遞進(jìn)式凸輪加載的中等應(yīng)變率實驗技術(shù)*

苗春賀，徐松林,2，馬 昊，袁良柱，陸建華，王鵬飛

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計重點(diǎn)實驗室，安徽 合肥 230026；2.中國地震局地震預(yù)測研究所高壓物理與地震科技聯(lián)合實驗室，北京 100036）

應(yīng)變率是表征材料動力學(xué)性能的重要參數(shù)之一，目前研究大多位于低應(yīng)變率范圍和高應(yīng)變率范圍。低應(yīng)變率（10-5～10-2s-1）下材料的壓縮/拉伸力學(xué)性能的研究通常采用萬能試驗機(jī)來實現(xiàn)[1-2]；高應(yīng)變率（102～104s-1）下材料動態(tài)性能的研究通常采用落錘、霍普金森桿來完成[3-5]。然而，中等應(yīng)變率下，即10-2～102s-1區(qū)間，材料相關(guān)實驗研究難以開展。其原因在于：(1)此應(yīng)變率區(qū)間超出了準(zhǔn)靜態(tài)實驗系統(tǒng)的響應(yīng)速度。Huh 等[6]采用具有不同固有頻率的伺服液壓試樣夾進(jìn)行中應(yīng)變率拉伸實驗，拉伸實驗曲線的振蕩受試樣夾的響應(yīng)頻率影響較大。當(dāng)試樣夾響應(yīng)頻率為2 500 和4 800 Hz 時，測試載荷振蕩厲害；當(dāng)固有頻率達(dá)到13 000 Hz 時，伺服液壓系統(tǒng)可以測試得到較穩(wěn)定的載荷數(shù)據(jù)，但是更高速度的沖擊仍然是一個挑戰(zhàn)。(2) 此應(yīng)變率區(qū)間需要產(chǎn)生比高應(yīng)變率下大得多的變形，需要較長的加載時間，這對霍普金森桿實驗系統(tǒng)也是一個挑戰(zhàn)。然而，中等應(yīng)變率范圍是材料的力學(xué)行為從高應(yīng)變率下的波動效應(yīng)向低應(yīng)變率下的準(zhǔn)平衡狀態(tài)過渡的關(guān)鍵區(qū)域，相關(guān)研究具有重要的科學(xué)意義。

高應(yīng)變率下材料的動態(tài)行為反映的是在波動效應(yīng)作用下材料的局部響應(yīng)，而低應(yīng)變率（應(yīng)變率10-5～10-3s-1）下材料的力學(xué)行為反映的是準(zhǔn)靜態(tài)下材料或結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)平衡性能。因此，中應(yīng)變率加載過程中，材料的力學(xué)行為包含從短程的波動效應(yīng)、到長程的振動效應(yīng)、再向準(zhǔn)靜態(tài)的材料和結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)平衡作用轉(zhuǎn)化的多種作用，這一應(yīng)變率區(qū)域是多種機(jī)制轉(zhuǎn)化的過渡區(qū)域。對其進(jìn)行研究，可探討新型材料尺度轉(zhuǎn)換率等多種相關(guān)的基礎(chǔ)理論，非常值得進(jìn)行深入探索。中等應(yīng)變率的加載手段主要包括凸輪加載[7-8]、擺錘[9-10]、異形桿[11]以及伺服液壓試驗機(jī)[12-13]，這些裝置都存在一定不足。例如：實驗裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并需要特殊加工、加載時間較短（0.3～12 ms），等等。因此，開發(fā)具有較好通用性的中應(yīng)變率加載的實驗裝置顯得尤為重要。

