高应变率弹性体的Kolsky Bar实验中关键测试参数的有限分析
添加时间：2020-06-11 11:47:44
浏览次数：
高应变率弹性体的Kolsky Bar实验中关键测试参数的有限分析
低阻抗材料（例如弹性体）正在汽车，生物医学，航空航天等行业中找到新的应用。弹性体的典型动态应用是汽车和航空航天器的减震器。由于像弹性体这样的超弹性材料表现出对施加载荷的应变率的依赖，因此研究人员和工程师需要依靠在静态和准静态条件下确定的性能来进行此类应用。因此，需要精确的模型和技术来表征动态范围内的弹性体。为了为这些材料生成依赖于应变率的本构模型，需要在不同的应变率下进行测试。
以高于100 / s–10,000 / s的应变速率表征材料的最常见方法是Kolsky条技术。该设备已广泛用于动态表征材料，例如金属[ 1 ]，陶瓷[ 2 ]，泡沫[ 3 ]，复合材料[ 4 ]和智能材料[ 5 ]。Kolsky条是表征材料应力应变响应随应变率变化的理想选择。可以为动态模型生成一系列曲线，以准确预测冲击应用中的性能。可以通过将响应曲线拟合到应变率相关的本构方程来得出材料参数，从而实现这一目的。
在压缩状态下，这种装置被广泛称为“分离式霍普金森杆”（SHPB），以约翰·霍普金森和他的儿子Bertram Hopkinson（1849–1898）的名字命名，以演示应力波在铁丝中的传输。他们进行了板冲击试验，以通过爆炸或子弹冲击来测量压力-时间曲线。 对该技术进行了严格的研究，并讨论了应力波在长杆上的分散。1949年，Kolsky对SHPB进行了修改，在其两侧都增加了一根弹性杆（入射或输入杆以及反射或输出杆），并测量了冲击载荷条件下材料的应力应变响应[ 8]。科尔斯基还分析了变形过程中试样径向惯性的重要性，当应变率变化非常快时，径向惯性很容易受到影响[ 9 ]。使用电容式麦克风记录应力波的传输。后来，为此引入了一种应变测量技术。Krafft等人（1954年）修改了Kolsky杆的设计，以通过加速弹丸发射产生载荷。从那时起，该技术已被修改和扩展，以在高应变率下进行材料的拉伸，扭转和弯曲测试。该技术已由Follansbee（1995），Nemat-Nasser（1991），Gray等（2000），以及Field等人（2004）。
Kolsky杆的有限元建模已被广泛地报道在以前的研究中，例如，对于入射脉冲整形设计[测定15，16 ，脉冲整形器[的造型17 中，所述设备设计[数值验证18 ]，杆[ 19 ] 中的未对准效应，以及杆[ 20 ]中的波散射研究。这项研究旨在为考尔斯基棒实验中的弹性体建模提供全面的方法，重点是样本几何优化，实验验证和脉冲整形器几何效应。
需要修改常规的Kolsky棒形设备以测试软质材料。由于软质材料的特点是刚度低，弹性波速度低，因此必须考虑诸如阻抗失配和样本均匀响应之类的问题。否则，可能导致信号失真和微弱。为了克服这些影响，必须进行必要的修改，例如使用低阻抗杆材料，空心杆和脉冲整形器；
两个长圆柱状弹性杆（入射，透射）；
前锋发射装置（通常由气枪实现）；
力/应变测量传感器；
轴承和底座设置，用于钢筋的轴向对准；和
数据采集系统。
在本文中，我们研究了几种技术以及其他重要的设计参数和要求。根据弹性体与软质材料一起使用所需的修改，提出了一种弹性体的动态表征设计。对空心传动杆的使用，脉冲整形技术和试样的均匀变形进行了研究。另外，为了获得恒定的应变率，需要使用脉冲整形器修改加载脉冲。使用商业显式动态软件包（Abaqus Explicit）进行数值模拟。还使用数值模拟和实验结果对各种设计参数（例如样品几何形状和脉冲整形器）进行了优化。最后，将优化的脉冲整形器和几何设计合并到Kolsky条中以进行实验验证。
去：
2. 考利杆(Kolsky bar)设计和设置
2.1。传统的考利杆
kolsky bar 实验是用于确定各种工程材料的动力响应的最常见的高应变率测试设备。尽管此设备没有标准设计，但大多数研究人员使用的设备包括以下组件（如图1）：
在进行Kolsky bar实验以测试弹性体时，最具挑战性的部分是促进样品中的均匀变形。由于弹性体中弹性波的低速，无法满足均匀变形的假设。结果，逐点变形不能代表试样在厚度方向上的平均变形。图7表示了在加载过程中压缩弹性波在不同点传播通过样品的非均匀变形的情况。样品的直径与试条的直径相同（20毫米），厚度为20毫米。在加载的最开始（t = 210 µs），弹性波从右侧进入样品，并且变形仅在与入射棒接触的部分发生。随着时间的增加，变形移向变送器/样品界面（t = 590 µs）。在加载过程中，样品永远不会达到平均应力状态。应力的这种不均匀性归因于冲击载荷中遇到的轴向惯性。由于泊松效应，轴向惯性还导致径向惯性.
