霍普金森試驗(yàn)下沙柳順紋動(dòng)態(tài)力學(xué)特性分析

段明澤，劉志剛，李國(guó)良，裴承慧，張少勇，冀振

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

沙柳(Salixpsammophila)作為典型沙生灌木，主要生長(zhǎng)在我國(guó)西北干旱地區(qū)，其根系十分發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)速度快，一般4～5年就能成材，且易于繁殖，是我國(guó)北方防風(fēng)固沙的首選植物之一。由于沙柳具有平茬復(fù)壯的生長(zhǎng)特性，所以需要定期對(duì)成材的沙柳進(jìn)行平茬，否則就會(huì)出現(xiàn)沙柳枯死等現(xiàn)象，而平茬后的沙柳會(huì)在第2年重新發(fā)芽，并且生長(zhǎng)旺盛[1]。平茬收獲的沙柳不僅是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)燃料，還可在加工后作為牛羊的飼料，也可作為造紙和建材的原料，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益[2]?，F(xiàn)有的割灌機(jī)在平茬過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)刀具壽命短、功率消耗大以及平茬后茬口質(zhì)量低等問(wèn)題，影響沙柳翌年的萌發(fā)率。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了利用有限元模擬仿真優(yōu)化圓鋸片的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的需求。而沙柳動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型的建立是進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)，但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多局限于通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)定木材的靜態(tài)基本物理力學(xué)性能[3-7]，而鮮見(jiàn)有關(guān)沙柳的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)定。

目前，對(duì)于木材準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的測(cè)定方法已十分成熟，而對(duì)于木材動(dòng)態(tài)力學(xué)性能則可通過(guò)霍普金森壓桿試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行測(cè)定[8-11]。其基本原理是基于彈性一維應(yīng)力波理論，根據(jù)試驗(yàn)桿中所接收到的應(yīng)力波數(shù)據(jù)求解桿件與試樣端面的應(yīng)力-位移-時(shí)間關(guān)系，從而得到試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。目前，利用霍普金森壓桿試驗(yàn)測(cè)定各種材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性已成為一個(gè)熱點(diǎn)。Vural等[12]對(duì)輕質(zhì)木材的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和霍普金森壓桿試驗(yàn)表明，木材有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，即木材在較高的應(yīng)變率條件下會(huì)使其強(qiáng)度獲得提升。竇金龍等[13]利用霍普金森壓桿試驗(yàn)對(duì)楊木的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)定，并對(duì)其破壞機(jī)制進(jìn)行了分析。許威等[14]利用霍普金森壓桿試驗(yàn)對(duì)樺木的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性行進(jìn)了研究，通過(guò)使用彈性模量較低的鋁桿作為試驗(yàn)用桿，并在透射桿上改用半導(dǎo)體應(yīng)變片，獲得了具有較高信噪比的透射波信號(hào)。馬文龍[15]通過(guò)霍普金森壓桿試驗(yàn)對(duì)樟子松的順紋、橫紋干材和濕材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)定，并分析了木材含水率對(duì)其動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力的影響。在此基礎(chǔ)上，筆者以沙柳順紋材為研究對(duì)象，對(duì)沙柳順紋浸泡材、生材和氣干材在霍普金森壓桿試驗(yàn)沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行研究，以期獲得沙柳順紋材在動(dòng)態(tài)壓縮過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特性，為建立沙柳順紋方向的動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

沙柳試樣參照GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》，于2018年1月中旬在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市采集。該地區(qū)地勢(shì)平坦，屬北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)，干旱少雨，年均降雨量為362 mm，全年日照充足，冬夏寒暑變化大，年均氣溫7.3 ℃。

試驗(yàn)選取25株5年生，平均高度為3.5 m的沙柳，每株選擇靠近根部平均直徑50 mm的沙柳枝條進(jìn)行采集，選取距離地面70～100 mm的部分制成順紋試件，共160個(gè)。由于在霍普金森壓桿試驗(yàn)中，較薄的試件具有更好的穿透性，可以減小彌散效應(yīng)[3]，而為了獲得準(zhǔn)確的沙柳動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，試件的尺寸一般至少為木材管胞孔徑的10倍以上[14]，并且由于沙柳屬于小徑級(jí)灌木，試件尺寸受到限制。綜合考慮以上因素，將沙柳試件的尺寸確定為15 mm×15 mm×15 mm。

