分層介質(zhì)沖擊響應(yīng)的SHPB實(shí)驗(yàn)研究

分層介質(zhì)沖擊響應(yīng)的SHPB實(shí)驗(yàn)研究

王建國1，高全臣2，陸華3，梁書鋒2，黃博2，楊卓2

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明650204； 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京1000833.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏銀川750021)

摘要：借助SHPB實(shí)驗(yàn)裝置建立了用于分層介質(zhì)動(dòng)態(tài)性能研究和數(shù)據(jù)分析的實(shí)驗(yàn)方法，通過調(diào)整子彈速度進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得由C30混凝土和泡沫混凝土組成的硬-軟分層介質(zhì)在沖擊荷載下的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，硬-軟分層介質(zhì)表現(xiàn)出的塑性性質(zhì)明顯強(qiáng)于硬材料的塑性，在應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，彈性模量逐漸減小，軟材料的吸能作用很好的保護(hù)了硬材料，說明硬-軟分層介質(zhì)具有很好的抗高速?zèng)_擊和削波作用。

關(guān)鍵詞：沖擊荷載；SHPB；分層介質(zhì)；應(yīng)力波；動(dòng)力響應(yīng)

中圖分類號(hào):O345

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.030

Abstract:Using SHPB test device，a test method used in layered medium dynamic performance study and data analysis was established. By adjusting bullet speeds and testing repeatedly, the varyings of stress and strain of hard - soft layered medium composed of C30 concrete and foam concrete versus time under impact loading were measured. The test results showed that the plastic property of the hard-soft layered medium is much stronger than that of hard material; the elastic modulus of the hard-soft layered medium decreases gradually with increase in stress and strain, the energy absorption action of soft material can effectively protect hard material, so the hard-soft layered medium has a good ability of anti-high speed shock and anti-shock wave propagation.

Impact response tests of layered medium with SHPB

WANGJian-guo1,GAOQuan-chen2,LUHua3,LIANGShu-feng2,HUANGBo2,YANGZhuo2(1. College of Civil and Architectural Enigneering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650204, China;2. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China;3. School of Civil Engineering, Northern University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

Key words:impact loading; SHPB; layered medium; stress wave; dynamic response

分層介質(zhì)作為一種吸能抗爆的裝置，已經(jīng)在民用與軍用結(jié)構(gòu)中發(fā)揮著重要的作用，如安防工程的分層防爆墻坦克外殼的抗侵徹分層裝甲等[1-3]。目前分層介質(zhì)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及其沖擊波在各層介質(zhì)中的傳播已有部分實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值仿真工作。董永香等[4]在氣炮裝置上進(jìn)行多層介質(zhì)的低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)及相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算，分析了不同組成的多層介質(zhì)對(duì)應(yīng)力波傳播特性的影響并表明含泡沫混凝土的多層介質(zhì)具有較好的削波作用，隨后又借助LS-DYNA軟件對(duì)一維應(yīng)變下不同組合多層介質(zhì)中爆炸波傳播進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明多層介質(zhì)采用不同的組合方式和軟夾層材料，改變了不同介質(zhì)層中的載荷譜、動(dòng)量和能量的分布[5]。李剛等[6]對(duì)分層材料中的波傳播特性進(jìn)行深入分析，探討了防沖擊波分層材料設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。任志剛等[7]對(duì)聚氨酯泡沫材料夾層板進(jìn)行了爆炸荷載下有限元分析，并與粘鋼混凝土板及混凝土板兩種板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了聚氨酯泡沫夾層板良好的抗爆吸能性能。李秀地等[8]基于應(yīng)力波的界面效應(yīng)理論，通過實(shí)際算例，分析了爆炸荷載作用下有限厚度混凝土中應(yīng)力波的傳播規(guī)律, 進(jìn)一步揭示了巖石-混凝土-鋼板層狀結(jié)構(gòu)抗震塌破壞的局部響應(yīng)機(jī)理。余永強(qiáng)等[9]通過分析比較應(yīng)力波在同一介質(zhì)和層狀介質(zhì)中相同傳播距離的衰減狀況，表明層狀巖體的斷裂損傷是爆炸應(yīng)力波的動(dòng)作用和爆生氣體靜作用共同作用的結(jié)果。楊峰等[10]從應(yīng)力波通過節(jié)理、夾層的傳播規(guī)律以及炸藥破巖機(jī)理兩方面分析產(chǎn)生超、欠挖現(xiàn)象的原因，為水平層狀圍巖的光面爆破施工提供指導(dǎo)。高全臣[11]利用SHPB裝置對(duì)流固耦合的多孔隙紅砂巖試樣進(jìn)行了不同沖擊速率下的損傷效應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，提出了不同耦合介質(zhì)和孔隙率對(duì)多孔隙砂巖沖擊損傷效應(yīng)的影響關(guān)系。石少卿[12]通過理論研究和LS-DYNA有限元?jiǎng)恿τ?jì)算表明，鋼板-泡沫鋁-鋼板復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較好的吸能減振效果，可以運(yùn)用到地面軍事工程結(jié)構(gòu)防爆設(shè)計(jì)中。

