基于SHPB實驗對橡膠材料研究力學性能的方法

宋長江，張 偉，林振榮，丑春鶴

徐州空軍學院研管40隊（221000）

橡膠材料具有良好的彈塑性,具有很好的緩沖吸能特性,是抗動載結構中常用的材料。

橡膠屬于高聚物材料,具有高彈性、低阻抗、粘彈性等力學性能,在汽車、船舶、電子、建筑及機械工業(yè)等行業(yè)中常用作沖擊吸能和抗震材料,具有重要的社會價值和經濟價值。

1 SHPB原理與試驗技術

SHPB試驗系統(tǒng)在進行材料動態(tài)力學性能試驗時，要求波導桿(包括輸入桿與輸出桿)在試驗過程中始終保持彈性，系統(tǒng)的主要假設是一維應力假設[1]和均勻性假設。一維假設要求試件與波導桿中應力是一維的，只存在軸向應力，應力波在波導桿中的傳播滿足一維彈性應力波理論。均勻性假設要求壓桿材料是均勻的，桿在變形時橫截面保持平面，沿截面只有均布的軸向應力。

一維假定認為應力波在細長桿傳播過程中,彈性桿中的每個橫截面始終保持平面狀態(tài);應力均勻假定認為應力波在試件中反復 2～3個來回，試件中的應力處處相等[2]。由此可利用一維應力波理論確定試件材料的應變率、應變ε(t)和應力σ(t):

式中:C0為彈性波在桿中的波速；L0為試件實驗段的長度；A為桿的初始橫截面積；A0為試樣的初始橫截面積；E0為桿的初始模量。

2 橡膠彈性模量的測定

將橡膠材料制成圓柱模型,端面要求平整,與軸線垂直,并記下其厚度及直徑。兩段面涂上凡士林后夾在輸入桿和輸出桿之間進行試驗。當子彈撞擊輸入桿時，產生一梯形應變脈沖，對夾在兩桿間的試件加載，同時產生反射波和透射波。這三個應變脈沖由粘貼在壓桿上的電阻應變片感受并經超動態(tài)應變儀轉換成電信號后被微機采集、記錄下來。記錄下子彈速度。在微機按預先編制的程序對實驗中測得的應變波形數(shù)據(jù)進行處理,即可獲得所需要的實驗結果和曲線數(shù)據(jù)。通過微機用SHPB的應用軟件處理后，得到試件應力應變曲線，其開始直線段的斜率即為其彈性模量。

3 橡膠吸能系數(shù)的測定

橡膠材料在承受動態(tài)載荷作用下,隨著應變率和圍壓的增加,水泥石的非線性變形明顯增加。因此,在動態(tài)條件下,為了衡量水泥石破壞的難易程度,除采用破壞強度和彈性模量外,還采用破碎吸收能。在這里我們采用SHPB測定水泥石破碎吸收能。設水泥石試件的入射波、反射波和透射波所帶的能量分別為 wi、wr、wt,即:

式中A、C、E分別為壓桿的橫截面積、縱波波速和彈性模量;σi、σr、σt則為入射應力波、反射應力波和透射應力波。 若入射波、反射波和透射波的能量密度為wi、wr、wt,則在載荷作用周期內,試件單位體積的吸收能為WL=wi-(wr+wt),試件的應變能一般等于或小于吸收能。

目前常用來測量緩沖材料吸能特性的方法有三種:緩沖曲線法、吸能曲線法、能量吸收法,本文介紹用吸能曲線法研究橡膠材料的吸能性能,為了反映橡膠材料的吸能特性共性,研究橡膠試件的吸能特性,測試橡膠試件的吸能率[3]。如下公式:

E表示材料的吸能率,而I表示其理想吸能率。顯然,E、I值越大,則說明材料的吸能效果越好。我們用上述計算公式計算出橡膠材料試件的吸能率和理想吸能率。

4 總結

1）由于橡膠材料的動載試驗是破壞性試驗，加上材質微觀結構的相對不均勻性，因此與脆性材料的試驗比較，橡膠材料試驗曲線的離散性較大。

2）多功能SHPB材料動態(tài)性能測量裝置及相應的配套系統(tǒng),是研究和測量橡膠在高應變率下的力學性能的有效實驗技術。

3）橡膠材料的動態(tài)應力-應變曲線具有典型塑性材料應力-應變曲線的特征。

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[3]顧紅軍,張偉.高聚物復合材料動力學性能實驗研究[J].振動與沖擊,2003,22(2):90-92.