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GFRP（Glass Fiber Reinforce Plastic）材料，指的是玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，俗稱“玻璃鋼”。它是以玻璃纖維及其制品（紗、帶、玻璃布、氈等）作為增強(qiáng)材料，以合成樹(shù)脂作基體的一種復(fù)合材料，根據(jù)不同的樹(shù)脂分為環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼、聚酯玻璃鋼等。玻璃鋼具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、良好介電性、成形設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，是替代金屬材料的首選材料之一。GFRP材料用途廣泛，被用于橋梁、混凝土筋材、管道材料、裝飾裝修材料、保溫隔音等方面。在這些應(yīng)用中，GFRP材料可能會(huì)受到?jīng)_擊載荷作用，在沖擊載荷下材料往往表現(xiàn)出與準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)下不同的物理特性，即材料物理性能具有應(yīng)變率相關(guān)性，材料的強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的升高而增大。

表1 GFRP與常見(jiàn)金屬材料的物理性能對(duì)比

研究材料的沖擊動(dòng)態(tài)性能常用的有落錘沖擊試驗(yàn)、泰勒沖擊試驗(yàn)、分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)（Split Hopkinson pressure bar，簡(jiǎn)稱SHPB），本文將使用SHPB技術(shù)對(duì)GFRP的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究，利用二波法對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出材料不同應(yīng)變率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和應(yīng)變率-時(shí)間曲線。

SHPB是最常用于測(cè)試材料高應(yīng)變率下物流特性的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以測(cè)試材料在應(yīng)變率為102~104s-1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。SHPB試驗(yàn)裝置組成如圖1。調(diào)節(jié)子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、阻尼器的水平度使之對(duì)中，確保應(yīng)力波一維傳遞。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體壓強(qiáng)大小控制子彈的速度，使之與入射桿對(duì)中撞擊，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生彈性入射波，入射波沿著入射桿傳播至試樣交界面處，由于試樣和透射桿的慣性效應(yīng)，試樣將被壓縮。因?yàn)樵嚇拥牟ㄗ杩贡葔簵U小，部分入射波被反射回入射桿變成入射波，部分通過(guò)試樣透射進(jìn)透射桿形成透射波。透射波經(jīng)由吸收桿并從自由端反射回來(lái)，從而使透射波中的能量最終耗散達(dá)到平衡靜止?fàn)顟B(tài)。波的傳遞借助于入射桿和透射桿粘貼的應(yīng)變片、經(jīng)由超動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀，將波形測(cè)量并記錄下來(lái)，最終由數(shù)據(jù)處理軟件處理波形等到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 SHPB裝置組成簡(jiǎn)圖

02 分析與討論

2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

常溫20℃下GFRP材料不同試樣尺寸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2~圖3，其中圖3應(yīng)變率為500/s的曲線因?yàn)闅鈮狠^小撞擊桿速度較低，導(dǎo)致試樣為發(fā)生大的變形而破壞，最終只有部分壓縮曲線。從兩圖可以看出曲線均有抖動(dòng)的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中，無(wú)法完全滿足霍普金森試驗(yàn)的理論假設(shè)—一維應(yīng)力波假設(shè)，出現(xiàn)了波彌散，使得最終曲線抖動(dòng)異常。同時(shí)抖動(dòng)幅度不是很大，可以近似假設(shè)波在桿中沒(méi)有散射。GFRP材料兩種尺寸的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線都經(jīng)歷了彈性階段、強(qiáng)化階段和最后的應(yīng)變軟化階段，因此同樣可用彈性模量、屈服強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度及最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變等參數(shù)來(lái)表征GFRP的動(dòng)態(tài)壓縮性能。

圖2 試樣φ5.6mm*5mm應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 試樣φ5.6mm*10mm應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表3是兩種尺寸試樣的不同應(yīng)變率下的壓縮強(qiáng)度對(duì)比，可以看出GFRP材料的壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而增加，說(shuō)明了常溫20℃下GFRP材料對(duì)應(yīng)變率敏感，在高應(yīng)變率下表現(xiàn)為應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。

表3不同應(yīng)變率壓縮強(qiáng)度對(duì)比

03 應(yīng)變率分析

霍普金森試驗(yàn)的另一個(gè)假設(shè)是試驗(yàn)過(guò)程中恒應(yīng)變率。從φ5.6mm*5mm和φ5.6mm*10mm兩種尺寸的應(yīng)變率曲線可以看出，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變率均為達(dá)到恒定。其中圖4試樣尺寸的長(zhǎng)徑比小于1，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變率波動(dòng)大，但平均來(lái)說(shuō)保持在一個(gè)水平上。而圖5試樣尺寸的長(zhǎng)徑比大于1，試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變率總體是下降趨勢(shì)。試驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率假設(shè)，原因是GFRP材料的阻抗小，與鋼質(zhì)桿系的彈性模量差距很大。因此，測(cè)試阻抗低的材料，需要選擇彈性模量更低的桿系，比如鋁桿或者尼龍桿。同時(shí)在選擇試樣尺寸時(shí)，首選圓柱形試樣，且試樣的長(zhǎng)徑比在0.5~1之間最佳。

圖4試樣φ5.6mm*5mm應(yīng)變率-時(shí)間曲線

圖5試樣φ5.6mm*10mm應(yīng)變率-時(shí)間曲線

觀察兩種尺寸的應(yīng)變率曲線，上升階段均很抖，而且異常沖高后才回落。應(yīng)變率上升較緩更容易實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率假設(shè)，如圖4的900/s曲線。測(cè)試低阻抗材料時(shí)，為了試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變率達(dá)到近似恒定，有文獻(xiàn)指出在撞擊桿和入射桿之間增加緩沖部件，該部件稱為“波形整形器”，如圖6。根據(jù)測(cè)試材料的不同，選擇波形整形器的材料和尺寸均有所不同，需要試驗(yàn)驗(yàn)證選擇。常用的波形整形器材料有紫銅等。

圖6波形整形器

04 結(jié)論

本文利用霍普金森試驗(yàn)技術(shù)測(cè)試GFRP材料的動(dòng)態(tài)壓縮性能。試驗(yàn)表明，GFRP材料具有應(yīng)變率敏感性和應(yīng)變強(qiáng)化效應(yīng)。高阻抗的SHPB測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試GFRP材料時(shí)阻抗差異過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率假設(shè)，最終得出的測(cè)試結(jié)果缺乏可靠性。在測(cè)試低阻抗材料時(shí)，鋼不適合作為桿系材料，需要選擇更低阻抗的材料作為波導(dǎo)桿，比如鋁材或者尼龍材料。同時(shí)可在SHPB測(cè)試系統(tǒng)中增加波形整形器部件，以確保恒應(yīng)變率假設(shè)。