泡沫混凝土介質(zhì)因其制備簡單、密度小、波阻抗較低，通常被作為安防結(jié)構(gòu)中的填充材料[13]，而對(duì)含泡沫混凝土的分層介質(zhì)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究尚待深入。本文將采用SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)[14-15]探究普通C30混凝土與泡沫混凝土組合的分層介質(zhì)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，分析沖擊波在分層介質(zhì)中的傳播與衰減特性。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)力波在不同界面的反、透射率由介質(zhì)和桿的波阻抗決定[16]，其關(guān)系見圖1。介質(zhì)的波阻抗越不匹配，分層介質(zhì)中的反射和透射次數(shù)越多，達(dá)到應(yīng)力平衡所需的時(shí)間越長。當(dāng)波阻抗比值等于1時(shí)，達(dá)到理論匹配點(diǎn)，即透射率等于1，反射率等于0。因此，為了使分層介質(zhì)盡快達(dá)到與周圍介質(zhì)的應(yīng)力平衡，應(yīng)使界面兩側(cè)的波阻抗相接近[17]。

圖1　反、透射系數(shù)與波阻抗比的關(guān)系 Fig.1 The relationship of reflectivity and transmissivity following the wave impedance ratio

本次SHPB實(shí)驗(yàn)裝置見圖2，在輸入桿與輸出桿之間放置分層介質(zhì)。當(dāng)試件2為軟材料時(shí)，波阻抗較小，故選用鋁質(zhì)輸出桿，以便獲得較強(qiáng)的輸出信號(hào)，即讓3界面的透射加強(qiáng)。子彈、輸入桿和輸出桿的材料參數(shù)見表 1。試件1采用波阻抗較大的C30混凝土，試件2采用波阻抗較小的450型泡沫混凝土，直徑均為75mm，厚度25mm，參數(shù)見表 2。

圖2　分層試件SHPB實(shí)驗(yàn)裝置簡圖 Fig.2 SHPB experiment device of layered medium

試件1和2接觸面的應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系通過PVDF壓力傳感器測(cè)得[18]，實(shí)驗(yàn)中兩試件及PVDF壓力傳感器布置見圖3。

表1　桿的材料參數(shù)

表2　試件的材料參數(shù)

圖3　實(shí)驗(yàn)試件布置圖 Fig.3 Experimental specimen arrangement

2分層介質(zhì)沖擊響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1應(yīng)力衰減分析

不同撞擊速度下，PVDF壓力傳感器上測(cè)得的試件1與2間的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線，見圖4；輸出桿應(yīng)變片測(cè)得的透射波應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，見圖5。

圖4　PVDF 測(cè)得的應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系 Fig.4 Changes in the relationship between stress and time measured by PVDF

圖5　透射波應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系 Fig.5 Changes in the relationship between strain and time of transmitted wave

不同沖擊速度下試件2(泡沫混凝土)左右端面的應(yīng)力峰值列于表3。由表3可知，試件2左端面的應(yīng)力峰值與入射波平臺(tái)應(yīng)力值相差較小，即應(yīng)力波通過試件1后的衰減很小，僅為5%～10%。

表3　不同沖擊速度下泡沫混凝土受力情況

圖6　試件2左右端面應(yīng)力峰值與速度的關(guān)系 Fig.6 The relationship between the peak stress of specimen 2’s two interfaces and velocity

由圖6可知，當(dāng)子彈速度增加時(shí)，試件2左端面應(yīng)力峰值增加比右端面要快，由圖6中計(jì)算斜率可得，左端面應(yīng)力隨速度增加的程度為右端面的5倍左右。說明當(dāng)試件承受的子彈沖擊力等比增加時(shí)，應(yīng)力波經(jīng)過泡沫混凝土后的應(yīng)力峰值不會(huì)等比增加，而只是較小幅度的上升，左右兩端面的應(yīng)力幅值相差很大。

圖7　試件2左右端面應(yīng)力峰值比與速度的關(guān)系 Fig.7 The relationship between the peak stress ratio of specimen 2’s two interfaces and velocity

