基于MATLAB GUI的SHPB實驗數據處理軟件

牛家樂，錢　昊，王榮鑫，巫緒濤

(合肥工業大學土木工程學院，安徽 宣城　242000)

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基于MATLAB GUI的SHPB實驗數據處理軟件

牛家樂，錢昊，王榮鑫，巫緒濤

(合肥工業大學土木工程學院，安徽 宣城242000)

文章選用MATLAB作為系統的開發平臺，編制了1套分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實驗的數據處理軟件。軟件可以快速、高精度完成沖擊壓縮和動態劈裂實驗的數據處理過程。軟件采用交互式界面進行數據和參數的輸入輸出，實現入射波、反射波和透射波及數據處理過程的可視化。通過本軟件最終可獲得沖擊壓縮試驗和動態劈裂試驗的多種有效數據及曲線。包括沖擊壓縮試驗中用三波法和兩波法得到的應力——應變曲線和應變率、應變、應力、實驗過程中各種能量時程曲線。動態巴西試驗中試樣拉應力、各種能量時程曲線和劈裂強度等。

Hopkinson壓桿；數據處理；可視化；MATLAB GUI

分離式Hopkinson壓桿(簡稱SHPB)實驗裝置是用來研究材料高應變率下力學行為的最有效實驗裝置之一。由于高應變率動態實驗涉及應力波傳播,力學參數計算借助應力波的相互作用,因此數據處理的復雜性遠遠高于靜態實驗,處理精度直接影響力學參數的準確性。有一些學者對SHPB實驗數據處理方法開展了研究。如宋力等對軟硬不同材料按SHPB三波法和兩波法處理的應力——應變曲線誤差進行了系統分析。李英雷等提出的SHPB實驗中波頭起點判讀辦法。尚兵等提出的金屬材料SHPB實驗數據處理的3波校核法。可靠方便的數據處理軟件可以為上述研究提供有益的幫助,對于獲得準確的實驗結果具有重要的作用。因此SHPB實驗的數據處理軟件應該具有交互式界面,可視性、通用及可擴展性強的特點。MATLAB平臺完全符合上述條件,其在多個領域的數據處理軟件編制的研究中有均大量成功的范例。如MATLAB的探地雷達數據處理研究及軟件開發以及MATLAB的振動信號采集與分析系統。本文采用MATLAB作為開發平臺,編制了1套SHPB實驗的數據處理軟件,可方便快速處理沖擊壓縮、動態巴西試驗。結合有限元模擬驗證了本軟件的精度和有效性,最終用于實際SHPB實驗的數據處理中。

1　SHPB裝置

SHPB裝置用于沖擊壓縮試驗的示意圖如圖1所示。試樣夾在輸入桿和輸出桿之間,用高壓氣體驅動子彈以一定的速度v0撞擊入射桿,產生向前傳播的入射波εi(t),經過輸入桿應變計被采集記錄。當入射波傳播到試樣位置時,推動試樣開始變形,并在入射桿中產生一個反向應力脈沖——反射波εr(t),經過入射桿應變計時也被采集。另一部分脈沖透過試樣進入輸出桿向前傳播——透射波εt(t),由輸出桿應變計和采集系統記錄。傳統的SHPB沖擊壓縮試驗技術就是通過這3個脈沖信號得到試樣特定應變率下的應力——應變曲線。

圖1　SHPB裝置

式(1)～式(3)為經典的三波法處理公式

(1)

(2)

(3)

根據一維假定

則試樣的應力、應變和應變率可以由任意2個波計算得到，即兩波法處理公式。

對于混凝土、巖石等脆性材料,SHPB裝置還可以進行動態巴西試驗,用來測量材料的動態劈裂強度。此時試樣圓周面與輸入桿和輸出桿線接觸,或通過墊塊圓弧面接觸,按式(5)計算試樣中心線上的拉應力時程曲線

其中,dS為試樣直徑,當σSt(t)達到最大值時即為試樣的動態劈裂強度。同理按照式(4),動態劈裂強度也可以僅用透射波計算得到。

根據式(1)～式(5)及圖1可以發現,SHPB實驗中計算應力、應變及應變率的過程并不復雜,其關鍵問題在于如何有效保證時間同步性。由于輸入桿應變計和輸出桿應變計記錄的入射、反射和透射波存在時間差,而數據處理最終需要的是試樣當地的3個波的時程曲線數據。因此通過交互式數據處理軟件能直觀反映試驗過程中3個波的同步性及各種方法處理結果的偏差,可以有效提高SHPB實驗數據處理的精度和效率。

2　程序正確性驗證

利用有限元模擬對程序正確性及基本功能進行了驗證。用ANSYS/LS-DYNA模擬了SHPB沖擊壓縮實驗過程。輸入和輸出桿采用線彈性本構:彈性模量200GPs,密度7850kg/m3,泊松比0.25。試樣采用雙線性隨動硬化本構:彈性模量72GPa,密度2700kg/m3,泊松比0.33,屈服應力60MPa,切線模量5GPa。試樣和壓桿間采用自動面面接觸。從模擬結果的輸入和輸出桿中取出的入射、反射和透射波如圖2所示(圖中應變數據以壓為正)。

