摘 要

橡胶材料具有高弹性、低阻抗、黏弹性等力学特性，在汽车、船舶、电子、建筑及机械等行业中常用作冲击吸能和抗震材料，具有重要的社会和经济效益，同时在防护工程中也得到广泛应用，所以它们的动态力学行为及吸能特性受到普遍关注，软材料动态拉伸实验的测定因实验困难成为挑战，常规的测量方法是由kolsky提出的霍普金斯压杆实验，但是，当材料比较柔软时，机械阻抗很低，以至于噪音经常影响霍普金斯杆中输出杆的信号大小，传统的霍普金森杆输出杆中信号太小，不能有效区分环境影响因素，本文将对传统的霍普金斯压杆实验运用在软材料方面上的一些问题进行探讨，并对一种改进的霍普金斯拉杆实验装置进行研究，利用一维应力波理论和数值模拟的方法进行验证，同时设计夹持试样的实验夹具、实验入射杆、输出杆、发射装置、实验试样。并对数值模拟出现的问题进行优化处理，以获得良好的输出信号。

关键词：橡胶材料，霍普金斯压杆实验，一维应力波理论，霍普金斯拉杆实验，动态响应

Abstract

Rubber materials have high elasticity, low impedance, viscoelasticity and other mechanical properties. They are often used as shock energy absorption and seismic materials in automobile, ship, electronics, building and machinery industries, and have important social and economic benefits. At the same time, they are also widely used in protective engineering, so their dynamic mechanical behavior and energy absorption characteristics are paid more and more attention. The determination of dynamic tensile test of soft materials becomes a challenge because of the difficulties in the experiment. The conventional measurement method is the Hopkins pressure bar experiment proposed by kolsky. However, when the material is relatively soft, the mechanical impedance is so low that noise often affects the signal size of the output rod in the Hopkins rod. The signal in the traditional Hopkinson rod is too small to distinguish the environmental factors effectively. In this paper, some problems in soft materials used in the traditional Hopkins pressure bar experiment are discussed. An improved Split Hopkinson Pressure Bar for Soft Material Testing experimental device was studied and verified by numerical simulation. At the same time, the experimental fixture, experimental incident bar, transmission bar, launcher and experimental sample were designed. The problems in numerical simulation are optimized to obtain good output signal.

Key Words：Rubber material， split Hopkinson pressure bar，One-dimensional stress wave theory，plit Hopkinson tensile bar，Dynamic response

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外的研究现况 1

1.3本文工作 2

第2章 霍普金森拉杆装置的设计 3

2.1传统霍普金森杆实验运用在软材料实验上的问题 3

2.2霍普金森拉杆的设计 3

2.2.1 输出杆和入射杆的设计： 3

2.2.2夹具的设计 4

2.2.3试件模具的设计 5

2.2.4冲击装置的设计 5

2.2.5发射装置的设计 5

2.2.6法兰、底盘、内外套筒、子弹、气孔及进气管设计数据： 6

2.3本章小结： 7

第3章 霍普金森拉杆数值模拟 8

3.1 霍普金森拉杆应力波理论： 8

3.2材料本构模型 9

3.3霍普金森拉杆计算模型 10

3.3.1单元 10

3.3.2有限元网格 10

3.3.3接触 13

3.3.4初速度 13

3.3.5计算时间和时间步长 13

3.4本章小结： 14

第4章 计算结果分析与结构改进 15

4.1结果分析 15

4.2模拟方案的优化 16

4.2.1垫片 16

4.2.2实心入射杆 17

4.2.3改变子弹入射速度 18

4.2.4提高材料强度 18

4.3模拟实验小结 19

4.4本章小结 19

第5章 霍普金森拉杆实验进一步优化 20

5.1实验装置 20

5.2实验结果 21

5.3 入射波冲击结构的进一步设计 23

5.4本章小结 24

第六章 总结和展望 26

6.1总结 26

6.2工作展望 26

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1引言

橡胶（Rubber）是指具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状 ，早期的橡胶是取自橡胶树，橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、不透水和空气的材料。高弹性的高分子化合物。分为天然橡胶和合成橡胶二种。天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶则由各种单体经聚合反应而得。橡胶在三大高分子材料中由于具有不能被其它材料替代的独一无二的高弹性，被称为具有战略地位的材料，在国民经济和国防军工中有着十分广泛的应用。中国已连续多年在世界橡胶耗量和轮胎产量排行榜上位居第一。２０１２年，橡胶工业总产值已占我国 ＧＤＰ的１．６７％，全球三分之一^[1]。

橡胶材料具有高弹性、低阻抗、黏弹性等力学特性，在汽车、船舶、电子、建筑及机械等行业中常用作冲击吸能和抗震材料，具有重要的社会和经济效益，同时在防护工程中也得到广泛应用，所以它们的动态力学行为及吸能特性受到普遍关注。但对橡胶材料的压缩动态响应的测试较多，对拉伸动态响应测试较少，本文主要对改进的霍普金森拉伸实验进行改进和数值模拟，以对实验进行一定的指导。

