材料在中应变率加载下的大应变力学行为对材料结构设计意义重大。尤其是可拉伸弹性体材料，在结构防护吸能、柔性电子传感等领域展现了巨大的应用潜力。对于这类材料，准确获取中应变率拉伸服役状态下的大变形力学响应至关重要。尽管现有的伺服试验机和落锤设备可以开展中应变率加载，但在应力采集精度、应变率控制和可控应变技术方面仍存在诸多瓶颈。霍普金森杆现已成为材料动态力学性能测试最为广泛的技术设备之一，因其在动态加载方面的独特优势，成为解决材料中应变率大应变加载这一难题的潜在方案。然而，如何实现几十甚至几百毫秒的持续稳定应力波加载及其信号采集，仍是亟需攻克的关键问题。
针对以上难点，西北工业大学李玉龙教授团队聚焦两项关键技术：百毫秒量级内的中应变率加载和低至亚兆帕量级的超长应力波信号采集，进行了深入研究，并取得了重要突破。他们通过创新设计，成功研发了一套适用于软材料中应变率大应变拉伸加载的霍普金森拉杆系统。相关研究成果以A novel Hopkinson tension bar system for testing polymers under intermediate strain rate and large deformation为题，发表在冲击动力学领域的国际权威期刊International Journal of Impact Engineering上。
首先对传统霍普金森拉杆的入射波发生结构进行改进，选用等长度、等波阻抗撞击管-入射杆构型，在入射杆上产生入射应力波。在入射杆-试样连接界面反射形成的反射波和入射波波尾衔接，形成无间隔循环应力波，从而在中应变率加载尺度对试样开展几乎无限时的超长应力波加载。这种设计保证了加载的平稳性和重复性，为中高应变率加载创造了理想条件。通过选用高阻抗的入射杆，提升其与试样的波阻抗比，实现了应力波在入射杆-试样界面近似全反射。该方案确保加载波在循环加载过程中几乎无衰减，实现应力波的稳定持续加载。应力波在杆中传播示意图如图1所示，撞击管-入射杆构型设计如图2所示。
图1. 弹性杆同轴冲击时应力波传播示意图
图2 传统的(a)和改进的(b) SHTB撞击管构型
其次，基于一维应力波理论推导并证明了长脉宽应力波信号可由有限长短杆高精度记录和采集，采用一端固支的一维弹性短杆实现数百毫秒应力波信号的采集，如图3所示。
图3 长应力脉冲在一端固定短杆内的传播示意图
结合有限元仿真与高速摄影技术，对新型霍普金森拉杆系统的有效性和精度进行了分析验证，设备易操作、结果稳定可靠，并可拓展用于多种工程材料的中应变率大应变测试。通过增加吸收杆可实现加载过程中应力波脉宽截断控制，进而达到中应变率可控大应变的新的更高技术要求。系统示意图如图4、实物图如图5所示。
图4 可实现中高应变率加载的改进型霍普金森拉杆示意图
图5 改进后的霍普金森拉杆系统
最后，利用改进的SHTB装置证明了某弹性体的应变率效应，如图6(a)所示，平均工程应变速率为80 /s，曲线的良好重复结果实验证明该技术稳定的测量能力。由高速摄像机拍摄的一系列变形图像如图6(b)所示，这表明试样经历了均匀的单轴拉伸变形。系统可以实现高达150毫秒的应力波持续加载、并产生高达1200%的工程应变，测试精度在兆帕量级。这为聚合物、弹性体以及生物组织材料在中高应变率下的超大变形力学响应测试、本构关系开发以及损伤演化研究提供实验技术支持。
图6 (a)某橡胶材料0.05 /s和80 /s时应力-应变曲线及其(b)中应变率大应变拉伸过程.
该论文的第一作者为西北工业大学民航学院在读博士生殷建平，西北工业大学航空学院苗应刚副教授为论文的通讯作者。西北工业大学民航学院李玉龙教授，西北工业大学航空学院汤忠斌副教授，湖北大学材料科学与工程学院刘杰副教授等给予了重要指导。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、陕西省重点研发计划项目和中国航空学会航空科学基金的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2024.105197
审核：力学家
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