落錘式沖擊動力實驗教學裝置研制

樓晨笛，艾 婷，朱哲明，周 磊，王 蒙，董玉清

（四川大學a.水利水電學院水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室；b.深地科學與工程教育部重點實驗室；c.建筑與環境學院，成都 610065）

0 引言

“土木工程試驗”是四川大學土木工程專業本科生的必修課程，其實踐性強，涉及知識面廣，是土木工程學科發展的重要基礎。而長期以來該課程實驗教學項目單一，受依托實驗室實驗設備條件限制，課程設計多以靜態力學實驗為主，缺乏動態力學行為測試的教學。由于巖石混凝土等構件材料的不均勻性和復雜性，在靜荷載和動荷載的作用下其變形破壞過程表現出顯著的差異性［1-2］；且實際工程中，構件的動力災變往往是結構整體失效的關鍵。因此，在本科教學過程中，動態力學實驗的教學實踐必不可缺。

目前國內外還未對動靜態加載的界限進行嚴格劃分，一般依據材料加載應變率的大小可將試驗類型劃分為蠕變、靜態、準動態、動態、超動態5 種［3-4］。液壓試驗機、落錘裝置是早期研究材料動態力學行為的主要實驗裝置，但由于加載速度限制，其應變率范圍較小、最高應變率只能達到10 s-1左右，這制約了其在動態力學研究中的使用和發展。當前，中高應變率范圍內的動態力學加載試驗應用最廣泛的是分離式霍普金森壓桿裝置（SHPB），因其構造簡單、測量方法巧妙，且具備應力加載控制方便和可測應變率范圍廣等優點，被廣泛應用于金屬、巖石、混凝土、聚合物和泡沫等材料的動力學沖擊或爆炸測試中。利用不同的試驗方式，霍普金森壓桿可測量材料的動態壓縮強度、拉伸強度、動態彎曲強度、剪切強度以及動態斷裂韌度等力學參數［5］。

然而，市面上材料尺度的動力學測試專用設備SHPB動態加載系統雖功能強大、測試精度高，但價格高昂，難以單純為了在本科教學中開展新的實驗項目去購置相應設備；另一方面，SHPB 動態測試系統也并不適用于尺寸相對較大的土木構件的動力測試教學。因此，充分利用實驗室已有條件、節約教學成本，自制服務于本科教學的動力加載裝置是最優選擇。

本文研制了一套服務于本科教學的落錘式沖擊動力實驗教學裝置，并通過SCT 試件動態斷裂實驗對該裝置動力學測試的可行性進行了驗證。

1 落錘式沖擊動力實驗裝置

1.1 霍普金森壓桿實驗裝置

早在1914 年，Hopkinson［6］基于慣性效應和應變率效應提出了一種測試瞬態脈沖應力的壓桿裝置，首次實現了對沖擊類應力波形的測量。在此基礎上，Davies于1948 年通過安裝于霍普金森桿的波導開關，利用掃描裝置和陰極射線顯示器成功觀測到應力波形［7］。而后，Kolsky［8］進一步改進試驗技術提出了分離式Hopkinson 裝置，極其接近于現代SHPB 裝置。1963 年，Linholm［9］用粘貼于兩根桿上的應變片取代了以往的電容式傳感器，從而給霍普金森桿帶來了測試方法的根本變革。目前SHPB測試技術被認為是測量固體材料在10～103s-1應變速率下動態特性的最有效的方法［10］。

SHPB裝置的主體由撞擊桿、入射桿與透射桿三部分組成，同時為獲取實驗數據和消除實驗誤差還包含有測速系統、超動態應變放大器、瞬態波形采集存儲系統和數據處理系統［11］，其原理如圖1 所示，實驗時試件被夾持在兩壓桿之間。為保證在應力波傳播過程中桿件始終處于彈性狀態，撞擊桿、入射桿和透射桿的材料一般都選取高強度的特種鋼［12］，在實驗過程中，其直徑、彈性模量和波阻抗都不會隨應力波傳播而發生變化。

