基于ABAQUS的直接式霍普金森拉杆SHTB仿真（附.cae.inp） 原创

1 问题介绍

   霍普金森拉杆（Split-Hopkinson Tension Bar, SHTB）相比于与传统的霍普金森压杆（Split-Hopkinson Pressure Bar, SHPB），两者的加载方式、应用场景及技术难点存在显著差异。许多实际工况（如碰撞、爆炸）中材料可能承受高速拉伸载荷（如撕裂、韧性断裂），直接施加动态拉伸载荷能更真实地模拟材料在高速拉伸状态下的失效行为，弥补压杆试验的局限性。

   本案例将介绍韧性材料的直接式霍普金森拉杆原理及其Abaqus仿真方法。

2.1 SHTB原理

直接式霍普金森拉杆SHTB（仿真）结构

   直接式霍普金森拉杆（SHTB）一种结构形式如上图所示。相比于常规压缩试验装置结构，SHTB装置入射杆的加载端通过螺栓连接传递法兰，撞击杆设计为套筒结构，套装在入射杆上，套筒撞击杆以一定速度撞击传递法兰，在入射杆加载端形成一个拉伸载荷脉冲。试样与入射杆、透射杆通过连接结构固定，连接方式有螺纹连接、粘胶连接以及卡具连接等。

    实际SHTB装置是套筒撞击杆以一定速度撞击传递法兰，在入射杆加载端形成一个拉伸载荷脉冲。仿真时可采用两种载荷加载方法：撞击杆法是模拟试验基于撞击杆撞击产生加载载荷，等效载荷法，顾名思义是直接对入射杆加载端面施加等效加载载荷。

   以下给出撞击杆尺寸、速度与等效载荷脉宽、峰值换算关系：

（1）撞击杆长度 L_st 与载荷脉宽τ_i：

（2）撞击杆速度V₀与载荷峰值σ_i：

   其中， L_st 为撞击杆长度， C_b 为杆件波速， ρ_b杆件密度。

2.2 仿真模型

直接式霍普金森拉杆SHTB仿真模型

     根据试样形状及连接方式、加载方式设置6个作业模型：

    仿真模型各部尺寸和参数如下：

三种试样尺寸

    三种试样尺寸如图，片状试样厚度2mm。套筒撞击杆内径20.4mm，外径28.28mm，长度778mm；传递法兰直径取30mm，长度取20mm；入射杆、透射杆直径20mm，长度1800mm；杆件为钢杆，波速是5172.2e3mm/s。

撞击杆初始速度24.7e3mm/s。以下给出等效载荷脉宽、峰值：

（1）脉宽：

（2）峰值：

   材料设置：①杆件和传递法兰：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：

 表1

 2.3 仿真结果

  直接式SHTB的撞击杆法难以使用整形片或者异形撞击杆进行波形整形，可以利用等效载荷法进行波形设置，以减少弥散。从仿真结果看柱状试样螺纹连接方式与片状粘胶连接方式结果近似，这是由于仿真中使用tie约束等效螺纹结构，实际上由于螺纹结构界面较为复杂，其结果离散性和波动性会更大，一般情况下粘胶连接方式结果更为精确。