因為紙蜂窩在沖擊防護(hù)過程中一般需要承受較大的變形和一定的加載速率，因此選擇紙蜂窩為研究對象。蜂窩材料和結(jié)構(gòu)以其較高的比強(qiáng)度和剛度、承載性能、吸能和隔音等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、高速列車、包裝、緩沖襯墊等領(lǐng)域[14-16]。金屬鋁、鋼等材質(zhì)為基體的蜂窩材料的破壞行為被廣泛研究，其應(yīng)變率效應(yīng)[17-18]、尺寸效應(yīng)[19-20]、慣性效應(yīng)[21]和相關(guān)機(jī)制得到了較充分的揭示。紙蜂窩材料與金屬蜂窩材料結(jié)構(gòu)類似，變形過程也可分為3 個階段：線性階段、應(yīng)力平臺階段、致密階段[22-23]。Wang[23]研究了多種類型紙蜂窩的動態(tài)沖擊性能，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的阻尼性能與蜂窩的密度、壁厚和壁長有關(guān)，并隨密度、壁厚和壁長的增大而增強(qiáng)。Heimbs 等[24]研究了應(yīng)變率對紙蜂窩性能的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率從10 s-1升至300 s-1時，應(yīng)力提高了30%。Shan 等[25]采用實驗和數(shù)值模擬方法，探究了不同尺寸的紙蜂窩在不同應(yīng)變率下的強(qiáng)度和沖擊失效過程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)紙蜂窩厚度大于2 mm 時，屈服強(qiáng)度具有明顯的尺寸效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)，并且結(jié)構(gòu)的失效過程主要為蜂窩壁的屈曲。范成年等[26]探索了雙層復(fù)合紙蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)雙層紙蜂窩的失效過程中包含2 個壓縮平臺，且雙層紙蜂窩的變形時間長于單層紙蜂窩，同時吸能性能優(yōu)于單層紙蜂窩。但是，這些研究主要針對高應(yīng)變率加載下材料和結(jié)構(gòu)的變形過程，對應(yīng)的變形量不是很大。

本文中，基于新近研制的一種凸輪遞進(jìn)式加載的中等應(yīng)變率實驗系統(tǒng)，對紙蜂窩進(jìn)行中等應(yīng)變率下動態(tài)加載實驗，檢驗實驗系統(tǒng)的可靠性，并探索中等應(yīng)變率下紙蜂窩的失效特征。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗原理

如圖1(b)所示，加載凸輪是半徑由r1逐漸增大到r2的偏心凸輪，其初始段在轉(zhuǎn)角θ0（例如15°）范圍內(nèi)半徑保持r1不變，以使壓縮加載初期的凸輪順利啟動。實驗時，加載桿最初與加載凸輪的半徑最小處接觸。根據(jù)相位檢測裝置的相位監(jiān)控信號，啟動加載離合器，使蓄能飛輪2 與加載凸輪的軸接合，蓄能飛輪2 將帶動加載凸輪以轉(zhuǎn)速ω2旋轉(zhuǎn)，加載凸輪通過加載桿對試件施加動態(tài)壓縮加載。在凸輪旋轉(zhuǎn)過程中，凸輪相位檢測裝置實時檢測加載凸輪轉(zhuǎn)角。當(dāng)加載凸輪即將旋轉(zhuǎn)一周時，啟動步進(jìn)電機(jī)，推動蓄能飛輪2 整體迅速跟進(jìn)，使其與加載凸輪緊密接觸，進(jìn)入下一個加載周期。如此往復(fù)，以實現(xiàn)多級遞進(jìn)式加載。同時，也可基于相位監(jiān)控信息在任意轉(zhuǎn)角θ 處斷開離合器，終止加載。圖1(b)中：θ1為凸輪倒角區(qū)域?qū)?yīng)的角度，α 為加載導(dǎo)向桿與法線n的夾角，τ 為切線方向。

圖1 遞進(jìn)式凸輪中等應(yīng)變率實驗系統(tǒng)Fig.1 A medium strain rate experimental system based on a progressive cam