1.2国内外的研究现况

对橡胶的动态性能的研究，大部分是对橡胶进行的压缩实验测试，对橡胶的拉伸测量较少，上世纪六十年代以来霍普金森拉杆的设计和制得得到发展^[2]，霍普金森拉杆对软材料的动态响应有一定的运用，X. Nie ， B. Song ， Y. Ge等人通过设计对传统的霍普金斯拉杆实验装置从新设计对高应变速率下橡胶的动态反应进行研究，采用的实验方法是霍普金斯拉杆，分离反射式动态拉伸SHTB实验装置，是由霍普金森压杆的改进装置，主要由两根霍普金斯加载杆、试样区承压环，子弹杆，发射枪，测速系统及应变信号测试处理系统等组成，拉伸试样与两加载杆要有良好的连接，在两加载杆中间放入承压块和承压环，使其与加载杆端面形成紧密接触，吸收杆和加载杆预留一定间距^[3]， W. Chen, B. Zhang 和 M. J. Forrestal对低阻抗材料的分离式Hopkinson杆技术进行了研究^[4],B. Song 和 W. Chen对软材料分离式Hopkinson压杆试验中的动应力平衡进行了研究^[5],Weinong Wayne Chen探讨了表征软材料动态响应的实验方法^[6],E. I. du Pont de Nemours和Company Inc对弹性体在高应变率下进行了拉伸实验^[7].

在国内，吴鑫，钟原，宋立通过设计试验试件并利用MTS静态拉伸机及霍普金森拉杆对焊点结构的焊核区进行了准静态及动态的拉伸实验，得到焊核区的力学特征^[8]，张凯、陈荣刚对大尺寸霍普金斯拉杆实验进行了研究^[2],在一定方面上对霍普金斯拉杆实验有所探讨,肖桂凤、姜锡权、阮征对霍普金森拉杆实验的ansys分析进行了一定研究^[9]

分离式霍普金森压杆(Shpb)，最初由kolsky^[10]提出，已被广泛用于研究延性金属压缩流动行为的速率依赖性，典型的应变率范围为10²~10⁴s^-1[10]。该方法已推广到各种形式的分离式霍普金森拉杆(SHTB)，用于动态拉伸特性的表征^[11-13]。SHTB技术是针对常见的工程材料，如金属^[14,15]，聚合物[15,16]和复合材料^[17,18]而发展起来的。对研究橡胶材料有很大的研究价值。

1.3本文工作

当下，人们对霍普金斯压杆实验研究的比较多，而对霍普金斯拉杆实验研究比较少，本文主要研究颗粒增强橡胶材料在高应变速率下的动态反应，设计出合理的实验装置，对不同参杂浓度的试样进行多组速率的实验，并用数值模拟验证所设计的实验装置对输入输出的信号灵敏度

第二章介绍了改进霍普金斯拉杆实验研究装置的设计，包括了实验的透射杆，反射杆，试样几何形状数据大小，子弹，发射装置，法兰盘的设计

第三章介绍了对改进的霍普金斯拉杆实验的数值模拟，包括材料特性，几何建模，网格的合理划分，初始速度的的设定，以及模拟结果的分析

第四章介绍霍普金森拉杆实验模拟计算结果的分析和实验模拟的优化

第五章分析实验结果，对比模拟结果，找出两者的差别原因

第六章总给全篇以及对未来的展望

第2章 霍普金森拉杆装置的设计

2.1传统霍普金森杆实验运用在软材料实验上的问题

传统的霍普金森杆由入射杆，输出杆，试样，子弹构成，当子弹撞击输入杆时，应力波会通过输入杆传递到试样时，部分应力波由于入射杆和试样交界面阻抗不匹配而反射回入射杆，剩下部分应力波传递进入试样，最终传递进入输出杆，而当低阻抗、低强度的橡胶材料用于霍普金森拉杆实验时，由于试样的低阻抗，导致大部分的应力波反射回入射杆，只有少部分的应力波传入试样，所以输出信号ε_（t）变得非常小。当试样处于动平衡状态时，试样中的名义应变率与入射杆中的反射信号成正比

(2.1)

其中L是试样的原始量规长度，是与入射杆中的反射波的应变历史，C₀是入射杆的弹性波速。方程2.1关于时间的积分给出了试样的轴向应变。用该方程确定了试件中的名义轴向应力σs。

(2.2)

A_S是试样的横截面积，εt(t)是横截面面积A₀的透射杆的轴向应变历史，E是透射杆的杨氏模量。玻璃聚合物(如PMMA)和弹性材料(如硅橡胶)的机械阻抗分别仅为钢阻抗的7%和0.5%。其抗压强度分别为马氏体时效钢(典型杆材)的5%和0.05%^[4].这导致输出杆信号受噪音等环境因素影响大，输出信号和噪音信号在量级上区分很小，实验对输出信号的采集较为困难。

