分層介質沖擊響應的SHPB實驗研究

分層介質沖擊響應的SHPB實驗研究

王建國1，高全臣2，陸華3，梁書鋒2，黃博2，楊卓2

(1.云南農業大學建筑工程學院，昆明650204； 2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京1000833.北方民族大學土木工程學院，寧夏銀川750021)

摘要：借助SHPB實驗裝置建立了用于分層介質動態性能研究和數據分析的實驗方法，通過調整子彈速度進行反復試驗，測得由C30混凝土和泡沫混凝土組成的硬-軟分層介質在沖擊荷載下的應力、應變隨時間的變化關系。實驗結果顯示，硬-軟分層介質表現出的塑性性質明顯強于硬材料的塑性，在應力、應變增加時，彈性模量逐漸減小，軟材料的吸能作用很好的保護了硬材料，說明硬-軟分層介質具有很好的抗高速沖擊和削波作用。

關鍵詞：沖擊荷載；SHPB；分層介質；應力波；動力響應

中圖分類號:O345

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.19.030

Abstract:Using SHPB test device，a test method used in layered medium dynamic performance study and data analysis was established. By adjusting bullet speeds and testing repeatedly, the varyings of stress and strain of hard - soft layered medium composed of C30 concrete and foam concrete versus time under impact loading were measured. The test results showed that the plastic property of the hard-soft layered medium is much stronger than that of hard material; the elastic modulus of the hard-soft layered medium decreases gradually with increase in stress and strain, the energy absorption action of soft material can effectively protect hard material, so the hard-soft layered medium has a good ability of anti-high speed shock and anti-shock wave propagation.

Impact response tests of layered medium with SHPB

WANGJian-guo1,GAOQuan-chen2,LUHua3,LIANGShu-feng2,HUANGBo2,YANGZhuo2(1. College of Civil and Architectural Enigneering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650204, China;2. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China;3. School of Civil Engineering, Northern University for Nationalities, Yinchuan 750021, China)

Key words:impact loading; SHPB; layered medium; stress wave; dynamic response

分層介質作為一種吸能抗爆的裝置，已經在民用與軍用結構中發揮著重要的作用，如安防工程的分層防爆墻坦克外殼的抗侵徹分層裝甲等[1-3]。目前分層介質的動態力學性能及其沖擊波在各層介質中的傳播已有部分實驗研究與數值仿真工作。董永香等[4]在氣炮裝置上進行多層介質的低速沖擊實驗及相應的數值計算，分析了不同組成的多層介質對應力波傳播特性的影響并表明含泡沫混凝土的多層介質具有較好的削波作用，隨后又借助LS-DYNA軟件對一維應變下不同組合多層介質中爆炸波傳播進行了數值模擬，結果表明多層介質采用不同的組合方式和軟夾層材料，改變了不同介質層中的載荷譜、動量和能量的分布[5]。李剛等[6]對分層材料中的波傳播特性進行深入分析，探討了防沖擊波分層材料設計中應注意的問題。任志剛等[7]對聚氨酯泡沫材料夾層板進行了爆炸荷載下有限元分析，并與粘鋼混凝土板及混凝土板兩種板結構進行了比較，驗證了聚氨酯泡沫夾層板良好的抗爆吸能性能。李秀地等[8]基于應力波的界面效應理論，通過實際算例，分析了爆炸荷載作用下有限厚度混凝土中應力波的傳播規律, 進一步揭示了巖石-混凝土-鋼板層狀結構抗震塌破壞的局部響應機理。余永強等[9]通過分析比較應力波在同一介質和層狀介質中相同傳播距離的衰減狀況，表明層狀巖體的斷裂損傷是爆炸應力波的動作用和爆生氣體靜作用共同作用的結果。楊峰等[10]從應力波通過節理、夾層的傳播規律以及炸藥破巖機理兩方面分析產生超、欠挖現象的原因，為水平層狀圍巖的光面爆破施工提供指導。高全臣[11]利用SHPB裝置對流固耦合的多孔隙紅砂巖試樣進行了不同沖擊速率下的損傷效應對比實驗，提出了不同耦合介質和孔隙率對多孔隙砂巖沖擊損傷效應的影響關系。石少卿[12]通過理論研究和LS-DYNA有限元動力計算表明，鋼板-泡沫鋁-鋼板復合結構具有較好的吸能減振效果，可以運用到地面軍事工程結構防爆設計中。

