在航空、航天、汽車、運(yùn)輸、包裝及其它軍事和民用領(lǐng)域中，工程材料可能會(huì)遇到像高速碰撞、爆炸這樣的沖擊加載情況，了解材料在沖擊加載下的力學(xué)響應(yīng)，有助于各類材料的工程應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)。

    對(duì)于材料來說，其在動(dòng)載下的力學(xué)性能和在靜載下的力學(xué)性能是不同的。與準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)相比，進(jìn)行高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，依然是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。霍普金森拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)于有效并精確地獲取材料的應(yīng)變率相關(guān)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，是非常好的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)方式。

    材料測(cè)量實(shí)驗(yàn)需求

    大家都知道，常規(guī)靜態(tài)拉伸，研究的是處于靜力平衡狀態(tài)下的材料，以忽略材料的慣性作用為前提。爆炸/沖擊載荷以載荷作用的短歷時(shí)為其特征，在這種條件下，材料處于隨時(shí)間迅速變化著的動(dòng)態(tài)過程。

    霍普金森桿拉伸實(shí)驗(yàn)，可測(cè)得材料在高應(yīng)變率（102-104/s）下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。強(qiáng)沖擊載荷所具有的在短暫時(shí)間尺度上發(fā)生載荷顯著變化，同時(shí)也意味著高加載率或高應(yīng)變率，所測(cè)得的可變形材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，是研究該材料試件動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的重點(diǎn)。

    為獲得某種新型材料在動(dòng)載下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，專注于材料開發(fā)及工程力學(xué)應(yīng)用研究的某研究所，利用霍普金森桿拉伸實(shí)驗(yàn)，借助新拓三維的XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)和測(cè)量分析軟件，對(duì)材料試件進(jìn)行高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

    圖：該研究所材料樣件

    關(guān)于霍普金森桿實(shí)驗(yàn)

    該研究采用霍普金森桿裝置，用于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試，應(yīng)變率范圍102-104s-1?；驹頌椋寒?dāng)槍膛中的打擊桿（子彈）以一定速度彈入輸入桿時(shí)，在輸入桿中產(chǎn)生一個(gè)入射脈沖，應(yīng)力波通過彈性輸入桿到達(dá)試件，試件在應(yīng)力脈沖作用下產(chǎn)生高速變形。

    應(yīng)力波通過試件同時(shí)產(chǎn)生反射脈沖，進(jìn)入彈性輸入桿和投射脈沖進(jìn)入輸出桿。測(cè)速器可以獲得子彈的打擊速度，粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片，記錄應(yīng)變脈沖計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變參數(shù)。

    圖：實(shí)驗(yàn)原理圖

    檢測(cè)方案

    針對(duì)該研究所的實(shí)驗(yàn)測(cè)量需求，新拓三維技術(shù)工程師采用兩個(gè)高速相機(jī)（百萬像素、16000幀），實(shí)驗(yàn)時(shí)分辨率調(diào)為768X96、采集頻率100000幀，鏡頭選24-70mm。

    在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，打擊桿（子彈）沖擊時(shí)，兩個(gè)高速相機(jī)同步捕捉試件變形的序列二維圖片，通過立體匹配、三維重建，獲取試件表面變形過程中的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

    圖：霍普金森桿拉伸實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

    檢測(cè)流程

    試件制備，將試件放置在合適位置，調(diào)節(jié)相機(jī)、鏡頭相關(guān)參數(shù)。

    圖：調(diào)節(jié)焦距

    滿幅面下（1280X800），128x96標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，偏差0.02。相機(jī)分辨率改為768X96，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

    圖：相機(jī)標(biāo)定

    實(shí)驗(yàn)完成后，采用后觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，然后XTDIC系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

    數(shù)據(jù)要求：

    １、在被測(cè)材料試件中，左、中、右選三個(gè)點(diǎn)，繪制真實(shí)、工程主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線，并計(jì)算應(yīng)變率。

    2、沿一條直線上的主應(yīng)變、次應(yīng)變曲線。

    3、剪切位移、應(yīng)變?cè)茍D。

    該材料最大應(yīng)變能達(dá)到60%左右，最大應(yīng)變率能達(dá)到1800s-1左右，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)時(shí)子彈速度由氣罐壓力控制，所以子彈速度難免存在初始誤差。由此，在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)施加不同氣壓，有時(shí)一次能拉斷，有時(shí)幾次能拉斷，有時(shí)拉不斷。

    圖：應(yīng)變場(chǎng)與位移場(chǎng)

    圖：軸向截線上應(yīng)變分布

    實(shí)驗(yàn)總結(jié)

    數(shù)值模擬，已在工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用，而進(jìn)行數(shù)值模擬的前提，是要建立一個(gè)材料在各種應(yīng)變率下的精確應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

    利用霍普金森桿拉伸實(shí)驗(yàn)，該研究所成功采集到了材料試件在動(dòng)態(tài)拉伸過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，有助于材料的數(shù)值模擬，助力材料的工程應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)。