圖7將泡沫混凝土左右端面應(yīng)力峰值的比值和速度做對(duì)比，可以看出盡管沖擊速度提高，但兩端面比值基本保持恒值，說明分層介質(zhì)具有很好的抗高速?zèng)_擊和削波作用。

2.2動(dòng)量變化分析

動(dòng)量變化分析時(shí)，將輸入桿與分層介質(zhì)作為一個(gè)整體來考慮。輸出桿的動(dòng)量Iout與子彈的初始沖量Iin的比值反映了分層介質(zhì)和單一介質(zhì)在SHPB實(shí)驗(yàn)裝置中沖量衰減變化的不同，該比值隨時(shí)間的變化曲線可以描述分層組合介質(zhì)的力學(xué)行為。輸出桿的動(dòng)量Iout根據(jù)上述分層介質(zhì)SHPB實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果中輸出桿的應(yīng)力得到，子彈初始沖量Iin由子彈的初速度得到。

圖8　撞擊后介質(zhì)動(dòng)量變化與時(shí)間關(guān)系 Fig.8 The momentum change with the time after impacting

單層介質(zhì)的材料均為C30混凝土，與試件1同時(shí)加工、養(yǎng)護(hù)，長度與組合介質(zhì)相同，都為50mm。圖8即為分層組合介質(zhì)與單層介質(zhì)在相同實(shí)驗(yàn)裝置相同沖擊速度下，輸出動(dòng)量與子彈初始動(dòng)量的比值隨時(shí)間變化的對(duì)比圖。分層介質(zhì)導(dǎo)致了很大的動(dòng)量衰減，軟材料在分層介質(zhì)中改變了整個(gè)結(jié)構(gòu)的受載情況，包括應(yīng)力波幅值與作用時(shí)間，應(yīng)力波與作用時(shí)間直接影響系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)量的分配。

2.3本構(gòu)關(guān)系分析

2.3.1分層介質(zhì)的應(yīng)力傳播計(jì)算

設(shè)輸入桿中初始入射脈沖質(zhì)點(diǎn)速度v0=10m/s，則可由通過行波法計(jì)算分層介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)速度與時(shí)間之間的關(guān)系。其中各質(zhì)點(diǎn)速度由波傳播后的過程累積得到。

圖9　反射波與透射波質(zhì)點(diǎn)的速度-時(shí)間曲線圖 Fig.9 Particle velocity and time relation curve of the reflection and transmission wave

通過輸入桿和透射桿上的應(yīng)變片測(cè)得反射波和透射波的質(zhì)點(diǎn)速度隨時(shí)間的變化曲線見圖9，試件1和試件2的中點(diǎn)、左右兩端部三個(gè)質(zhì)點(diǎn)的速度-時(shí)間計(jì)算曲線，分別見圖10、圖11。

圖10　試件1三質(zhì)點(diǎn)的速度變化趨勢(shì)圖 Fig.10 The speed change trend chart of three particle in specimen 1

圖11　試件2三質(zhì)點(diǎn)的速度變化趨勢(shì)圖 Fig.11 The speed change trend chart of three particle in specimen 2

由圖 10可知，試件1左端面、中點(diǎn)與右端面在t>0.02ms以后，三處質(zhì)點(diǎn)速度基本趨于一致。由圖 11可知，試件2左端面的質(zhì)點(diǎn)速度在逐漸下降，右端面的質(zhì)點(diǎn)速度在逐漸上升，中點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)速度因?yàn)榫€性疊加，基本保持恒定。左端面、中點(diǎn)與右端面達(dá)到均勻狀態(tài)較晚，在t>0.3ms以后，三點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)速度才達(dá)到均勻狀態(tài)。

將分層介質(zhì)作為一個(gè)整體，可以認(rèn)為復(fù)合介質(zhì)近似地符合SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的一維應(yīng)力波與均勻性假定，通過粘貼在入射桿與透射桿的應(yīng)變片測(cè)得入射波、反射波與透射波求解復(fù)合介質(zhì)的的本構(gòu)關(guān)系。

2.3.2應(yīng)變求解

根據(jù)SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，由均勻性假定[19]

εI(x1,t)+εR(x1,t)=εT(x2,t)

(1)

三波公式為

(2)

簡化為

(3)

式(1)～式(3)中，l0，C0分別為撞擊子彈的長度和波速，eI(X1,t)是入射應(yīng)變，eR(X1,t)是反射應(yīng)變，eT(X2,t)是透射應(yīng)變，e即為實(shí)驗(yàn)試件的應(yīng)變。通過式(3)可得到復(fù)合介質(zhì)的等效應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系。

