發(fā)布時(shí)間：2020-11-20 07:38

　　 分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)和波傳播反演分析實(shí)驗(yàn)技術(shù)是研究材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的兩種主要實(shí)驗(yàn)手段。傳統(tǒng)的分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)是基于應(yīng)變片的電測(cè)技術(shù),測(cè)試結(jié)果的可靠性強(qiáng)烈依賴于應(yīng)變片與桿之間粘貼質(zhì)量,受到人為因素的影響較大。后來(lái),人們也發(fā)展了其他測(cè)試手段,如采用石英壓電計(jì)或PVDF壓電薄膜直接測(cè)量試件的應(yīng)力。波傳播反演分析實(shí)驗(yàn)需要對(duì)力學(xué)量(應(yīng)力、應(yīng)變、粒子速度)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量,現(xiàn)仍然局限于應(yīng)力時(shí)程和應(yīng)變時(shí)程測(cè)量,這大大制約了該方法在實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中更廣泛的應(yīng)用。應(yīng)力測(cè)量和應(yīng)變測(cè)量都是屬于接觸式測(cè)量方法。近年來(lái),非接觸式光學(xué)測(cè)量方法發(fā)展迅速,例如基于數(shù)字圖像相關(guān)性分析技術(shù)的視頻引伸計(jì)已逐漸取得了傳統(tǒng)的機(jī)械式引伸計(jì),但其應(yīng)用多局限于材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域。本論文擬把先進(jìn)的非接觸式瞬態(tài)光學(xué)測(cè)量技術(shù)推廣應(yīng)用到材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試領(lǐng)域,主要開展多探頭全光纖激光干涉測(cè)速儀和基于超高速相機(jī)的數(shù)字圖像相關(guān)性全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)和波傳播反演分析實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究。論文的主要研究成果歸納如下:1)基于多普勒頻移原理的雙探頭全光纖激光干涉測(cè)速技術(shù),以粒子速度為監(jiān)測(cè)目標(biāo),借助應(yīng)力波傳播理論,換算成試件的應(yīng)變和應(yīng)力,從而建立了SHPB實(shí)驗(yàn)的非接觸光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。針對(duì)韌性和脆性兩類材料,分別提出了激光正入射和激光斜入射兩種測(cè)試技術(shù)。再以鋁合金和PZT陶瓷為例,通過(guò)與傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果以及DIC測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了兩種測(cè)試技術(shù)的有效性。與傳統(tǒng)的應(yīng)變片測(cè)試技術(shù)相比,新的激光干涉測(cè)試技術(shù)具有免標(biāo)定、抗干擾、可靠性高等諸多優(yōu)勢(shì),有助于實(shí)現(xiàn)SHPB實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化。2)基于多探頭全光纖激光干涉測(cè)速技術(shù),在分離式Hopkinson壓桿系統(tǒng)上,搭建了長(zhǎng)桿試件拉氏反分析實(shí)驗(yàn)裝置,用于研究脆性材料的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系。采用激光斜入射法監(jiān)測(cè)長(zhǎng)桿試件軸向質(zhì)點(diǎn)速度,基于一維應(yīng)力波傳播理論,建立了歐拉質(zhì)點(diǎn)速度與拉格朗日質(zhì)點(diǎn)速度之間換算關(guān)系。利用實(shí)測(cè)的多質(zhì)點(diǎn)速度時(shí)程曲線,通過(guò)構(gòu)建路徑線連接整個(gè)速度場(chǎng),再結(jié)合零初始條件,實(shí)現(xiàn)了拉氏反分析方法的數(shù)值求解,獲得了脆性材料PMMA的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并與Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。3)基于超高速相機(jī)和數(shù)字圖像相關(guān)性全場(chǎng)應(yīng)變分析方法對(duì)傳統(tǒng)的分離式Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),討論了試件的應(yīng)變分布均勻性問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:韌性的鋁合金試件的應(yīng)變均勻性較好,而脆性的陶瓷試件的應(yīng)變均勻性較差。對(duì)于變形能力較強(qiáng)的鋁合金材料而言,試件局部存在一定的應(yīng)變分布不均勻性對(duì)測(cè)定的材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響較小,從而證明了傳統(tǒng)SHPB測(cè)試方法適用于韌性金屬材料;對(duì)于變形能力較差的PZT陶瓷而言,應(yīng)變分布不均勻性較為明顯,這主要是由于端部邊界應(yīng)力集中造成的結(jié)果,需要對(duì)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正,才能得到較精確材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。4)基于超高速數(shù)字圖像相關(guān)性分析方法,以分離式Hopkinson壓桿作為加載系統(tǒng),發(fā)展了長(zhǎng)桿試件拉氏反分析實(shí)驗(yàn)技術(shù),用于研究脆性材料在小變形條件下的動(dòng)態(tài)本構(gòu)特性。通過(guò)超高速相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝沖擊加載下長(zhǎng)桿試件變形的散斑圖像,再對(duì)散斑圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)性(Digital Image Correlation,DIC)分析,獲得長(zhǎng)桿試件表面速度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。隨后,以脆性材料PMMA為例,從DIC分析得到的速度場(chǎng)中提取出不同拉格朗日位置上質(zhì)點(diǎn)速度時(shí)程曲線,構(gòu)建路徑線連接整個(gè)速度場(chǎng),再結(jié)合零初始條件,數(shù)值求解得到了試件中的應(yīng)力時(shí)程曲線,消去時(shí)間參數(shù)后,獲得了脆性材料PMMA的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并與Hopkinson壓桿實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,揭示了PMMA材料在小應(yīng)變條件下的黏彈性本構(gòu)響應(yīng)特征。
【學(xué)位單位】：寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB301
【部分圖文】：

