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、建筑及機械工業等行業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試驗系統在進行材料動態力學性能試驗時，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;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據進行處理,即可獲得所需要的實驗結果和曲線數據。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 橡膠吸能系數的測定

橡膠材料在承受動態載荷作用下,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材料動態性能測量裝置及相應的配套系統,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）橡膠材料的動態應力-應變曲線具有典型塑性材料應力-應變曲線的特征。

[1]薛青,沈樂天,陳淑霞,等.單脈沖加載的Hopkinson扭桿裝置[J].爆炸與沖擊,1996,16(4):289-296.

[2]劉瑞堂,姜風春,張曉欣,等.用于材料動態力學性能研究的測試裝置[J].哈爾濱工程大學學報,2001,20(1):42-45.

[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.