1.2 測試原理

在中等應(yīng)變率實驗過程中，試樣兩側(cè)鋼桿通常會產(chǎn)生同等程度的變形，此時采用傳統(tǒng)霍普金森壓桿（split Hopkinson pressure bar, SHPB）實驗的數(shù)據(jù)采集方法已經(jīng)無法獲得試樣的變形，因此本實驗系統(tǒng)分別采用激光干涉速度測試系統(tǒng)（velocity interferometer system for any reflector, VISAR）和應(yīng)變采集系統(tǒng)來獲得壓縮過程中試樣的載荷信號和變形信號，測試原理如圖2(a)所示。實驗中，在加載桿和支撐桿上分別粘貼應(yīng)變片，測量加載過程中兩桿上的應(yīng)變波形，得到加載端應(yīng)變歷程εi和支撐端的應(yīng)變歷程εt，通過兩桿的變形分別獲取試樣兩端的應(yīng)力信號。利用激光干涉速度測試探頭測量兩桿夾持試件端面的位移ds，采用VISAR 測量試件2 個端面的運(yùn)動速度，由此進(jìn)行試件應(yīng)變的計算。結(jié)合兩桿上的應(yīng)變波形和試件兩端的速度波形，確定在某一恒定應(yīng)變率下試件的軸向應(yīng)變εs和應(yīng)力σs。實驗過程中可以通過調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變蓄能飛輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變加載速率。實驗設(shè)備如圖2(b)所示，目前實驗裝置所采用的凸輪的r1和r2分別為40 和50 mm；伺服電機(jī)和蓄能飛輪最大轉(zhuǎn)速分別為2 800 和560 r/min，對應(yīng)的平均應(yīng)變率范圍為0.5～15 s-1（厚度10 mm 紙蜂窩試樣）；同時采用更高轉(zhuǎn)速的伺服電機(jī)可以實現(xiàn)更高的應(yīng)變率。實驗系統(tǒng)中加載導(dǎo)向桿長為300 mm，加載桿長為400 mm，支撐桿長為400 mm；桿直徑均為20 mm。不同材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計出的試樣尺寸是不一致的，主要設(shè)計原則是：加載過程中，加載桿和支撐桿保持彈性。此時，試樣極限強(qiáng)度對應(yīng)的荷載應(yīng)小于加載桿和支撐桿的彈性極限，即σmaxAs＜σe,bA0，其中σmax為試樣極限強(qiáng)度，σe,b為加載桿和支撐桿的彈性極限，A0為加載桿和支撐桿的橫截面積，As為試件的橫截面積。為了保證加載過程中試樣兩端應(yīng)力平衡，試樣的長徑比d/Ls應(yīng)小于1（其中，d為試樣直徑，Ls為試樣長度）；隨加載速率的升高，試樣的長徑比適當(dāng)減小?？紤]加載過程中試樣的泊松效應(yīng)，為保證加載過程中整個試樣受壓，所設(shè)計的試樣直徑應(yīng)略小于加載桿直徑。例如，本實驗中可以采用直徑為16 mm、長度為10～15 mm 的圓柱試樣。

圖2 實驗系統(tǒng)Fig.2 The experimental system

試件軸向應(yīng)力的計算公式為：

式中：E0為加載桿和支撐桿的彈性模量，εi和εt分別為加載桿和支撐桿的應(yīng)變信號。

試件應(yīng)變率的計算，有2 種方法：(1)根據(jù)加載凸輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行估計；(2)根據(jù)試件2 個端面的運(yùn)動速度VISAR 測試結(jié)果進(jìn)行計算。第1 種方法主要用于實驗前加載凸輪的選型、實驗轉(zhuǎn)速設(shè)計和試樣厚度的設(shè)計。后者反映了實驗過程中試樣的真實應(yīng)變，用于試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的計算；同時，也可以對前者計算的應(yīng)變率進(jìn)行修正，以得到更滿足要求的實驗應(yīng)變率。由加載凸輪的轉(zhuǎn)速計算應(yīng)變率：

式中：ξ 為變形傳遞系數(shù)，與凸輪、加載桿、支撐桿的材料參數(shù)和尺寸相關(guān)，可借助VISAR 系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。此計算公式反映了凸輪轉(zhuǎn)速、凸輪尺寸變化與試樣尺寸的關(guān)系，其中，r2-r1為加載桿的最大理論行程并受凸輪尺寸控制，此時計算的應(yīng)變率與試件的應(yīng)變率有區(qū)別。

由VISAR 系統(tǒng)測試得到的速度計算應(yīng)變率：

式中：vi和vt分別為試件在加載桿和支撐桿端的速度。由此，試件軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

