在动态加载条件下,工程材料的力学特性通常采用应变率相关的本构方程来描述,材料动态力学特性的差异则通过其本构参数来体现。由于材料的相关本构参数无法用理论分析方式得到, 而必须通过材料动态加载实验来确定。
分离式霍普金森压杆(SHPB)或 Kolsky 杆是现今使用最为广泛,并被认为可有效地应用于测试材料高应变率下力学特性的实验装置,常用来测试各种工程材料在102~104s-1应变率范围内的动态应力—应变曲线。与其他测试技术相比,霍普金森压杆实验具有加载平稳可控、测试精度高、装置耐用可靠等优势。然而经典的霍普金森压杆也存在某些不足, 其测试时长受到压杆系统的总长限制,而且经典数据处理方法要求在测试上满足杆中左行、右行波的明确分离,因此对于长度为 L 的撞击杆,通常要求入射杆长度 Li大于 2L,透射杆长度 Lt等于或略小于入射杆,而加载持续时间小于2L/C0(C0为杆中一维应力波速)。这样,在装置总长度有限的情况下,霍普金森压杆实际上只能在较高应变率下实现较大的实验应变,而在 102s-1量级的应变率下不能或很难实现满足需要的试件变形。
为使试件在测试中达到足够大的应变,最直接方法是采用超长 SHPB 实验系统,其优点是可以采用通常的霍普金森压杆实验方式、脉冲整形技术及数据处理方法。不过超长实验系统的空间要求、系统加工难度及成本都远高于常见的 SHPB 装置, 因此其虽有应用,但仍较为少见。“慢杆”技术则是另一种可实现大变形实验的方案,它由液压加载系统、压杆系统及相应的应力波反演数据处理软件组成,但其结构较复杂,也较少使用。出于应用的需要,中域华科(西安)机电设备有限公司提出一种基于传统霍普金森压杆系统的直接撞击式大变形实验技术, 可以在现有测试装置上很好地实现大变形冲击实验,能够在102s-1量级应变率下测得材料的动态应力—应变曲线。