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软材料的动态拉伸试验

X. Nie amp; B. Song amp; Y. Ge amp; W.W. Chen amp; T. Weerasooriya

Ne：B.Song(SEM成员)：W.W.。

陈(*，SEM成员)。

材料工程学院，

普渡大学，

西拉斐特，47907，美国。

电子邮件：wchen@purdue.edu。

十.NIE。

电子邮件：xnie@purdue.edu。

B.宋。

电子邮件：songb@purdue.edu。

宋：Y.GE：W.W.。

陈。

普渡大学航空航天学院，

西拉斐特，47907，美国。

葛永贵。

电子邮件：yge@purdue.edu。

T.Weerasooriya。

美国陆军研究实验室，

阿伯丁试验场，MD 21005，美国。

电子邮件：tus itw@arl.army.mi

收到日期：2007年10月11日/接受日期：2008年2月19日/在线发布日期：2008年4月2日

摘要：软材料动态拉伸实验的测定因实验困难成为挑战，斯普利特霍普金斯拉杆是一种用于表征工程材料高抗拉强度性能的设备，但是，当试样柔软时，设计必要的夹具具有一定挑战性，为了测量弱发射信号，并使试件达到动应力平衡，在本实验中，我们在加载脉冲，平衡监测系统和试样几何形状上对shtb进行了修改。用该装置对软橡胶进行表征的结果表明，试样在动应力平衡条件下，在几乎恒定的应变速率下发生变形。在软材料动态特性研究中常见的轴向和径向惯性效应也被最小化。

关键词：霍普金斯拉杆，冲击测试，动态平衡，惯性效应，软材料

序言：摘要低机械阻抗、低强度的非生物软材料被广泛应用于汽车、航空航天、交通运输等领域和便携式电子应用。在有效利用这些材料之前，需要了解它们的力学性能，特别是在冲击载荷条件下的力学性能。另外，由于生物组织的机械阻抗和强度较低，因此被归为一类软材料。软材料如橡胶和生物组织的力学行为通常对应变率非常敏感[1, 2]。这类材料在高速载荷下的动态响应和破坏行为与在准静态载荷下的动态响应和破坏行为有很大的不同，因此，有必要确定这类软材料在高速率下的动态行为，以便建立可靠的速率相关的材料模型，用于工程部件或人体保护系统在高速载荷下的优化设计。

近年来，软材料的动态压缩性能得到了广泛的研究[1–3]. 高速率拉伸行为是理解这些软材料动态响应的另一个重要方面。然而，实验方面的挑战限制了精确测定所需动态拉伸性能的进展。

斯普利特霍普金斯压杆（SHPB）是由kolsky[4]开发的一种新型压杆，被广泛用于研究延性金属压缩流动行为的速率依赖性。通常在到应变速率范围内 [4]，该方法已推广到用于动态拉伸表征的斯普利特霍普金斯拉杆(SHTB)[5-7]。SHTB技术是针对常见的工程材料，如金属[8，9]，聚合物[10，11]和复合材料[12，13]而发展起来的。在理想的霍普金斯杆实验中，试件在动平衡单轴应力状态下以几乎恒定的应变速率变形[14]。在任何从远场测量获得力学性能的实验中，试件中的应力分布几乎是均匀的是一个基本要求。当试件是由低机械阻抗和低强度的软材料(如橡胶或软组织)制成时，我们面临的重大挑战包括：检测棒材中的小信号、监测动平衡、设计试样均匀变形、试样夹持和产生可重复的低幅加载脉冲。在接下来的讨论中，我们将检查每一个挑战，然后描述我们用来克服这些问题的实验解决方案。

与大多数其他工程材料相比，软材料中的波速通常很低。由于应力是通过应力波的传播和反射而在试件中建立起来的，在动变形过程中不可能达到平衡的应力状态[15]。因此，需要更详细地检验Hopkinson杆在软试件上产生的实验数据的有效性和准确性。提出并分析了在动态压缩过程中实现软试件轴向应力平衡和恒应变率的方法。需要薄型试样[3，4，15-17]，但通常不够[3，15]。还必须修改入射脉冲，以促进软试样[3，15，18]的动应力平衡。与使用闭环控制系统来监测和维护所需测试条件的准静态试验机不同，Hopkinson杆实验中没有这样的控制系统。脉冲成形是将试样置于理想的试验条件下的典型方法。这些改进的Hopkinson杆技术已成功地用于测定软材料的动态压缩性能，如橡胶[1，19]、聚合物泡沫[20]、猪皮[21]和肌肉[2]。类似的措施已扩展到玻璃态聚合物的动态拉伸实验[11]。在这项研究中，脉冲成形技术被用来创造加载历史的软试件，使试件变形近似在动态应力平衡在恒定应变率。