由式(1)、(3)可知，對強(qiáng)度較高的材料應(yīng)適當(dāng)減小試樣直徑；通過減小試樣厚度可以提高加載應(yīng)變率。

2 實 驗

2.1 紙蜂窩試樣

實驗所用的Aramid 紙蜂窩具有規(guī)則六邊形蜂窩單元的典型蜂窩芯結(jié)構(gòu)，密度為1 100 kg/m3，每個蜂窩單元的邊長l為2.75 mm，壁厚sc為0.1 mm，蜂窩單元壁角度γ 為30°。如圖3 所示，將紙蜂窩制成直徑為14.5 mm 包含7 個完整蜂窩單元的試樣，試樣的厚度為(10±0.3) mm。圖3 為紙蜂窩典型壓縮曲線，壓縮過程共包含3 個階段：彈性變形、穩(wěn)定塌陷變形以及致密階段。利用圖2 所示的中等應(yīng)變率實驗系統(tǒng)對紙蜂窩試樣進(jìn)行壓縮實驗，同時為了跟蹤試樣破壞過程，采用CCD (charge-coupled device)相機(jī)實時拍攝，拍攝時間間隔為5 ms。

圖3 紙蜂窩試樣及其典型壓縮過程Fig.3 Paper honeycomb sample and its typical compression process

2.2 實驗系統(tǒng)討論

圖4 為蓄能飛輪轉(zhuǎn)速為280 r/min 時加載桿和支撐桿上的應(yīng)變片以及VISAR 測速系統(tǒng)得到的典型信號及數(shù)據(jù)分析結(jié)果。圖中黑色和紅色曲線分別為VISAR 測速系統(tǒng)得到的試件前后表面的速度干涉圖像，橘紅色和綠色曲線分別為加載桿和支撐桿上應(yīng)變片測試得到的原始波形。由此信號計算得到的試樣兩端的載荷-時間曲線如圖5(a)所示，整個壓縮過程中試樣的兩端載荷基本平衡。

圖4 實驗原始波形Fig.4 Typical experimental original waveforms

對VISAR 信號進(jìn)行時頻分析，可以得到試件前后表面的速度-時間曲線，分別如圖5(b)中黑色和藍(lán)色曲線所示。加載端的運(yùn)動速度隨著加載過程的進(jìn)行持續(xù)升高，加載速度最高約為50 mm/s。在凸輪旋轉(zhuǎn)一周后，即加載結(jié)束時，加載端速度迅速降低。支撐端的運(yùn)動由桿件的變形和宏觀運(yùn)動構(gòu)成，支撐桿的另一端為固定端，支撐桿一般不發(fā)生較大的宏觀運(yùn)動。由于紙蜂窩試件強(qiáng)度較低，壓縮過程中支撐桿所受的載荷較小，其變形和宏觀運(yùn)動相對于加載桿均非常小，因此支撐桿端可視為不發(fā)生運(yùn)動，如圖5(b)中藍(lán)線所示。由CCD 圖像分析計算得到的加載桿端的速度變化過程和試樣應(yīng)變?nèi)鐖D5(b)散點(diǎn)所示，由此可見：VISAR 測量的速度變化過程與CCD 圖片計算結(jié)果基本一致。表明通過VISAR 測量桿端的運(yùn)動具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。由于支撐桿端測試得到的速度很低，為簡化分析過程，實際數(shù)據(jù)分析忽略支撐桿端的運(yùn)動速度，則式(3)可以簡化為 ε ˙s=vi(t)/Ls。計算得到的應(yīng)變率-時間曲線如圖5(c)所示，整個加載過程的平均應(yīng)變率 εˉ˙s約為3.5 s-1。由式(2)，系統(tǒng)的變形傳遞系數(shù)ξ 可標(biāo)定為4.7。同時，由式(4)可以計算試樣的變形，計算結(jié)果如圖5(b)中紅色曲線所示。隨著加載過程的發(fā)展，試樣變形持續(xù)增大，其數(shù)值與CCD 圖像分析計算得到的應(yīng)變基本一致，這進(jìn)一步驗證了實驗方法的可靠性和有效性。由壓縮過程中紙蜂窩試樣的載荷-時間曲線和變形-時間曲線，即可獲得試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖5(d)為在3.5 s-1的應(yīng)變率下紙蜂窩試樣的3 次實驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，準(zhǔn)彈性階段（AB）基本一致，實驗結(jié)果具有較好的重復(fù)性；坍塌階段（BC）、應(yīng)力平臺階段（CD）存在一定差異，這與試樣坍塌過程和坍塌模式有關(guān)。