圖1 SHPB裝置工作原理示意圖

實驗過程中，高壓氣缸壓縮空氣驅動撞擊桿高速撞擊入射桿的一端（一般添加波形整形器來保證產生的應力波平滑），產生一壓縮脈沖（入射波）并沿桿件軸向傳播，其應力幅值、持續時間、波形分別由撞擊桿的入射速度、沖頭長度和形狀控制。當應力波沿入射桿傳遞到與試件的交界面時，由于被測試件材料的波阻抗與入射桿的波阻抗存在差異，入射波被部分反射回入射桿中，產生反射波，而另一部分則透過試件傳播至透射桿中，產生透射波，試件將產生壓縮變形。壓桿上的應變片會記錄實驗過程中的入射波、反射波和透射波，并由超動態應變儀處理后在數字示波器上顯示。

1.2 裝備研制考慮因素

擬研制的沖擊動力實驗裝置借鑒SHPB 裝置的工作原理，既考慮其直接應用于本科教學存在的不足，又要充分利用實驗室現有條件。主要考慮如下因素：

（1）市面上的SHPB 動態加載系統價格高昂，難以單純為了在本科教學中開展新的實驗項目去購置。以降低成本為出發點，合理設計適用于本科教學及科研創新實驗的動力實驗教學裝置。

（2）SHPB裝置需使用火藥或高壓氣體作為發射動力，加之實驗桿件較重，使得實驗操作具有一定危險性。此外，實驗過程中由于發射氣壓、子彈長度、電橋橋壓、增益系數、采樣率和觸發條件等實驗參數的設置相互影響，需要通過重復性實驗積累經驗、探索規律才能熟練掌握其操作。若直接將該設備用于本科教學，重復性實驗導致耗損費用較高、危險性增加［13］，因此保證教學實踐過程的安全性和可操作性是本裝置研制考慮的第2 個因素。

（3）實驗室此前已購置多臺高速動態應變采集儀，但是較少應用于本科教學實驗項目。通過自制動力加載裝置，可使其在本科教學中得到充分利用，拓寬現有設備使用范圍，達到設備增值保值的目的。

（4）利用SHPB裝置進行材料的動態力學行為研究時，被測試件通常制為圓柱型，金屬材料直徑為7～13 mm［14］，巖石類材料建議直徑為50 mm［15］，為滿足實驗中一維應力波的傳播假設［16］，試樣的高徑比一般也選取較小。因此，SHPB 裝置并不適用于尺寸相對較大的土木構件的動力測試教學。基于此，需自制適用于大尺寸構件的沖擊動力學裝置以適用于土木結構方面的本科生課程。

1.3 設計要求

為有效解決前述裝備研制所考慮因素，自制的沖擊動力實驗裝置需滿足：①滿足SHPB 裝置的全部要素，并充分利用實驗室現有條件，盡可能降低研發成本；②與SHPB裝置具有相同功能，并覆蓋常規應變率的加載；③便于本科生教學實踐并可服務于師生的科研需求，同時能夠實現對大尺寸土工構件的動力學測試。

2 落錘式沖擊動力實驗裝置結構

2.1 結構特征

設計的落錘式沖擊動力實驗裝置由門字形桁架、導軌、第1、2 起重升降機、第1、2 滑塊、沖擊板、應變片、入射板、透射板、動態應變測試儀、紅外線測速儀、紅外線測距儀、攝像裝置、波形整形器、阻尼器、電磁吸盤、夾具組成。裝置結構如圖2 所示，具體特征如下：