選取表面質(zhì)量較好的120個(gè)試件并均分為3組。第1組為40個(gè)順紋生材試件，從中選取10個(gè)試件，參照GB/T 1931—2009《木材含水率測(cè)定方法》，利用DYSF-8000W型微波自動(dòng)水分測(cè)定儀測(cè)得其平均含水率為37.62%，并將其余試件在進(jìn)行霍普金森壓桿試驗(yàn)前密封保存。第2組為40個(gè)順紋浸泡材試件，將試件在干燥環(huán)境晾制7 d制成氣干材后，再將氣干材試件在室溫下用水浸泡50 min，從中選取10個(gè)試件測(cè)得其平均含水率為37.36%，接近生材的平均含水率狀態(tài)，并將其余試件在進(jìn)行試驗(yàn)前密封保存。第3組為40個(gè)順紋氣干材試件，從中選取10個(gè)試件測(cè)得其平均含水率為10.41%，接近GB/T 1928—2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》規(guī)定的氣干材平均含水率12%，并將其余試件在進(jìn)行試驗(yàn)前密封保存。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)示意圖如圖1所示。為滿(mǎn)足彈性一維應(yīng)力波理論的前提假設(shè)，并獲得較好的透射波信號(hào)，試驗(yàn)中入射桿、透射桿和撞擊桿均選用40 mm(直徑)×1 800 mm的鋁桿。在入射桿上距離試樣900 mm處使用普通應(yīng)變片測(cè)量入射波和反射波信號(hào)，在透射桿上距離試樣900 mm處使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量透射波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)室中分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖1 分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the split Hopkinson pressure bar test

圖2 分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置Fig. 2 Split Hopkinson pressure bar test device

試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，參照文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)方法，將3組沙柳順紋試件分別在平均應(yīng)變率為300，500和800 s-1的條件下重復(fù)10次試驗(yàn)，舍去波形不完整和試件內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的結(jié)果，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分析

通過(guò)霍普金森壓桿試驗(yàn)及后期的數(shù)據(jù)處理，得到了沙柳順紋浸泡材、生材和氣干材在平均應(yīng)變率為300，500和800 s-1條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，如圖3所示。

圖3 沙柳順紋材在不同平均應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig. 3 Stress-strain curves of Salix psammophila specimens along grain at different average strain rates

由圖3分析可知，沙柳順紋材有如下特性。

1)不同類(lèi)型的沙柳順紋試件的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力均隨著平均應(yīng)變率的提高而增大。因此，沙柳順紋方向?qū)?yīng)變率較為敏感，有較明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

2)沙柳順紋浸泡材在不同平均應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力低于沙柳順紋生材在對(duì)應(yīng)平均應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。分析其原因可能為，在制作沙柳浸泡材試件過(guò)程中，沙柳中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等會(huì)有不同程度的降解，而沙柳組織中的膠質(zhì)、淀粉、糖類(lèi)等可溶物質(zhì)也會(huì)有部分流失。因此，在相同的平均含水率條件下，浸泡材試件的纖維聚合度和密度低于生材試件，并且由于水分的浸潤(rùn)和濕脹作用，使浸泡材試件組織中纖維素間的摩擦力變小，從而降低了浸泡材試件的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。即使在含水率相同的情況下，沙柳順紋浸泡材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能與沙柳順紋生材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也存在較大的差異。

3)沙柳順紋生材在不同平均應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力低于沙柳順紋氣干材在對(duì)應(yīng)平均應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。根據(jù)水對(duì)木材強(qiáng)度的影響規(guī)律分析其原因?yàn)?，沙柳生材在變?yōu)闅飧刹牡倪^(guò)程中，隨著水分的解吸，沙柳組織中纖維素的空間結(jié)構(gòu)體積會(huì)隨之縮減，引起細(xì)胞壁坍塌、起皺，使細(xì)胞腔體積變小，試件密度隨之增加，導(dǎo)致試件組織中纖維素間的摩擦力增大，從而提高了氣干材試件的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力。