泡沫混凝土介質因其制備簡單、密度小、波阻抗較低，通常被作為安防結構中的填充材料[13]，而對含泡沫混凝土的分層介質的動態力學特性研究尚待深入。本文將采用SHPB實驗技術[14-15]探究普通C30混凝土與泡沫混凝土組合的分層介質的動態力學性能，分析沖擊波在分層介質中的傳播與衰減特性。

1實驗設計

應力波在不同界面的反、透射率由介質和桿的波阻抗決定[16]，其關系見圖1。介質的波阻抗越不匹配，分層介質中的反射和透射次數越多，達到應力平衡所需的時間越長。當波阻抗比值等于1時，達到理論匹配點，即透射率等于1，反射率等于0。因此，為了使分層介質盡快達到與周圍介質的應力平衡，應使界面兩側的波阻抗相接近[17]。

圖1　反、透射系數與波阻抗比的關系 Fig.1 The relationship of reflectivity and transmissivity following the wave impedance ratio

本次SHPB實驗裝置見圖2，在輸入桿與輸出桿之間放置分層介質。當試件2為軟材料時，波阻抗較小，故選用鋁質輸出桿，以便獲得較強的輸出信號，即讓3界面的透射加強。子彈、輸入桿和輸出桿的材料參數見表 1。試件1采用波阻抗較大的C30混凝土，試件2采用波阻抗較小的450型泡沫混凝土，直徑均為75mm，厚度25mm，參數見表 2。

圖2　分層試件SHPB實驗裝置簡圖 Fig.2 SHPB experiment device of layered medium

試件1和2接觸面的應力應變隨時間的變化關系通過PVDF壓力傳感器測得[18]，實驗中兩試件及PVDF壓力傳感器布置見圖3。

表1　桿的材料參數

表2　試件的材料參數

圖3　實驗試件布置圖 Fig.3 Experimental specimen arrangement

2分層介質沖擊響應的實驗結果分析

2.1應力衰減分析

不同撞擊速度下，PVDF壓力傳感器上測得的試件1與2間的應力-時間關系曲線，見圖4；輸出桿應變片測得的透射波應變-時間關系曲線，見圖5。

圖4　PVDF 測得的應力隨時間的變化關系 Fig.4 Changes in the relationship between stress and time measured by PVDF

圖5　透射波應變隨時間的變化關系 Fig.5 Changes in the relationship between strain and time of transmitted wave

不同沖擊速度下試件2(泡沫混凝土)左右端面的應力峰值列于表3。由表3可知，試件2左端面的應力峰值與入射波平臺應力值相差較小，即應力波通過試件1后的衰減很小，僅為5%～10%。

表3　不同沖擊速度下泡沫混凝土受力情況

圖6　試件2左右端面應力峰值與速度的關系 Fig.6 The relationship between the peak stress of specimen 2’s two interfaces and velocity

由圖6可知，當子彈速度增加時，試件2左端面應力峰值增加比右端面要快，由圖6中計算斜率可得，左端面應力隨速度增加的程度為右端面的5倍左右。說明當試件承受的子彈沖擊力等比增加時，應力波經過泡沫混凝土后的應力峰值不會等比增加，而只是較小幅度的上升，左右兩端面的應力幅值相差很大。

圖7　試件2左右端面應力峰值比與速度的關系 Fig.7 The relationship between the peak stress ratio of specimen 2’s two interfaces and velocity

圖7將泡沫混凝土左右端面應力峰值的比值和速度做對比，可以看出盡管沖擊速度提高，但兩端面比值基本保持恒值，說明分層介質具有很好的抗高速沖擊和削波作用。

2.2動量變化分析

動量變化分析時，將輸入桿與分層介質作為一個整體來考慮。輸出桿的動量Iout與子彈的初始沖量Iin的比值反映了分層介質和單一介質在SHPB實驗裝置中沖量衰減變化的不同，該比值隨時間的變化曲線可以描述分層組合介質的力學行為。輸出桿的動量Iout根據上述分層介質SHPB實驗的數據處理結果中輸出桿的應力得到，子彈初始沖量Iin由子彈的初速度得到。