圖2　有限元模擬得到的入射、反射和透射波

將3個波、壓桿和試樣的相關數據輸入程序。為了保證時間同步性,需對齊入射、反射和透射波的波頭。在數據處理過程中按式(4),通過比較入射波和透射波疊加結果與實際反射波的差異,并觀察采用3波、入透波、入反波、反透波4種方法處理結果吻合程度來判斷時間同步性,如圖3、圖4所示。可以發現應力——應變曲線兩段保持了很好的線性。處理得到試樣的彈性模量70GPa,屈服應力60MPa,切線模量5.3GPa,均與數值模擬預設值很接近。

圖3入射、反射和透射波時間同步效果

圖44種方法處理的應力——應變曲線的比較

3　實際SHPB實驗處理結果

3.1沖擊壓縮

對實際的SHPB沖擊壓縮試驗數據進行了處理。除基本的核心部分,程序還包含了消除零點漂移、曲線3點至10點光滑、峰值判斷、應力——應變曲線割線模量、平均應變率計算等模塊和功能。圖5和圖6給出的分別是未光滑和經過10點平均光滑得到的應力——應變曲線。

圖5未光滑的應力——應變曲線

圖6光滑后的應力——應變曲線

3.2動態巴西試驗

對動態巴西實驗進行了數據處理,入射、反射和透射波同步性如圖7所示,按三波法和透射波法得到試樣中心線拉應力時程曲線如圖8所示。可以發現,在保證時間同步情況下,2種方法處理結果的誤差較小。

圖7入射、反射和透射波同步性

圖8拉應力時程曲線

3.3能量分析

由入射、反射和透射波還可以分析試驗過程中的能量變化,如式(6)～式(7)所列[7]

(6)

(7)

其中,Wi(t)、Wr(t)、Wt(t)和WS(t)分別為試驗過程人射波、反射波和透射波及試樣耗散能量的時程曲線。利用式(6)～式(7)計算某次實驗中4個能量的時程曲線如圖9所示。

圖9　SHPB實驗中能量變化時程曲線

4　結　　論

在對各種SHPB實驗數據處理和誤差理論進行深入分析的基礎上,基于MATLAB平臺編制了1套SHPB實驗數據處理軟件。成功實現了沖擊壓縮試驗、動態巴西試驗的多種數據處理功能,包括數據及參數的輸入與輸出,操作提示,數據修飾(消除零漂和光滑),多參量曲線繪制、比較、調整與數據點讀取(三波法和兩波法得到的應力——應變曲線,應力、應變、應變率、能量時程曲線)等。利用有限元模擬對程序正確性及基本功能進行了驗證,處理結果準確可靠。程序采用模塊設計具有可擴展性,預留了二次開發的接口和輸入規則。

[1]胡時勝，王禮立等.Hopkinson壓桿技術在中國的發展回顧[J].爆炸與沖擊，2014，(6)：641-657.

[2]宋力，胡時勝.SHPB數據處理中的二波法與三波法[J].爆炸與沖擊，2005，(4)：368-373.

[3]李英雷，胡昌明，王悟.SHPB實驗數據處理的規范化問題討論[J].爆炸與沖擊，2005，(6)：553-558.

[4]尚兵，胡時勝等.金屬材料SHPB實驗數據處理的三波校核法[J].爆炸與沖擊，2010，(4)：429-433.

[5]劉康.基于MATLAB的探地雷達數據處理研究及軟件開發[D].中國地質大學(北京)，2011.

[6]唐世振.基于MATLAB的振動信號采集與分析系統的研究[D].中國海洋大學，2007.

[7]巫緒濤，胡俊.EPS混凝土的動態劈裂強度和能量耗散[J].爆炸與沖擊，2013，(4)：369-375.

(責任編輯陳化鋼)

SHPB experimental data processing software Based on GUI MATLAB

NIU Jia-le，QIAN Hao，WANG Rong-xin，WU Xu-tao

(Depariment of Structural engineering，HeFei University of Technology，Xuancheng 242000，China)

In this paper,the data processing software for a set of separate Hopkinson pressure bar (SHPB) tests is developed by using MATLAB as the developed platform of this system.The software can accomplish the data processing of the shock compression and dynamic split tests quickly and with high precision.The data and parameters of the system are input and output by using the interactive interface,and the visualization of the process of the incident wave,reflected wave and transmission wave is realized.A variety of effective data and curves of impact compression test and dynamic splitting test could be obtained through this software.Including the stress-strain curves obtained by the three wave method and the two wave method in the shock compression test,and the time history curves of strain rate,strain,stress and various energy during the tests process.Morever the time history curves of various energy,tensile stress and splitting strength in dynamic Brazilian tests.

Hopkinson pressure bar; data processing; visualization; GUI MATLAB

2016-03-16；

2016-03-18

合肥工業大學2015年大學生創新性實驗計劃項目(編號：2015CXCYS117)

牛家樂(1994-)，男，本科生，從事土木工程專業研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.004

O34

A

1671-6221(2016)03-0014-04