基于应力波加载的紧凑拉伸试样平面应变动态断裂韧性实验研究

In order to research on the plane strain dynamic fracture toughness experiment technology of compact tension (CT) specimen which loaded by the Hopkinson tension bar,there are four key issues should be studied:(1) the dynamic fracture toughness test device design which base on the Hopkinson tension bar and stres wave shaping technology; (2) the propagating character of stress wave on the non-uniform section;(3) dynamic stress balance of CT specimen; (4) the dynamic fracture behavior resrarch of digital image correlation (DIC) technology on the CT specimen.In order to satisfy the CT specimen stress equilibrium condition, the improved waveform shaper is adopted to optimize the stress wave pulse of the Hopkinson bar, and with the DIC technology to establish the CT specimen plane strain dynamic fracture toughness experiment method unde tensile stress wave loading.This study can not only solve the dynamic mechanical analysis of CT specimen under tension stress wave loading;dynamic loading balance of CT specimen;stress wave propagation on non-uniform section, but also reveal the infulence of tensile stress wave pulse after stres wave shaping technology on the CT specimen dynamic stress distribution , stress wave propagation and fracture parameters. This study will possess important theoretical significance and engineering application significance on characterization and testing technology of CT specimen plane strain dynamic fracture toughness.

针对霍普金森拉杆加载的紧凑拉伸试样平面应变动态断裂韧性测试技术，拟做以下研究：（1）基于霍普金森拉杆的动态断裂韧性测试装置设计与应力波形整形；（2）应力波通过不均匀区域的传播特性；（3）紧凑拉伸试样动应力平衡问题；（4）数字图像相关技术研究紧凑拉伸试样的动态断裂行为等，解决冲击拉伸动态断裂实验中亟待研究的几个关键问题。通过改进波形整形器的方法优化杆中应力波加载脉冲，满足试样应力平衡条件，并结合数字图像相关技术，建立拉伸应力波加载下紧凑拉伸试样平面应变动态断裂韧性测试方法。本研究不仅可以解决拉伸应力波加载下紧凑拉伸试样的动力学分析、试样动载荷平衡、应力波在不均匀部分的传播行为等问题，还可揭示整形后的拉伸应力波脉冲对试样动应力分布、应力波的传播及断裂参数的影响，本研究将对紧凑拉伸试样平面应变动态断裂韧性的表征与测试技术具有重要的理论意义和工程应用价值。

材料动态断裂韧性是材料固有属性参数，已经逐步成为工程设计以及结构安全性分析的重要依据，该方面研究是断裂动力学的前沿课题之一。本项目基于分离式霍普金森拉杆， 建立了拉伸应力波加载的紧凑拉伸试样平面应变动态断裂韧性测试方法。以率无关材料2A12-T4铝合金为基础，探索与改进分离式Hopkinson实验装置。针对不同尺寸紧凑拉伸试样，设计了紧凑拉伸试样断裂测试夹具进行加载。项目讨论了夹具变截面、销钉、连接套管及波形整形器对试件动应力平衡的影响，结果表明，变截面部分会使反射波产生突变的尖点，通过合理夹具、截面设计及应力波整形，可以减小甚至消除尖点的影响，使试件满足动应力平衡。销钉尺寸必须和试件紧密配合，否则会发生震荡。连接套管在长度为入射杆直径的三倍且横截面积与入射杆一致时几乎不会改变波形，且有一定滤波作用。针对SHTB进行波形整形研究，获得了波形整形器对应力波的影响规律，短杆直径越大，幅值越高，波长越短，震荡越明显。选用PVC软塑料和纸进行波形整形结果表明，两种材料能很好地抑制几何弥散，延缓波形上升速度，对幅值影响较小。针对SHPB的入射杆进行波形整形研究，发现入射杆横截面震荡最明显的位置来源于杆的中心位置，所以选取不同开孔形状的圆杆进行撞击。结果表明，开圆柱孔时，孔深度增加，入射波上升时间增加，持续时间减小；开圆锥孔时，发现圆锥角度越小，入射波几何弥散效应抑制效果越好，且圆锥直径带来的影响大于圆锥角度；圆孔与方槽结合，同样可以抑制几何弥散，且孔深越大，效果越好。.应用前面的动态加载研究成果，对2A12-T4铝合金、Q345钢和40Cr钢进行静动态断裂韧性测试。结果表明，动态断裂韧性小于准静态断裂韧性；裂纹长度越长，断裂韧性值越小；同时建立了数字图像相关技术测试紧凑拉伸试样动态断裂韧性测试系统。应用数字散斑技术对2A12-T4铝合金进行动态断裂韧性测试，得到了裂纹尖端应变场，并推导得出基于数字图像相关法的J积分计算公式，通过实验对比研究，论证了该方法的有效性。