圖8　撞擊后介質動量變化與時間關系 Fig.8 The momentum change with the time after impacting

單層介質的材料均為C30混凝土，與試件1同時加工、養護，長度與組合介質相同，都為50mm。圖8即為分層組合介質與單層介質在相同實驗裝置相同沖擊速度下，輸出動量與子彈初始動量的比值隨時間變化的對比圖。分層介質導致了很大的動量衰減，軟材料在分層介質中改變了整個結構的受載情況，包括應力波幅值與作用時間，應力波與作用時間直接影響系統內動量的分配。

2.3本構關系分析

2.3.1分層介質的應力傳播計算

設輸入桿中初始入射脈沖質點速度v0=10m/s，則可由通過行波法計算分層介質各質點速度與時間之間的關系。其中各質點速度由波傳播后的過程累積得到。

圖9　反射波與透射波質點的速度-時間曲線圖 Fig.9 Particle velocity and time relation curve of the reflection and transmission wave

通過輸入桿和透射桿上的應變片測得反射波和透射波的質點速度隨時間的變化曲線見圖9，試件1和試件2的中點、左右兩端部三個質點的速度-時間計算曲線，分別見圖10、圖11。

圖10　試件1三質點的速度變化趨勢圖 Fig.10 The speed change trend chart of three particle in specimen 1

圖11　試件2三質點的速度變化趨勢圖 Fig.11 The speed change trend chart of three particle in specimen 2

由圖 10可知，試件1左端面、中點與右端面在t>0.02ms以后，三處質點速度基本趨于一致。由圖 11可知，試件2左端面的質點速度在逐漸下降，右端面的質點速度在逐漸上升，中點處的質點速度因為線性疊加，基本保持恒定。左端面、中點與右端面達到均勻狀態較晚，在t>0.3ms以后，三點的質點速度才達到均勻狀態。

將分層介質作為一個整體，可以認為復合介質近似地符合SHPB實驗技術中的一維應力波與均勻性假定，通過粘貼在入射桿與透射桿的應變片測得入射波、反射波與透射波求解復合介質的的本構關系。

2.3.2應變求解

根據SHPB實驗技術的理論基礎，由均勻性假定[19]

εI(x1,t)+εR(x1,t)=εT(x2,t)

(1)

三波公式為

(2)

簡化為

(3)

式(1)～式(3)中，l0，C0分別為撞擊子彈的長度和波速，eI(X1,t)是入射應變，eR(X1,t)是反射應變，eT(X2,t)是透射應變，e即為實驗試件的應變。通過式(3)可得到復合介質的等效應變與時間的關系。

2.3.3應力求解

由前述分析可知，分層試件左端面的應力即為試件1的應力σPVDF(由夾在分層試件中間的PVDF壓力傳感器測得)，右端面的應力即為輸出桿中應力Eεt，取試件1左端面與試件2右端面應力的平均值作為復合介質的等效應力，即

(4)

因此，復合介質的應力應變計算公式為

(5)

2.3.4本構曲線

復合介質的等效應力應變關系見圖12。等效的本構關系呈現出明顯的應變率相關性，隨著沖擊速度的增加，彈性模量與破壞應力也相應的增加。但其最大應力值是兩材料分層后的等效平均值，不能真實反映動態破壞應力，所以得到的本構只是近似等效本構，實際分層試件的軟材料層達到應力均勻性的時間要晚于硬材料層。

圖12　分層試件近似等效本構關系 Fig.12 An approximate equivalent constitutive relation of layered medium

圖13　不同材料試件的本構關系曲線 Fig.13 The constitutive relation of different material specimen

取相同子彈速度(這里V=2.96m/s)下復合介質的等效本構曲線與單一介質的本構關系進行對比，見圖13。分別計算彈性階段曲線斜率，可以得到，復合介質的動態等效彈性模量約為13.4GPa，C30混凝土為22.29 GPa， 450泡沫混凝土為3.2 GPa。顯然，在本文的實驗條件下，復合介質的動態彈性模量約為兩種復合材料單獨受沖擊荷載條件下的動態彈性模量的平均值。