在Hopkinson杆实验中，动应力平衡的实现是检验实验有效性的关键条件。

这通常是通过比较发射信号(1波)和入射信号与反射信号(2波)的差异来实现的[14]。由于试样很软，很难用合理的信噪比测量杆件表面应变计的透射信号。该信号用于计算试件的应力历史。由于只有一小部分入射脉冲通过样品传输到传输杆，所以很难找到入射信号和反射信号之间的差别。为了有效地检测低幅应力，进而监测动态应力平衡，在压缩试验中在软试件两侧安装了敏感力传感器[22]。

在这样的实验中，力传感器组件在入射棒一侧的惯性效应可能变得很重要.。为了纠正这些影响，提出了惯性补偿系统[23]。在本研究中，对力传感器组件的惯性效应进行了解析修正，并在实验设置部分对其进行了详细描述。应当指出的是，在测试生物组织等导电材料时，石英晶体力传感器也需要从铝棒和彼此之间进行电隔离，这一点也将在后面介绍。

当试件处于软状态时，试件的几何形状成为实验设计中的一个重要因素。

为了满足动平衡要求，试样必须是薄的[3，4，15-17]。这也减少了惯性效应沿加载轴。为了使径向惯性效应最小，试样必须是空心的[24]。在动态实验中，试样材料从静止加速到所需的变形速率或速度。材料的泊松比将轴向应变加速度与径向变形耦合起来。这种惯性导致试样边缘处的径向应力为零，并向试样中心方向增加[24，25]。这种径向应力产生一个额外的轴向应力，这是由霍普金森杆实验中的传输信号记录的。虽然这种惯性诱导的附加应力振幅较低(1~2 MPa)，但由于这种附加应力对具有相同强度的软材料的力学响应的叠加作用，使得动态实验结果非常不可靠。移除试样材料的中心部分不仅使多轴加载材料最小化，而且在试样内部产生新的无应力边界，从而使径向惯性效应最小[24]。由于棒端石英晶体力传感器的存在，使得有必要对软试件的夹紧方法进行改进。考虑到短量规长试件达到动态平衡的需要，考虑到惯性最小化的空心几何和张力加载，我们开发了一种新型的管状试件和连接/夹紧方法。

当试样较软时，在较低的应变率下进行试验时，加载幅度必须较小。

这通常是实现与低冲击速度的前锋和使用适当的脉冲整形。当冲击速度很低时，在产生低振幅入射脉冲的过程中，由于管杆摩擦的相对作用以及冲头和入射杆的不均匀冲击变得更加显著，实验的一致性成为一个问题。在本研究中，我们采用动量转移棒来吸收大部分冲头冲击能量，留下一小部分冲击能量来产生入射脉冲。此外，阻抗降低在接缝在入射杆之间的钢和铝部分(图)。1)进一步限制加载脉冲在试件上的振幅。这些修改允许更高的冲头撞击速度，从而保证了实验的可重复性。

实验装置：

在本研究中使用的分离式Hopkinson张力棒的原理图如图Fig1所示。

它由动量转移杆、复合入射杆、管状冲头和传动杆组成。直径25.4mm的钢动量导流棒(如图所示)。(2)长度为2，692毫米。2286 mm长的钢筋截面直径为19.0mm，1830 mm铝型材的直径为12.7mm。12.7mm铝传动杆长1830 mm.。钢管前锋，骑在入射杆的钢部分上，具有与钢入射杆相同的截面面积，长度为53毫米。在一次试验中，动量导流杆与入射杆末端的法兰对接。管状冲头由气枪驱动，朝向入射杆的法兰端，撞击法兰。在冲击时，动量导流杆由于其较大的横截面积，吸收了大部分的冲击能量。在图Fig2中所示的原理图上使用理想的一维弹性波力学。入射杆sigma;i中的应力，由初始速度行波的冲击引起的,是：

sigma;= (1)

其中rho;和c分别是钢的质量密度和弹性杆波速，V0是管状前锋的冲击速度，AI和AM分别是前锋的横截面面积，分别与入射钢筋的截面和动量导流杆的截面积相同。按上述尺寸，当使用动量导流杆时，在没有动量导流杆的情况下，入射杆的应力约为应力水平的53%。当入射拉伸脉冲进一步传播到入射杆的钢/铝接头时，一维弹性波理论估计入射杆的铝截面sigma;a的应力为[26]:

(2)

其中是铝型材的横截面面积。R=是入射杆的钢和铝之间的机械阻抗比。

实验装置如图所示。

1，sigma;a约为sigma;i的60%。

因此，在动量导流杆和钢/铝连接处，入射应力的幅值仅为传统分离式Hopkinson拉杆产生的应力幅值的32%左右。这使得更高的打击速度能够产生相对较低但可重复的入射应力脉冲，这是软材料测试所需要的。还注意到复合入射杆保留了产生软试件加载脉冲的钢对钢冲击机制。与铝铝触头相比，钢的冲击机理具有更好的重复性。而且持续的时间更长。

