目前工程材料的工作環(huán)境往往涉及到爆炸、高速沖擊、切削、高溫、高應變率等極端條件，此時材料的動態(tài)力學性能是人們非常關心的一個重要問題。這類載荷作用時間一般較短(微秒乃至納秒)、沖擊強度高,足以引起大變形乃至破壞，所以研究材料在沖擊載荷作用下的力學性能具有重要的工程意義。
一般情況下材料的準靜態(tài)的應變率在10-5~10-2 s-1之間，其動態(tài)沖擊的高應變率往往在102 ~104 s-1之間，甚至會達到106 s-1(應變率即應變變化的速率，指單位時間產生的應變)。一般材料在準靜態(tài)和沖擊載荷下的力學性能存在著較大的差異，即應變率相關性，隨著應變率的增加，慣性效應與研究對象的物理性能（應變率效應）分離開來。下表為各種加載方式所能滿足的加載應變率范圍以及對應力波的影響。
目前，在高應變率沖擊測試中，人們普遍使用的是Hopkinson(霍普金森)桿，霍普金森裝置，英文簡稱 SHP(T)B，應變率范圍 102～104。
SHPB實驗裝置圖
SHPB 實驗的基本原理建立在二個基本假定的基礎上，即一維假定(又稱平面假定)和應力均勻假定。一維假定認為應力波在細長桿的傳播過程中，彈性桿中的每個橫截面始終保持為平面狀態(tài)；應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等。由此可利用一維應力式中 C0、A、E、A0、L 分別為彈性桿的波速、橫截面積、彈性模量、試件的橫截面積及原始長度．由此得到試件的動態(tài)應力、應變、應變率隨時間變化趨勢，進而在時間尺度上得出三者之間的對應關系。
SHPB實驗原理圖
自1949年世以來，SHPB經過幾十年的發(fā)展，已經成為動態(tài)力學測量的主要設備，它具有結構簡單、操作方便、測量方法精巧、加載波形易控制等優(yōu)點，其所測量的應變率范圍也是人們所關心的一般工程材料應變率敏感性變化比較劇烈的范圍。但是過去的Hopkinson 技術主要應用在金屬及其合金材料上，這類材料拉壓特性基本對稱而且塑性變形能力較大，而復合材料由于其結構的多變性，其阻抗、延展性等與金屬相差較大，故此裝置仍需要不斷的發(fā)展。
動態(tài)壓縮試驗
一般認為復合材料是粘彈性材料，為了保證加載時材料內應力均勻性，可以在輸入桿的頭端粘貼銅片作為波形整形器，波形整形器的作用是延長入射波的上升沿，增加試樣有效的加載時間，保證試樣中的軸向應力均勻。一般來說，當試樣兩端面的軸向應力差小于5％時，就可以認為試樣中的軸向應力已達到均勻。
典型的沖擊壓縮應力脈沖信號
動態(tài)拉伸試驗
與動態(tài)壓縮試驗相比較，動態(tài)拉伸試驗比較復雜，需要對壓桿進行改裝。目前主要采用的是反射式SHPB裝置，通過應變片記錄反射波、入射波、透射波，從而得到其應力-應變曲線。
普金森拉桿原理圖
動態(tài)剪切試驗
復合材料的動態(tài)剪切試驗一般是通過對試樣的合理設計，利用霍普金森桿壓桿實現(xiàn)剪切變形，這種裝置與壓桿裝置相似，通過壓縮間接地實現(xiàn)對復合材料的剪切變形，得到復合材料的剪切應變率、應力-應變關系。
用于動態(tài)剪切測試的霍普金森桿
總結
利用霍普金森桿裝置可對各種復合材料的動態(tài)壓縮、拉伸、剪切等性能作全面詳細的測試，依據(jù)測試結果分析復合材料的應變率行為。從下圖可以明顯的看出玻纖／環(huán)氧復合材料隨著應變率的提高，其破壞強度也逐漸提高，這表明它是一種應變率敏感材料。
玻纖／環(huán)氧復合材料的動態(tài)壓縮曲線
霍普金森桿設備能力介紹
應變速率：>100/s(由試件尺寸和材料決定)
發(fā)射速度：3-40m/s
采集頻率：~10MHz
驅動裝置：空氣壓縮機0.1-4Mpa
測試溫度：-70～800℃
試件尺寸：d10*5mm
炮筒長度：2000mm
應變測量：應力波計算或高速相機
執(zhí)行標準： GJB 8374-2015 金屬材料動態(tài)拉伸試驗方法、 GB/T 34108-2017 高應變速率室溫壓縮試驗方法、 GB/T 7314-2017 金屬材料 室溫壓縮試驗方法
京公網安備11010802046783號