事實(shí)上，在 SHPB 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除非常重要的物理量—速度可以測(cè)量。根據(jù)應(yīng)力便地求出應(yīng)力或應(yīng)變。近年來(lái)，激光干涉測(cè)速的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量方法的纖激光干涉測(cè)速技術(shù)，搭建 SHPB、 DIHPB 實(shí)驗(yàn)型的韌性材料鋁合金和脆性材料鐵電陶瓷為例對(duì)比分析，驗(yàn)證全光纖激光干涉測(cè)速技術(shù)在 用的有效性和可靠性。新的激光干涉測(cè)試技術(shù)減程度上有助于 Hopkinson 壓桿實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化纖激光干涉測(cè)速儀簡(jiǎn)介國(guó) Polytec 公司生產(chǎn)的雙探頭 HSV-100-V40 型全光如圖 2.1 所示。

測(cè)速儀由一個(gè)激光控制器單元(內(nèi)嵌激光干涉儀組成，兩個(gè)激光發(fā)生器分別連接激光控制器上的產(chǎn)生紅色可見激光，調(diào)節(jié)激光探頭上的旋鈕可 中左側(cè)激光控制器光強(qiáng)顯示器為滿格，此時(shí)激出有單通道式和差分式兩種類型。HSV 可以兩，另一束作為測(cè)量光實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量，也可以激參考的形式，將兩束激光均作為測(cè)量光實(shí)現(xiàn)兩，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量，激光控制器信號(hào)輸出包含了 式信號(hào)輸出；對(duì)于兩點(diǎn)測(cè)量，速度、位移信號(hào)實(shí)際應(yīng)用中，可在前面板調(diào)整相關(guān)的設(shè)置選擇。此外控制器還為用戶提供了快速傅里葉變換得的速度、位移信號(hào)由數(shù)字示波器記錄下來(lái)。壓數(shù)據(jù)，通過(guò)控制器面板顯示的速度(位移)電壓具體速度、位移換算值如圖 2.2 所示：

頻率變?yōu)閟f ：[12()/]0ffutcs= +(2.1)式中：c表示光在真空中傳播的速度。反射光再次進(jìn)入環(huán)形器后，作為信環(huán)形器 3 端口進(jìn)入 Coupler 2，信號(hào)光和參考光合束后產(chǎn)生干涉，干涉光進(jìn)器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后由高帶寬的示波器記錄。反射光和入射光的頻率差值普勒頻移df ，從公式 (2.1)可以看出，它包含了物體運(yùn)動(dòng)速度的信息，和動(dòng)速度( )u t之間存在如下具體關(guān)系：()()/2/2s0 du t= λ f f=λf(2.2)式中： λ 是激光的波長(zhǎng)。對(duì)激光干涉信息采用短時(shí)傅里葉變換方法進(jìn)行頻，即可得到對(duì)應(yīng)的多普勒頻移，利用公式(2.2)計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。光調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)速度方向的判斷。從公式(2.2)可以看出，速度時(shí)程是隱光干涉信號(hào)的頻域中，與激光光強(qiáng)變化無(wú)關(guān)，因此激光干涉測(cè)速儀的抗力較強(qiáng)。
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