2.2霍普金森拉杆的初步设计

2.2.1 输出杆和入射杆的设计：

强度铝由于软材料的机械阻抗较低，为了提高信噪比，提出了管状或者聚合物棒材，本文采用空心杆进行实验^[19,20]， 相比传统的霍普金森杆本文用高强度的铝合金代替铁做实验杆，并将杆做成空心，在同样的应力强度下，E和A_S都变小，ε(t)变大，采集的信号也将变大^[4]，为了减小材料的惯性效应，便于应用一维应力波理论，实验装置材料全部选用铝材空心杆，为了便于应力波在杆件中传导，入射杆和输出杆均选用细长型的空心杆，长1.6m，14×6.5mm的空心圆筒。试件的表面受轴向约束，在轴向加载过程中不能自由运动。特别是当需要较薄的试件达到动应力平衡时，几乎整个试件的应力都处于三轴应力状态，从而违反了实验所需的单轴应力条件。这就需要对实验数据作更多的分析修正，从而使问题更加复杂，并增加更多的不确定因素。此外，单用固体试件还会增加径向惯性的附加影响，这在软材料的动态测试中具有重要意义。为了使软材料在高速试验中的径向惯性最小，推荐采用空心试件几何形状进行实验，便于采集输出杆的信号。

2.2.2夹具的设计：

夹具既要起到夹持试样的作用，又要起到和透射杆反射杆连接的作用，因此夹具的前半部分需要和试样紧密配合，故前面为一设有倒角圆弧旋转面，夹具后部与实验杆件连接，采用螺纹螺杆的方式进行连接，螺纹采用M14公制细牙螺纹,深度15mm，考虑到只采用螺纹连接可能在冲击条件下错位，故在夹具外围设计两对螺孔，在SHTB试验中，试件夹持/夹紧方法对使试样发生近乎均匀的变形和获得有效的实验数据起着至关重要的作用。试件和棒端之间的任何滑动都使拉伸试验中的结果无效。将试样两端粘合在夹具表面可以防止试样滑移，在高应变率下能保证试样端部不会因为大变形而脱落出夹具。

图2.1 夹具 图2.2 模具

2.2.3试件模具的设计：

本实验有效拉伸实验部分为4mm，直径为6mm的圆柱，在其端部设计具有一定倒角的抛物面状纺锤形，与夹具紧密配合，橡胶成型后，后部与夹具结合，夹具再用螺帽螺杆连接，将试样紧紧夹持住，再利用夹具尾部公制螺纹，与入射杆和输出杆连接，实验装置主体部分构成。

2.2.4冲击装置的设计：

本实验是研究拉伸情况下，橡胶在高应变下的动态响应，故需要一定的冲击作用在杆上，但又不能直接撞击杆件，直接撞击容易出现偏心撞击情况，严重情况下还可能破坏实验装置，所以我们在入射杆端部打上螺纹，并制作一个具有内螺纹的空心圆盘，两者利用螺纹连接一起，然后让Φ32×22mm，长250mm的圆管形状的铝制子弹沿着轴向发射并撞击在法兰盘上，通过法兰将冲击产生的应力波传给入射杆，再传给试样，最后传给输出杆，再利用应变片采集信号。法兰后部再设计出一个具有内螺纹的凸台，该凸台的作用是在连接一个具有相合螺纹的杆，该杆不参与实验，只是起一个支撑入射杆的作用，否则入射杆是一个固支梁，容易在重力作用下下垂，让子弹不能正碰在法兰面上。

图2.3法兰 图2.4 底盘多视图

2.2.5发射装置的设计

发射装置在设计时，考虑到子弹运行不能触及障碍物，故只能用悬臂梁的形式支撑，底盘就要求有一定的长度，为了避免子弹在发射时碰击入射杆，须在子弹与投射杆之间增加一个内套筒，内套筒与投射杆之间具有一定空隙，而子弹则在内套筒上划行一段距离后飞出撞击法兰盘，由于子弹是通过压缩空气打出，须在发射前让子弹处于一个封闭的空间，故需要设计一个外套筒，让子弹在内外套筒形成的空腔内飞出，而底盘的作用则需要固定内套筒外套通，并具有一定的入气孔将空气导入击飞子弹，所以我们将子弹阶梯状的圆筒形，较小的圆筒内壁打上和内套筒相合的螺纹，较大圆筒内壁打上和外套筒相合的螺纹，底盘大小圆筒之间的圆环打上4个分布均匀的气孔，气孔延伸出去形成四个气管，气管通过橡胶管和储气罐连接，储气罐启动时，储气罐中的气体通过橡胶管、打气孔进入底盘，内外套筒以及子弹形成的封闭空腔，由于子弹并不是固定死在内外套筒里，在气体的压力下会以一定的速度飞出，这个速度可以利用在法兰前面放置光电门，测量子弹撞击法兰时的速度。

图2.5 底盘工程制图

2.2.6法兰、底盘、内外套筒、子弹、气孔及进气管设计数据：

内套筒：外径22mm，内径16mm，长1m的铝制圆管，圆管一端打上M22×1.5的公制细牙螺纹，螺纹深度40mm。

外套筒：外径38mm，内径22mm，长30mm的铝制圆管，圆管一端打上M39×3的公制细牙螺纹，螺纹深度30mm。

子弹：外径32mm，内径22mm，长度250mm的铝制圆管。

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