從分層試件的本構曲線看，整體上表現出的塑性性質明顯強于混凝土材料的塑性，在應力、應變增加時，彈模在逐漸減小，軟材料的試件2的吸能作用，很好的保護了硬材料的試件1。而單一的硬材料試件則表現出很大的脆性性質，泡沫混凝土的破壞應力很小，但破壞應變較大，達到了4000με。因為泡沫混凝土的空隙率大，試樣中存在著更多的微小氣孔，且孔壁也很薄，氣孔直徑遠大于壁厚。在應力波的沖擊作用下，氣孔發生坍塌破壞，眾多的氣孔在坍塌的過程中不僅發生了大的變形，而且吸收了大量的能量。因此，應力波的能量相當大的部分消耗在氣孔孔壁的塑性變形上，在宏觀上表現為泡沫混凝土強度較低，但具有較大的極限變形。泡沫混凝土用于分層結構中時，由于吸能作用，使得應力波峰值強度下降。

3分層介質的沖擊破壞形態

通過改變SHPB裝置動力控制部分的氣壓壓力來調節子彈的速度，使復合試件承受不同程度的破壞。實驗有40組，其中7次的實驗數據和撞擊結果見表4，對應的試件破壞見圖14。

圖14　不同沖擊速度下試件破壞情況 Fig.14 The destruction of the specimen under different impact speed

表4　不同沖擊速度下的實驗結果

4結論

(1)硬-軟組合分層介質應力衰減主要取決于軟材料的性質，軟材料改變了分層介質的受載情況。當應力波通過時，波幅削減、作用時間增長，并且吸能增加。本實驗中，當泡沫混凝土的厚度為25mm時，應力衰減為原來的1/5。

(2)分層介質達到應力平衡狀態所需時間與分界面兩側材料波阻抗匹配程度有關，波阻抗值越接近達到平衡時間越短；

(3)近似等效本構關系顯示，分層試件整體上表現出明顯的塑性性質和應變率相關性。硬-軟材料分層組合可構成一個既耐沖擊又具有很高強度的復合結構。

參考文獻

[1]寧建國, 宋衛東, 任會蘭, 等. 沖擊載荷作用下材料與結構的響應與防護[J]. 固體力學學報, 2010, 31(5): 532-552.

NING Jian-guo, SONG Wei-dong, REN Hui-lan, et al. Response and protection of materials and structures under impact loadings[J]. Acta Mechanica Solida Sinica, 2010, 31(5): 532-552.

[2]姜鵬飛, 唐德高, 伍俊. 裝配式組合防爆墻抗高速破片侵徹性能研究[J]. 振動與沖擊, 2008, 27(7): 131-134.

JIANG Peng-fei, TANG De-gao, WU Jun.Analysis on penetration characteristics of assembled blast-resistance wall impacted by fragments with high velocities[J]. Journal of Vibration and Shock, 2008, 27(7): 131-134.

[3]岳強, 司榮軍. 瓦斯爆炸沖擊作用下新型復合結構防護外殼的動態響應[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(10): 147-152.

YUE Qiang, SI Rong-jun. Dynamic response of a new protective crust with compound structure to shock wave of gas explosion[J]. Journal of Vibration and Shock, 2011, 30(10): 147-152.

[4]董永香, 黃晨光, 段祝平. 多層介質對應力波傳播特性影響分析[J]. 高壓物理學報, 2005, 19(1): 59-65.

DONG Yong-xiang, HUANG Chen-guang, DUAN Zhu-ping. Analysis on the influence of multi-layered media on stress wave propagation[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2005, 19(1): 59-65.

[5]董永香, 馮順山, 李學林. 爆炸波在硬-軟-硬三明治介質中傳播特性的數值分析[J]. 彈道學報, 2007, 19(1): 59-63.

DONG Yong-xiang, FENG Shun-shan, LI Xue-lin. Numerical analysis of propagation characteristics of explosive wave in the hard-soft-hard sandwich media[J]. Journal of Ballistics, 2007, 19(1): 59-63.

[6]李剛, 陳正漢, 謝云. 波在分層材料中的傳播及防沖擊波分層材料的設計[J]. 振動與沖擊, 2005, 24(2): 89-91.

LI Gang, CHEN Zheng-han, XIE Yun. Wave propagation in sandwich materials and design of anti-shockwave sandwith structure[J]. Journal of Vibration And Shock, 2005, 24(2): 89-91.

