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摘要材料的动态力学特性在在工程和军事技术方面具有极其重要的意义，各类爆炸/冲击载荷出现在人们工作、生活等各个方面，了解材料在冲击载荷下的动态力学性能会对工程设计与应用有巨大的帮助。霍普金森压杆实验技术作为研究材料动态力学性能的主要方式，特别是在应变率从 102到104s−1的高应变率情况下，能够相当理想地测出材料的应力-应变响应并得到材料的应力-应变曲线。故研究霍普金森压杆实验技术对研究材料在高应变率条件下的动态力学特性有着极其重大的意义。本文回顾了霍普金森压杆实验技术的历史背景以及国内外发展，利用传统的霍普金森压杆实验技术原理以及应力波基础，设计了杆件直径为Φ50mm 的霍普金森压杆实验装置。该设计主要包括：介绍霍普金森压杆的实验原理和对霍普金森压杆装置的方案设计；对发射装置、支撑装置、实验水平台以及动量吸收装置等零部件设计； 实验数据处理方法等主要内容。本文设计了一个针对固体火箭发动机推进剂等粘弹性材料的霍普金森压杆实验装置，为研究固体火箭发动机装药的力学性能提供实验参考。 30268
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毕业论文关键词： 霍普金森压杆 高应变率 动态特性 应力-应变曲线 实验装置设计 数据处理
Title The Design of Slipt Hopkinson Pressure Bar Aparatus
Abstract Dynamic mechanical properties of the material is extremely important in the engineering and military technology. Different kinds of explosive / impact loading occurs in all aspects of people's work and life. It is helpful to learn dynamic mechanical properties of materials under loading in engineering and application of the mechanical. SHPB experimental techniques, as the main way of study dynamic mechanical properties of materials, especially in the stress-strain rate conditions at high strain rating from 102 to the 104s-1,is possible to measure very satisfactory - strain response and get the stress - strain curve of the material. Therefore studying SHPB experimental technique is pretty meaningful to discuss the dynamic mechanical characteristics of materials at high strain rates. This paper reviews the historical background as well as domestic and foreign development of SHPB experimental techniques. According to traditional Hopkinson bar experimental techniques and stress foundation of stress waves, we designed a Φ50mm Hopkinson pressure bar. Main contents of the paper includes: introduction of the experimental principle of SHPB and program design of Hopkinson pressure bar apparatus; design of the launcher, support device, experimental horizontal platform and the momentum absorption devices, etc. This paper designed a Hopkinson pressure bar for solid rocket motor propellant and other viscoelastic materials to provide a theoretical basis for the study of the mechanical properties of solid rocket motor.
Keywords SHPB high strain rates high strain rates stress–strain curve experimental Instrument’s design experimental data processing
目次
1绪论1
1.1霍普金森压杆技术的历史背景1
1.2霍普金森压杆的发展情况4
2霍普金森压杆装置方案设计7
2.1霍普金森压杆技术原理7
2.2霍普金森压杆装置方案设计.9
3霍普金森压杆装置设计11
3.1霍普金森压杆装置主要设计参数与技术要求.11
3.2霍普金森压杆装置主要零部件设计11
3.3总装图19
4霍普金森压杆实验方法及数据处理21
4.1霍普金森实验原理及计算方法.21
4.2数据处理22
结论25
致谢26
参考文献27
1 绪论 材料的动态力学性能随着人类在工程、军事方面的不断地深入与探索，已经愈发重要。相对于物体在静载荷下的力学性能，材料的动态力学性能有着显著的不同。通过了解材料的动态力学性能，将大大有助于人们在科学、工程以及军事技术方面的研究。 材料的动态力学性能主要分为动态压缩性能以及动态拉伸性能。一直以来，分离式霍普金森压杆实验技术(Split Hopkinson Pressure Bar，即SHPB)[1]作为探究材料的动态压缩性能的基本方式，也愈发受人关注。这种技术方法巧妙、实验简单、应变率范围广、加载波形易控制，被认为是作为测试多种材料（如金属[2]、陶瓷[3]、岩石[4]、混凝土[5]等）在高应变率下力学响应的一种有效的测量手段。对于目前而言，霍普金森压杆装置都是以中小直径为主，对于大直径的霍普金森压杆，国内外均有研究，虽然收获了一些成果，但仍存在着许多技术方面的问题。对于金属等材料而言，中小直径的霍普金森压杆实验装置已能够满足其需要；但对于一些非金属材料，如固体火箭发动机装药等复合材料，其动态力学性能与金属材料存在着许多差异。此外，防护工程以及建筑工程的主要材料混凝土，对于它在强脉冲载荷下的动态力学性能的研究也成为热门课题。由于混凝土等非金属材料的非均匀性，中小直径的霍普金森压杆装置已经不能满足其测试动态力学性能的要求，因而也促进了人们对于大中直径的霍普金森压杆装置的渴望。本文在传统的霍普金森压杆实验技术的基础上，应用应力波原理[6]、材料力学以及理论力学等相关知识，设计直径为 Φ50mm 的霍普金森压杆实验装置，为固体火箭发动机装药的动态力学性能提供理论基础。