中的反射波在撞击端面二次反射形成压缩波，多次反射结果是对试样造成多次加载，而在处理数据时只截取了第一次加载波数据，因此实际回收的试样的应变状态和损伤程度与数据处理结果存在差异。单脉冲加载技术使试样只承受第一次加载，保证回收的试样的应变状态、损伤程度与第一次加载数据处理结果相同。

应变冻结技术可以设定试验中试样的变形（应变），使试样形貌设定的应变保持一致。

本案例将介绍SHPB单脉冲加载技术以和应变冻结技术及其Abaqus仿真方法。

2. 应变冻结技术

2.1 应变冻结原理

  应变冻结即在试验中限制试样的变形，使试样最大应变固定在预设值。不考虑限位环变形时，有

  有效长度：

  内径（直径）：

其中， ε_st^* 为试样预设最大应变绝对值；l_sa、D_sa分别为试样原始长度、原始直径； ν_sa 为试样泊松比。考虑限位环变形时，试样实际最大应变略大于设定值。

2.2 应变冻结仿真模型

应变冻结仿真模型

  仿真模型各部尺寸和参数如下：

  撞击杆直径20mm，长度300mm；入射杆、透射杆直径20mm，长度分别为1800mm、1200mm；试样直径10mm，厚度8mm；杆件为钢杆，波速是5172.2e3mm/s。限位环分别采用钢和碳化钨合金。

  取初始撞击速度为12m/s，预设最大应变 ε_st^* =0.01，则

  有效长度：

  内径：

   所以，仿真中d取7.92mm ， a取12mm。

  材料设置：（1）杆件、限位环：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，参数见表1。

2.3 应变冻结仿真结果

  从试样应变曲线可以看出，采用钢质限位环，试样应变最高为0.0138，当试样卸载时，弹性应变恢复，剩余的PEEQ等效塑形应变为0.0125，试样应变要大于预设的应变0.01，这是因为限位环自身的变形，通过调整限位环的与试样的面积比或采用刚度更大的限位环可以使试样应变实际更接近预设值。采用刚度更大的碳化钨限位环，试样应变最高为0.012，PEEQ等效塑形应变为0.0108，略大于预设的应变0.01。

使用钢质限位环杆件及试样应力信号

使用碳化钨限位环杆件及试样应力信号

使用碳化钨限位环杆件及试样应力信号

使用碳化钨限位环杆件及试样应变信号

3. 单脉冲加载技术

3.1 单脉冲加载原理

单脉冲加载SHPB结构

  单脉冲加载SHPB除包含常规的撞击杆、入射杆、透射杆以及试样外，还包括传递法兰以及固定质量块。传递法兰通过螺栓固定在入射杆的撞击端，入射杆穿过质量块并保持自由滑动，质量块与传递法兰端面平行，相邻端面的间隔长度记为d。