圖2 落錘式沖擊動力實驗裝置結構

（1）桁架底部與地面垂直固定連接，導軌設置在桁架內并固定于反力墻墻面上；桁架頂部設置有第1起重升降機，第1 起重升降機上連接有沖擊板；導軌上設置有入射板和透射板，透射板底部與地面接觸；沖擊板設置于入射板上方，沖擊板自由落體后，與入射板頂面接觸。在本裝置中，入射板和透射板都采用LY12CZ型鋁合金材料，能保證實驗過程中材料處于彈性狀態，其彈性模量E＝72 GPa，泊松比μ ＝0.3，入射板和透射板長度分別為3 000 mm 和1 000 mm，寬度為300 mm，厚度為30 mm。

（3）為了使沖擊板在沖擊過程中準確與入射板頂部接觸，設置了滑動裝置，導軌為兩根豎直設置的導柱；滑動裝置包括兩塊分別與兩根導柱滑動連接的第一滑塊，沖擊板兩側分別與兩塊第1 滑塊螺紋連接，沖擊板頂部與第1 起重機連接。

（4）第1 起重機上設置有電磁吸盤，便于沖擊板的吸附與釋放。沖擊板通過所述電磁吸盤與第1 起重機連接。

（5）兩根導柱上還設置有兩塊第2 滑塊，兩塊第2 滑塊之間設置有夾具，夾具與兩塊第2 滑塊固定連接，夾具中部設置安裝通孔；入射板穿過安裝通孔并通過螺栓與夾具固定，夾具上設置有吊環螺絲。

（6）桁架中部設置有橫梁；橫梁位于入射板頂部，橫梁設置有第2 起重升降機，它通過吊環螺絲與夾具連接；第2 起重升降機可以帶動入射板上下移動，方便實驗時將被測試件放入入射板和透射板之間。橫梁在桁架內上下移動，實現對第2 起重升降機的高度調節，以適應不同長度入射板的尺寸需求。

（7）為直觀了解沖擊板的下落速度，入射板頂部設置有紅外線測速儀，與桁架固定連接。為直觀了解沖擊板與入射板之間的高度，入射板上設置有用于測量沖擊板底面與入射板頂面之間距離的紅外線測距儀。為直觀了解到被測試件在進行沖擊動力實驗中的裂紋擴展過程，桁架上設置高速攝像機和照明燈作為攝像裝置，用于觀察被測試件的裂紋擴展。

2.2 操作步驟

在對被測試件進行沖擊動力實驗時，首先將被測試件放置在黏有應變片的入射板和透射板間。為減輕應力波的高頻振蕩并適當延長應力波作用時間，在沖擊板與入射板撞擊端間黏貼與入射板厚度一致的紫銅板作為波形整形器，以調節入射應力波，使試件受荷均勻。經過調研證明紫銅材料能夠很好地延長入射波的上升沿，有利于更好地觀察到理想中的實驗效果。為減弱端面反射的卸載波影響正常的應力波傳播，將厚度為5 cm的鋼板置于透射板底部與地面間，起到阻尼器的作用，可吸收大部分裝置傳來的能量，盡量消除反射波，削弱和延緩2 次波加載效應［17］。

利用第1 起重升降機帶動沖擊板上升至指定高度，然后讓沖擊板與第1 起重升降機脫離，使沖擊板做自由落體運動掉落在入射板頂面；入射板和透射板中的應變片分別采集應力波信息，并將應力波信息傳遞給動態應變測試儀，以實時獲取裝置入射板、透射板的應力波波形，進而通過動力學相關方程推導獲得動態載荷作用下材料和構件的動態應力-應變關系，測試得到峰值動態強度等力學參數。

3 實驗驗證

3.1 實驗材料

實驗所用試件為側開單裂紋三角形（簡稱SCT）試件，可以滿足大尺寸土工構件的實驗要求，同時還具備易于加工等優點［18］。SCT試件示意圖如圖3 所示，試件尺寸為L×D×H＝200 mm ×30 mm ×325 mm 的長方體，頂邊中部為一邊長75 mm 的等邊三角形開口，開口底部由1 mm 厚鋸條切割形成30 mm 長的預制裂紋，并進行銳化處理。實驗過程中，沖擊板撞擊入射板產生應力波，經由入射板應力波傳遞至被測試件，由于三角形開口的作用，預制裂紋尖端產生向兩側的拉伸應力，當拉伸應力超過巖石的動態抗拉強度時，裂紋開始擴展。而試件預制裂紋下部留有的距離能盡量減小邊界反射波對透射應力波的影響，保證實驗所測結果的準確性。

