基于ABAQUS的反射式霍普金森拉杆SHTB仿真（附.cae.inp） 原创

1 问题介绍

   反射式霍普金森拉杆（SHTB）是在常规霍普金森压杆（SHPB）基础上改进而来，相比于直接式SHTB，反射式SHTB结构简单、易于改造，但需要对结果进行必要的数据修正。

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

1.1.SHTB原理

反射式霍普金森拉杆SHTB（仿真）结构

反射式SHTB结构基于SHPB改造而来，除具备常规SHPB结构的撞击杆、入射杆，还需要在拉伸试样外围加上与入射杆、透射杆相配合的承压环。并且反射式SHTB的入射杆、透射杆与常规SHPB位置相反。开始撞击杆以一定速度撞击透射杆，在透射杆形成一个传播的压缩载荷脉冲，压缩波从透射杆主要通经过承压环传递到入射杆，并在入射杆自由端反射形成拉伸波，此拉伸波为试样的拉伸加载脉冲。拉伸加载脉冲对试样进行拉伸加载，承压环不承受拉力，拉伸脉冲一部分进入透射杆形成透射波，一部分反射回入射杆形成反射波。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以及卡具连接等方式。

由于承压环受到压缩变形，部分压缩波会进入试样引起试样的压缩变形。因此需要对承压环进行设计，使其承受压缩波的主要部分，使试样几乎不变形或者只发生弹性变形。承压环与试样直径尺寸确定：

根据经验，承压环横截面积需大于试样的横截面积10倍以上：

1.1.仿真模型

反射式霍普金森拉杆SHTB仿真模型

根据试样形状及连接方式、加载方式设置4个作业模型：

仿真模型各部尺寸和参数如下：

两种试样尺寸

两种试样尺寸如图，柱状试样尺寸为D=8，d=5，H=10，h=10；其配套的承压环内径6mm，有效长度8.6mm，仿真中使用tie约束等效螺纹结构。片状试样D=15，d=5，H=14，h=10，厚度2mm；承压环内径6mm，有效长度2mm。撞击杆、入射杆、透射杆直径20mm，长度分别为778mm、1800mm、1800mm；杆件为高强度铝杆，波速是5164e3mm/s。

撞击杆初始速度25e3mm/s。以下给出等效载荷脉宽、峰值：

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 ：

由于使用整形片，实际脉宽大于计算值，经测量为250e-6s上升\下降沿50e-6s。

（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。

材料设置：①杆件何承压环：高强铝合金密度 2700kg/m²，杨氏模量72e3MPa，泊松比0.3。②试样：材料选择1100-H14铝合金，使用Johson-Cook本构模型，参数如下：

1.1.仿真结果

反射式SHTB的撞击杆可以使用整形片进行波形整形，Model-1-S模型使用整形片减少波形弥散，Model-1-L模型使用等效载荷，通过增加上升\下降沿时长（50e-6s）达到了与使用整形片同样效果减少了波形弥散，两个模型结果一致。有些试验需要使用可更换连接杆便于更换试验工装，仿真进行了包含螺纹结构连接杆的反射SHTB仿真（Model-1-L-C），结果表明，螺纹结构的可更换连接杆对结果影响不大。片状卡具结构（Model-2-L）与柱状螺纹结构相比，由于卡具界面复杂性，结果曲线“抖动”较大。但由于柱状螺纹结构固定方式，导致试样在第一次压缩波通过时承受更多的压缩载荷，并产生一定的预拉伸现象。