Fig. 1 改良SHTB用于软组织动态表征的示意图：

为了验证新型SHTB对软材料的性能，我们对一种作为模型材料的乙丙橡胶(EPDM)进行了实验研究。为了便于参考，用MTS试验机测定了橡胶的准静态拉伸响应，其结果与动态应力-应变曲线一起显示在图中Fig9.。在动态实验中，试件安装在直径为12.7 mm的铝入射棒和传动杆之间.。在SHTB试验中，试件夹持/夹紧方法对使试样发生近乎均匀的变形和获得有效的实验数据起着至关重要的作用。试件和棒端之间的任何滑动都使拉伸试验中的结果无效。将试样两端粘合在棒材表面可以防止试样滑移。然而，试件的表面受轴向约束，在轴向加载过程中不能自由运动。特别是当需要较薄的试件达到动应力平衡时，几乎整个试件的应力都处于三轴应力状态，从而违反了实验所需的单轴应力条件。这就需要对实验数据作更多的分析修正，从而使问题更加复杂，并增加更多的不确定因素[27、28]。此外，单用固体试件还会增加径向惯性的附加影响，这在软材料的动态测试中具有重要意义。为了使软材料在高速试验中的径向惯性最小，推荐采用空心试件几何形状[24]。虽然这种空心圆盘试件设计在压缩实验中是有效的，但由于所产生的显著的三维应力状态，当试件的两侧粘贴到棒端时，这种设计是无效的。

为了克服上述困难，在本研究中，我们在铝棒的两端包裹了一个软薄板试样，形成一个管状几何形状，如图所示Fig3.。管的内表面粘在棒端的圆柱形表面上。

如图Fig3.所示，试样的外表面被夹紧。夹紧件的内表面和棒材表面均附着有粗糙表面的薄金属衬里，使试样在拉伸过程中的剪切变形最小化。这种设计不仅使三维应力状态最小化，而且使径向惯性效应最小化，并可容纳用于软性材料测试所需的石英晶体，这些石英晶体位于棒端附近。

图4比较了固体、空心和包裹试样在相同应变率(1000)s-1下的应力-应变曲线。

实心和空心试件的末端粘在棒端，而包裹试样则遵循图Fig3中所示的设计。

图4表明，在应变为10%时，包裹管状试样的应力分别比实心试样和空心试样降低85%和80%。三维应力状态和径向惯性都与固体试样应力测量中的力学响应相混合。当采用空心试件减小径向惯性时，由于胶接端的三维应力状态，应力降低，但仍高于包裹试样。包裹管状试件设计使三维应力状态和径向惯性效应最小化，使测量应力显著降低，接近软材料的真实力学响应。用Cordin 550数字高速摄影机也验证了这种包裹管状试件设计的有效性。棒/试件和试件/夹板表面没有滑移。管状试件的壁厚也没有明显的剪切变形。因此，缠绕管试件的应力应变响应最接近于材料的固有力学响应。由于实心粘合试样的误差大于图Fig4中的空心试样误差。这也说明三维应力状态效应比径向惯性效应更显着。

在试样上引入夹子(图。(3)由于这些夹紧装置可能影响一维波在杆件中的传播，使得入射杆中的反射信号以及由此导出的应变率和应变不能准确地表示试件的变形。为了解决这个问题，我们在测试杆的测试端用三个不同的夹子进行了实验，它们是：一个重45.19g的黄铜分裂环吊架，一个重8.07g的不锈钢软管夹子，以及一个重1.33g的塑料软管夹子。图5显示了入射脉冲和来自测试端的三个反射脉冲和不同的夹子。如果没有钳位，反射脉冲将几乎与入射脉冲重叠。

与大黄铜夹相关的反射脉冲明显受到夹紧的影响。

然而，当使用轻型塑料夹钳时，其对反射信号的影响可以忽略不计，如图Fig5所示结果需要注意的是，在脉冲整形实验中，钳位效应甚至更小。在本文所报道的实验中，只使用了塑料夹钳。

包裹的管状试样的长度为1.0mm，这是达到轴向应力平衡所必需的[15]。为了使试样具有一致的量规长度，在试件被包裹并夹紧在量规截面之前，在入射和传输杆两端夹了一个非导电的1.0毫米厚的间隔。研究发现，仅使用薄型试样并不能促进动应力平衡。加载脉冲也应与脉冲整形[29，30]。在这项研究中，我们放置4平方铜按钮，4毫米的边缘长度和0.06毫米厚，同样间隔周围打击一侧的法兰作为脉冲整形器。

采用石英晶体力传感器直接检测试件中的动态应力平衡。高灵敏度的X切圆压电石英晶体力传感器(BostonPiezo-Optics Inc.)直径相同(12.7mm)，机械阻抗接近铝棒。因此，石英晶体的引入对棒材中的一维波传播产生最小的干扰，同时产生高信号-调压比的力信号[22]。每个石英晶体被夹在两个用导电环氧粘结的薄铝圆盘之间。每个夹芯单元由不导电的环氧树脂粘合到铝棒的两端，以便它们与铝棒电绝缘。将测力装置与其他杆件绝缘起来，不仅可以将电气噪音降到最低，而且还可以防止软生物组织等导电试样

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