圖3 SCT試件結構［18］（mm）

實驗材料選用產自四川隆昌的青砂巖，其塊體大，硬度高，密度ρ0＝2 265 kg／m3，彈性模量E0＝15.9 GPa，泊松比μ0＝0.18，動態抗拉強度T0＝30 MPa，縱波波速為2 563 m／s，瑞利波波速為1 457.6 m／s。

3.2 實驗過程

試件放置前先將兩端涂抹凡士林，潤滑端部，以消除試件端部約束，然后將試件前后夾持，居中置于兩板之間，以保證受力均勻并防止試件彎折，然后進行實驗操作。為記錄實驗中試件的裂紋擴展時刻和速度，將裂紋擴展計（簡稱CPG）豎直粘貼于預制裂紋底端，實驗中，當電磁吸盤釋放后，沖擊板自由落體撞擊入射板，產生應力波在裝置內傳遞。與此同時，利用超動態應變儀記錄由應變片和裂紋擴展計采集的電壓信號以得到試件受力變化及裂紋擴展的時程曲線。

本實驗采用的CPG型號為BKX3.5-10CY，該擴展計包含由21 根等長不等寬的卡瑪銅薄片平行并聯而成的敏感柵絲和絕緣的玻璃絲布基底兩部分構成。其中，敏感柵絲寬h為10 mm，總有效長度l為44 mm，相鄰卡瑪銅薄片間距l0為2.2 mm，額定初始電阻為3.5 Ω。在實驗前，將CPG第1 根柵絲中部對準預制裂紋尖端并沿預制裂紋方向向下粘貼，如圖4（a）所示。實驗中，裂紋擴展計由16 V 恒壓電源供電，為防止電流過大而導致電路過荷并減小溫度引起的電阻變化，在實驗電路中串聯一個Rc1＝50 Ω的電阻，并將一個Rc2＝50 Ω的電阻與CPG并聯，如圖4（b）所示。當試件所受拉應力超過一定闕值后，敏感柵絲隨著裂紋的擴展而斷裂，CPG 的電阻逐漸增大，致使實驗電路中的電壓產生階梯型變化，這一過程將被數字示波器采集并用于巖石裂紋擴展的研究與分析。

圖4 CPG測試電路及其實物圖

3.3 數據處理及實驗結果

實驗時沖擊板高度可由紅外線測距儀測量，不同的沖擊板下落高度將產生不同的應力荷載，可應用于常規應變率范圍內的動力沖擊測試。多次測試表明，當沖擊板置于入射板上方1.50～2.50 m時，可獲得最理想實驗效果。應變片所記錄的電壓信號可通過下式轉換為應變

式中：U0為電橋單臂測量輸出電壓；供橋電壓E＝2 V；靈敏度系數K＝2.1；超動態應變儀的增益系數n＝1 000。

通過式（1）計算采集到的電壓信號并使用Origin軟件進行降噪處理以過濾環境影響，所得應變-時間曲線如圖5 所示。

圖5 入射端和透射端的應變-時間曲線

SHPB 實驗技術的理論基礎為一維彈性波理論，當實驗過程滿足一維應力假設和應力均勻化假設兩個基本假定［16］，試件兩端應力加載到達平衡狀態，入射板端和透射板端所受荷載Pi、Pt可通過下式計算：

式中：E為LY12CZ 型鋁合金材料的彈性模量，E＝72 GPa；εi表示入射波；εr表示反射波；εt表示透射波。根據式（2）、（3），得到作用于試件所受應力變化如圖6 所示。