[7]任志剛, 樓夢麟, 田志敏. 聚氨酯泡沫復合夾層板抗爆特性分析[J]. 同濟大學學報:自然科學版, 2003, 31(1): 6-10.

REN Zhi-gang, LOU Meng-lin, TIAN Zhi-min.Analysis of antidetonational property of sandwich panel of ployurethane foam[J]. Journal of Tongji University:Natural Science, 2003, 31(1): 6-10.

[8]李秀地, 鄭穎人, 徐干成. 爆炸荷載作用下巖石-混凝土-鋼板層狀結構的局部響應分析[J]. 后勤工程學院學報, 2007, 23(4): 21-24.

LI Xiu-di, ZHENG Ying-ren, XU Gan-cheng. Local response analysis of layered structures for rock-concrete-steel panel subject to blast loading[J]. Journal of Logistical Engineering University, 2007, 23(4): 21-24.

[9]余永強, 邱賢德, 楊小林. 層狀巖體爆破損傷斷裂機理分析[J]. 煤炭學報, 2004, 29(4): 409-412.

YU Yong-qiang, QIU Xian-de, YANG Xiao-lin.The mechanism analyses of bedded rock blasting damage and fracture[J]. Journal of China Coal Society, 2004, 29(4): 409-412.

[10]楊峰, 陳詠泉, 王新明, 等. 水平層狀圍巖隧道光面爆破效果分析[J]. 地下空間與工程學報, 2005, 1(6): 956-959.

YANG Feng, CHEN Yong-quan, WANG Xin-ming, et al. Analysis of tunnel smooth blasting in horianotal layered rockmass[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 1(6): 956-959.

[11]高全臣, 陸華, 王東, 等. 多孔隙流固耦合砂巖的沖擊損傷效應[J]. 爆炸與沖擊, 2012, 32(6): 629-634.

GAO Quan-chen, LU Hua, WANG Dong, et al. Impact damage effect of porous sandstone coupling with fluid[J]. Explosion and Shock Waves, 2012, 32(6): 629-634.

[12]石少卿, 劉仁輝, 汪敏. 鋼板-泡沫鋁-鋼板新型復合結構降低爆炸沖擊波性能研究[J]. 振動與沖擊, 2008, 27(4): 143-146.

SHI Shao-qing, LIU Ren-hui, WANG Min. Shock wave reduction behavior of a new compound structure composed of a foam aluminum layer between two steel plates[J]. Journal of Vibration And Shock, 2008, 27(4): 143-146.

[13]趙凱, 王肖鈞, 劉飛, 等. 多孔材料中應力波的傳播[J]. 爆炸與沖擊, 2011, 31(1): 107-112.

ZHAO Kai, WANG Xiao-jun, LIU Fei, et al. Propagation of stress wave in porous material[J]. Explosion and Shock Waves, 2011, 31(1): 107-112.

[14]Chen Wei-nong, Song Bo. Split hopkinson (kolsky) bar[M]. 233 Spring Street, New York, NY 10013, USA: Springer Science+Business Media, LLC, 2011: 1-172.

[15]平琦, 馬芹永, 盧小雨, 等. 被動圍壓條件下巖石材料沖擊壓縮試驗研究[J]. 振動與沖擊, 2014(2): 55-59.

PING Qi, MA Qin-yong, LU Xiao-yu, et al. Impact compression test of rock material under passive confining pressure conditions[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014(2): 55-59.

[16]王禮立. 應力波基礎(第2版)[M]. 北京: 國防工業出版社, 2005: 45-47.

[17]董永香, 夏昌敬. 應力波在多層介質中傳播特性數值分析[J]. 彈道學報, 2004, 16(3): 28-32.

DONG Yong-xiang, XIA Chang-jing.Numerical simulation on stress wave propagating in multi-layered media[J]. Journal of Ballistics, 2004, 16(3): 28-32.

[18]李焰, 鐘方平, 劉乾, 等. PVDF在動態應變測量中的應用[J]. 爆炸與沖擊, 2003, 23(3): 230-234.

LI Yan, ZHONG Fang-ping, LIU Qian, et al. Application of PVDF to dynamic strain measurement[J]. Explosion and Shock Waves, 2003, 23(3): 230-234.

[19]戴俊. 巖石動力學特性與爆破理論(第2版)[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2013: 172-176.