4)沙柳順紋材的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特性可分為3個(gè)階段：第1階段，在試件受到壓力的初始階段，材料發(fā)生微小變形來(lái)抵抗壓力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生破壞，變形是可恢復(fù)的，此時(shí)材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本成正比關(guān)系，這一階段為彈性變形階段；第2階段，在材料所受應(yīng)力達(dá)到材料相應(yīng)的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力后，材料內(nèi)部相對(duì)較弱的區(qū)域發(fā)生纖維的屈曲和褶皺，在材料內(nèi)產(chǎn)生局部壓實(shí)，形成裂紋和應(yīng)力集中，進(jìn)而引發(fā)周邊區(qū)域出現(xiàn)坍塌，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖中表現(xiàn)為曲線(xiàn)振蕩，出現(xiàn)許多局部的應(yīng)力峰值，此階段為應(yīng)力變化幅度較小但變形量卻急劇增加的塑性坍塌階段；第3階段，隨著裂紋的擴(kuò)展，材料沒(méi)有因?yàn)榧?xì)胞壁的坍塌、擠壓變得致密化，而是直接被壓潰，逐漸失去其力學(xué)性能，進(jìn)入失穩(wěn)壓潰階段。

2.2 破壞形態(tài)分析

通過(guò)霍普金森壓桿試驗(yàn)，得到了沙柳順紋浸泡材、生材和氣干材在平均應(yīng)變率為300，500和800 s-1條件下的破壞形態(tài)，如圖4所示。

圖4 沙柳順紋材在不同平均應(yīng)變率下的破壞形態(tài)Fig. 4 Failure mode of Salix psammophila specimens along grain at different average strain rates

由圖4可看出，沙柳順紋材在霍普金森動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)中，在逐漸提高的平均應(yīng)變率下，試件的破壞程度隨之逐漸增大。在300 s-1的平均應(yīng)變率條件下，由于加載氣壓比較小，子彈的發(fā)射速度較小，撞擊桿所傳遞的動(dòng)能較小，此時(shí)只有氣干材試件沿著順紋加載的方向產(chǎn)生了裂紋，而由于水分與纖維之間存在摩擦力，浸泡材和生材試件只被輕微壓扁但并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的裂紋。在500 s-1的平均應(yīng)變率條件下，由于加載的氣壓逐漸增大，發(fā)射子彈的速度逐漸增大，撞擊桿所產(chǎn)生的動(dòng)能逐漸增大，3組試件均被破壞，一些塊狀的碎屑沿著沙柳順紋方向剝落。在800 s-1的平均應(yīng)變率條件下，由于加載的氣壓繼續(xù)增大，發(fā)射子彈的速度繼續(xù)增大，使得撞擊桿所產(chǎn)生的動(dòng)能繼續(xù)增大，此時(shí)試件被壓潰成大量片狀碎屑，并且片狀碎屑上出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，這些褶皺是由于載荷沿著順紋方向加載時(shí)，木材主要通過(guò)細(xì)胞壁中微纖絲之間的滑移來(lái)耗散能量，而細(xì)胞壁中微纖絲滑移的積累最終表現(xiàn)為木材細(xì)胞壁的壁層縱向產(chǎn)生褶皺[14]。同時(shí)，由于浸泡材和生材中水分與纖維之間的摩擦力作用，使這兩組試件中的細(xì)小片狀碎屑仍黏在一起，并未出現(xiàn)氣干材試件中細(xì)小片狀碎屑散落現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過(guò)分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)獲得了沙柳順紋浸泡材、生材和氣干材在300，500和800 s-1平均應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)曲線(xiàn)和試件的破壞形態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1)沙柳順紋方向?qū)?yīng)變率較為敏感，有較明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，因此，建立沙柳的動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型，對(duì)利用有限元模擬仿真的方法解決在實(shí)際工作中遇到的受到動(dòng)態(tài)載荷影響的問(wèn)題更為可靠。

2)沙柳順紋方向在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)特性可分為彈性變形、塑性坍塌和失穩(wěn)壓潰3個(gè)階段。

3)在將沙柳生材試件制作成氣干材試件，以及將氣干材試件制作成浸泡材試件的過(guò)程中，由于水分在其中的作用是不可逆的，所以即使在同樣的含水率條件下，沙柳浸泡材并不能代替生材為建立沙柳在接近工作環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型做出參考。