圖5 實驗結(jié)果處理Fig.5 Experimental data processing

3 結(jié)果與討論

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖6 為蓄能飛輪轉(zhuǎn)速為280 r/min 時紙蜂窩試樣的單級壓縮和兩級壓縮過程中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及CCD 圖片。從圖6(a)可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為3 個階段：準(zhǔn)彈性階段（AB）、坍塌階段（BC）和應(yīng)力平臺階段（CD），該過程與紙蜂窩典型波形趨勢基本一致。在壓縮開始時，紙蜂窩處于準(zhǔn)彈性變形階段（圖片(1)～(2)），隨著變形增大，強(qiáng)度提高；隨著變形進(jìn)一步增大，紙蜂窩試樣開始出現(xiàn)外壁屈曲變形（黃色橢圓標(biāo)記）和局部面內(nèi)剪切（紅色橢圓標(biāo)記）而發(fā)生坍塌（圖片(3)），應(yīng)力迅速降低，但結(jié)構(gòu)仍具有一定的承載能力；隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，變形進(jìn)入應(yīng)力平臺階段，在這一階段，試樣的載荷基本保持不變，試樣發(fā)生連續(xù)穩(wěn)定的坍塌（圖片(4)～(6)）。此次壓縮過程的平均應(yīng)變率可以通過CCD 圖片和速度-時間曲線關(guān)系獲得，加載過程的平均應(yīng)變率約為3.5 s-1。

圖6 試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線及對應(yīng)CCD 圖片F(xiàn)ig.6 The stress-strain curve of the sample and the corresponding CCD images

圖6(b)中圖片(1)～(5)對應(yīng)第1 級壓縮過程，圖片(6)～(8)對應(yīng)第2 級壓縮過程。其中第1 級壓縮過程與單級壓縮過程基本一致，主要包括3 個階段：準(zhǔn)彈性階段（AB）、坍塌階段（BC）和應(yīng)力平臺階段（CD）。在準(zhǔn)彈性階段（AB），試樣主要發(fā)生彈性變形（圖片(1)和(2)）；在坍塌階段BC試樣產(chǎn)生面內(nèi)剪切破壞和外壁屈曲變形（圖片(3)）；在階段CD，試樣持續(xù)發(fā)生坍塌變形（圖片(4)和(5)）。在第1 級壓縮結(jié)束后，應(yīng)力會卸載至零，即階段DE。第2 級壓縮時，隨著加載進(jìn)行，應(yīng)力逐漸升高（階段EF）并進(jìn)入穩(wěn)定坍塌階段（階段FG），壓縮結(jié)束后應(yīng)力發(fā)生卸載（階段GH）。由圖6(b)中圖片(6)～(8)可以看出，兩級壓縮過程中試樣持續(xù)發(fā)生坍塌，平臺應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。整個加載過程的平均應(yīng)變率約為3.5 s-1。

3.2 與準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)壓縮實驗結(jié)果的比較

Shan 等[25]基于MTS 萬能試驗機(jī)和SHPB 實驗裝置，研究了不同厚度的紙蜂窩在準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率下的力學(xué)性能。圖7 為厚度10 mm 的紙蜂窩試樣在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在不同應(yīng)變率下，紙蜂窩試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為3 個階段：準(zhǔn)彈性階段（AB）、坍塌階段（BD）和應(yīng)力平臺階段（CD）。中等應(yīng)變率下紙蜂窩的峰值強(qiáng)度約為5.8 MPa，介于準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率之間，進(jìn)一步驗證了紙蜂窩試樣的應(yīng)變率效應(yīng)，峰值強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的升高而增大。同時，在穩(wěn)定坍塌階段的應(yīng)力平臺明顯更穩(wěn)定，應(yīng)力值也處于準(zhǔn)靜態(tài)和高應(yīng)變率實驗數(shù)據(jù)之間。對于可以產(chǎn)生大變形的紙蜂窩試樣，多級遞進(jìn)式壓縮彌補(bǔ)了單次壓縮中變形量的不足，增加試樣的變形時間和變形量，使紙蜂窩試樣可以發(fā)生持續(xù)穩(wěn)定的坍塌。