圖6 作用于試件上的應力-時間曲線

隨著應力增加，裂紋開始擴展，而CGP 上的柵絲也開始由上至下斷裂，其上第1 根柵絲破壞時，CGP的電阻開始變化引起電壓信號的改變，第1 個臺階信號出現，此時可視為裂紋的起裂時間。

當柵絲斷裂時，CPG測試電路中的電壓信號會有瞬時突變，將所得的電壓信號對時間求導，區間段內的極值點所對應時間即為相應柵絲的斷裂時間，如圖7所示為CPG測試電路中電壓信號隨時間的變化曲線及其對時間的導數曲線。同時，相鄰柵絲間距固定，可由此得到裂紋擴展距離和速度隨時間的變化關系，如圖8 所示。可以發現，裂紋擴展速度并非常數，而是不斷波動變化，擴展速度大致在300～400 m／s，并且當裂紋擴展至第16、17 根柵絲時，擴展速度達到最大值。

圖7 CPG測試電路中電壓信號變化及其對時間的導數

圖8 裂紋擴展距離、裂紋擴展速度-時間的關系曲線

裂紋擴展路徑如圖9 所示。由圖可見，試件裂紋為張開型裂紋（I型），即正應力垂直于裂紋面，擴展方向和正應力垂直，初期撞擊產生的裂紋沿著預制裂紋方向擴展，但當裂紋延伸一定長度后，裂紋擴展的方向偏離預制裂紋方向。

圖9 SCT試件動態變形破壞

通過以上實驗可以看出，該裝置可捕捉實驗過程的載荷曲線、試件裂紋的擴展路徑和速度，能較好地研究巖石的動態擴展行為，將其應用于材料的動態力學實驗研究切實可行。

4 教學實踐受益

4.1 充分整合實驗室已有條件，實現動力測試本科教學

落錘沖擊動力實驗裝置的研制充分利用了實驗室原有反力墻結構和多組已購實驗設備，以較低成本實現了動力學實驗設備的自主研制，解決了動力實驗教學從無到有的問題，更全面地服務于本科實驗教學。針對“土木工程試驗”，在原有靜態實驗項目中可新增綜合性實驗項目2 個：結構和材料沖擊實驗2 學時；動態應變測試實驗2 學時。此外，該裝置還可服務于“工程斷裂力學”“結構動力學”等課程。在“工程斷裂力學”中可新增3 個學時的動態斷裂韌度測試實驗項目，可扭轉該課程目前僅有材料靜態斷裂韌度測試的現狀。受益人數方面，可使土木工程專業每年級超110 人、工程力學約每年級40～50 人受益。

4.2 培養學生的科研興趣，拓寬學生的學術視野

落錘沖擊實驗裝置從設計、研發到制造的過程中，學生均自發主動參與進來，并充分結合了自己所學的力學知識獻計獻策，推動本裝置的成功研制。通過本實驗裝置的研發，極大地增強了學生的學習能力和創新實踐能力，激發了學生對結構材料動力學和工程動力災變方面的研究興趣和熱情，也對實驗裝置的運行和性能參數有了進一步的了解。

通過該設備也可輻射支撐大學生創新實驗計劃，調動學生的科研熱情，拓寬學生的學術視野，并為結構動力響應、巖石混凝土災變力學等方面的科學研究提供了設備平臺。

5 結語

結合本科教學需求，并充分利用實驗室的反力墻結構和已有設備，設計研制了一套落錘式沖擊動力實驗教學裝置，該裝置可實現對大型土工構件的動力測試，同時操作簡便、成本低廉，能夠直觀了解沖擊動力實驗中的裂紋擴展過程。本裝置的研制填補了本科動力實驗教學的空白，并為結構動力響應、巖石混凝土災變力學等方面的科學研究提供了設備平臺。