2.3.3應(yīng)力求解

由前述分析可知，分層試件左端面的應(yīng)力即為試件1的應(yīng)力σPVDF(由夾在分層試件中間的PVDF壓力傳感器測(cè)得)，右端面的應(yīng)力即為輸出桿中應(yīng)力Eεt，取試件1左端面與試件2右端面應(yīng)力的平均值作為復(fù)合介質(zhì)的等效應(yīng)力，即

(4)

因此，復(fù)合介質(zhì)的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算公式為

(5)

2.3.4本構(gòu)曲線

復(fù)合介質(zhì)的等效應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見圖12。等效的本構(gòu)關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率相關(guān)性，隨著沖擊速度的增加，彈性模量與破壞應(yīng)力也相應(yīng)的增加。但其最大應(yīng)力值是兩材料分層后的等效平均值，不能真實(shí)反映動(dòng)態(tài)破壞應(yīng)力，所以得到的本構(gòu)只是近似等效本構(gòu)，實(shí)際分層試件的軟材料層達(dá)到應(yīng)力均勻性的時(shí)間要晚于硬材料層。

圖12　分層試件近似等效本構(gòu)關(guān)系 Fig.12 An approximate equivalent constitutive relation of layered medium

圖13　不同材料試件的本構(gòu)關(guān)系曲線 Fig.13 The constitutive relation of different material specimen

取相同子彈速度(這里V=2.96m/s)下復(fù)合介質(zhì)的等效本構(gòu)曲線與單一介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，見圖13。分別計(jì)算彈性階段曲線斜率，可以得到，復(fù)合介質(zhì)的動(dòng)態(tài)等效彈性模量約為13.4GPa，C30混凝土為22.29 GPa， 450泡沫混凝土為3.2 GPa。顯然，在本文的實(shí)驗(yàn)條件下，復(fù)合介質(zhì)的動(dòng)態(tài)彈性模量約為兩種復(fù)合材料單獨(dú)受沖擊荷載條件下的動(dòng)態(tài)彈性模量的平均值。

從分層試件的本構(gòu)曲線看，整體上表現(xiàn)出的塑性性質(zhì)明顯強(qiáng)于混凝土材料的塑性，在應(yīng)力、應(yīng)變?cè)黾訒r(shí)，彈模在逐漸減小，軟材料的試件2的吸能作用，很好的保護(hù)了硬材料的試件1。而單一的硬材料試件則表現(xiàn)出很大的脆性性質(zhì)，泡沫混凝土的破壞應(yīng)力很小，但破壞應(yīng)變較大，達(dá)到了4000με。因?yàn)榕菽炷恋目障堵蚀螅嚇又写嬖谥嗟奈⑿饪?，且孔壁也很薄，氣孔直徑遠(yuǎn)大于壁厚。在應(yīng)力波的沖擊作用下，氣孔發(fā)生坍塌破壞，眾多的氣孔在坍塌的過程中不僅發(fā)生了大的變形，而且吸收了大量的能量。因此，應(yīng)力波的能量相當(dāng)大的部分消耗在氣孔孔壁的塑性變形上，在宏觀上表現(xiàn)為泡沫混凝土強(qiáng)度較低，但具有較大的極限變形。泡沫混凝土用于分層結(jié)構(gòu)中時(shí)，由于吸能作用，使得應(yīng)力波峰值強(qiáng)度下降。

3分層介質(zhì)的沖擊破壞形態(tài)

通過改變SHPB裝置動(dòng)力控制部分的氣壓壓力來調(diào)節(jié)子彈的速度，使復(fù)合試件承受不同程度的破壞。實(shí)驗(yàn)有40組，其中7次的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和撞擊結(jié)果見表4，對(duì)應(yīng)的試件破壞見圖14。

圖14　不同沖擊速度下試件破壞情況 Fig.14 The destruction of the specimen under different impact speed

表4　不同沖擊速度下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

(1)硬-軟組合分層介質(zhì)應(yīng)力衰減主要取決于軟材料的性質(zhì)，軟材料改變了分層介質(zhì)的受載情況。當(dāng)應(yīng)力波通過時(shí)，波幅削減、作用時(shí)間增長，并且吸能增加。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)泡沫混凝土的厚度為25mm時(shí)，應(yīng)力衰減為原來的1/5。

(2)分層介質(zhì)達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)所需時(shí)間與分界面兩側(cè)材料波阻抗匹配程度有關(guān)，波阻抗值越接近達(dá)到平衡時(shí)間越短；

(3)近似等效本構(gòu)關(guān)系顯示，分層試件整體上表現(xiàn)出明顯的塑性性質(zhì)和應(yīng)變率相關(guān)性。硬-軟材料分層組合可構(gòu)成一個(gè)既耐沖擊又具有很高強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

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