圖7 不同應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Stress-strain curves under different strain rates

峰值應(yīng)力和平臺應(yīng)力是反映材料承載能力的重要參數(shù)，紙蜂窩試樣在壓縮過程中的峰值應(yīng)力和平臺應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系如圖8 所示。由圖中散點(diǎn)分布可以看出，試樣的峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的升高而顯著增大，應(yīng)變率從10-5s-1升至0.5、3.5 和2 100 s-1時，峰值應(yīng)力分別增大了11.11%、23.42%和77.13%，中應(yīng)變率下的峰值強(qiáng)度很好地銜接了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗結(jié)果和SHPB 動態(tài)壓縮實驗結(jié)果。蜂窩結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系[25,28-29]為：

式中：σys為紙蜂窩單元壁的屈服應(yīng)力，C0和p為無量綱系數(shù)，C1為一個具有時間維度的系數(shù)。Shan 等[25]對不同厚度的紙蜂窩試樣在不同應(yīng)變率下的實驗結(jié)果峰值應(yīng)力進(jìn)行了擬合，其中10 mm 厚紙蜂窩試樣的擬合結(jié)果如圖8 中黑色實線所示，C0=7.23，C1=0.103×10-3s，p=0.28。本文中，紙蜂窩試樣在應(yīng)變率0.5 和3.5 s-1下的峰值應(yīng)力也滿足此擬合結(jié)果。

圖8 峰值應(yīng)力和平臺應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.8 Relationships of the peak stress and plateau stress with strain rate

基于式(5) 對平臺應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖8 中藍(lán)色實線所示，其中C0p=492.65，C1p=0.057 s，pp=2.44。平臺應(yīng)力整體上也呈現(xiàn)出隨應(yīng)變率的升高而增大的趨勢，但在高應(yīng)變率下平臺期應(yīng)力波動較大，平臺應(yīng)力隨應(yīng)變率的升高并非單調(diào)變化。

4 結(jié) 語

(1)研制了一種遞進(jìn)式凸輪中應(yīng)變率實驗系統(tǒng)，此系統(tǒng)應(yīng)用凸輪遞進(jìn)旋轉(zhuǎn)對試樣施加動態(tài)載荷，應(yīng)用VISAR 測試系統(tǒng)對試樣兩端的運(yùn)動速度進(jìn)行測試，由此得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。此過程中，加載速率通過凸輪的轉(zhuǎn)速來控制，試樣的較大變形通過凸輪系統(tǒng)的遞進(jìn)運(yùn)動產(chǎn)生較大位移來實現(xiàn)。結(jié)合CCD 圖像處理對該中等應(yīng)變率實驗系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了討論，結(jié)果表明此實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)多級遞進(jìn)式中應(yīng)變率加載。利用本文中研制的遞進(jìn)式凸輪中應(yīng)變率實驗系統(tǒng)，可以對高應(yīng)變率下的動態(tài)波動效應(yīng)與較低應(yīng)變率下的準(zhǔn)靜態(tài)過程之間的過渡區(qū)域進(jìn)行深入研究。

(2)對紙蜂窩試樣在應(yīng)變率3.5 s-1下的動力學(xué)性能進(jìn)行了實驗研究，得到了該試樣在中應(yīng)變率壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，以及峰值強(qiáng)度和平臺應(yīng)力的應(yīng)變率效應(yīng)，且獲得的峰值強(qiáng)度和平臺應(yīng)力可將SHPB 動態(tài)實驗數(shù)據(jù)和MTS 準(zhǔn)靜態(tài)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行較好地銜接。CCD 圖像結(jié)果表明紙蜂窩試樣在準(zhǔn)彈性變形后存在外壁屈曲和面內(nèi)剪切2 種失穩(wěn)模式，這2 種失穩(wěn)模式是導(dǎo)致紙蜂窩失穩(wěn)坍塌的主要機(jī)制。

感謝洛陽納智機(jī)電有限公司的宋曉勇高級工程師在中等應(yīng)變率設(shè)備的設(shè)計、制作和調(diào)試過程中給與的大力協(xié)助。