脆性材料SHPB实验技术的研究

岩石力学与工程学报 22(11)：1798～1802

2003年11月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2003

脆性材料SHPB实验技术的研究

王鲁明

1，2，3

赵 坚

1，4

华安增1 赵晓豹4

(1中国矿业大学建筑工程学院 徐州 221008) (2工程兵指挥学院基础部力学教研室 徐州 221004) (3总参合肥创新工作站 合肥 230037) (4南洋理工大学土木及环境工程学院 639798 新加坡)

摘要 用SHPB装置研究脆性材料(硬岩、混凝土、高强度砂浆、陶瓷等)及脆性材料组构的非均一材料高应变率下的动力特性。在实验技术方面取得进展，简要研讨了万向头、波形整形器、异形炮弹、软性介质、节理试样与结构性试样等问题。

关键词 材料科学，冲击动力学，SHPB，实验技术，脆性材料，进展

分类号 TU 502，O 347.1 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)11-1798-05

RESEARCH ON SHPB TESTING TECHNIQUE FOR

BRITTLE MATERIAL

Wang Luming1

，2，3

， Zhao Jian14，Hua Anzeng1，Zhao Xiaobao4

，

(1Architecture Engineering College，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221008 China)

(2Engineer Command Academy， Xuzhou 221004 China)

(3Hefei Science and Technology Innovation Station of General Staff Headquarters， Hefei 230037 China) (4School of Civil and Structural Engineering，Nanyang Technological University 639798 Singapore)

Abstract The dynamic characteristics in higher strain rate of brittle materials，such as hard rock，concrete， mortar and ceramics with high strength，and the non-homogeneous structural materials consisting of brittle material are researched using SHPB device. The progress is brought about in SHPB testing technique. The problems are discussed briefly of gimbals，pulse shaper，non-uniform linear projectile，soft medium on the impacted end of the input bar，artificial joint sample and structural material sample.

Key words material science，impact dynamics，SHPB，testing technique，brittle material，progress

1 引 言

分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar——SHPB)，是研究材料在101～104/s应变率下动态力学性能的主要装置。脆性材料的破坏应变很小，通常为千分之几。本文针对脆性材料的SHPB实验，研讨以下几点实验技术的进展情况：(1) 引进万向头改善试样与杆系的平面接触状态，并显著

2003年3月31日收到初稿，2003年6月27日收到修改稿。

地改善试样的受力状态；(2) 用波形整形器和异型炮弹改良加载波形；(3) 用软性介质滤除高频振荡，(4) 对节理试样和结构性试样进行的SHPB实验研究。

2 引进万向头

由于加工精度的制约，致使SHPB试样两端面的平行度较难达到设计要求；同时，在调整SHPB

作者 王鲁明 简介：男，41岁，1983年毕业于南京工学院(现东南大学)力学专业，现为中国矿业大学博士研究生、工程兵指挥学院副教授、总参合肥创新工作站首批进站专家，主要从事岩体力学实验和数值模拟方面的研究，同时从事工程力学的教学工作。E-mail：CJ_WLM62@163.com。

第22卷 第11期 王鲁明等. 脆性材料SHPB实验技术的研究 • 1799 •

装置时，使压杆间形成完全平面接触也有困难。这样，在实验过程中，试样表面与杆端面的接触就难以形成完全平面接触，这使得试样的受力状态在接触面上不均匀，从而导致试样内部应力均匀性受到影响；这对于韧性较好的材料影响不大，但对于脆性材料的影响会十分明显，必须设法消除。据此，在SHPB装置中引进了万向头[1]。

具体做法是使用与压杆相同的材料，加工一对内部为高精度接触的凹凸球面、外端面为平面的万向头(见图1)。使用时，将万向头放置于试样和输入杆之间(参见图2)。随着试样与压杆的挤紧，万向头自然随之微调，因而可以较好地形成试样与压杆间的平面接触状态，非常有效地改善试样受力的均匀性，从而提高脆性材料的实验精度。

图1 万向头示意图 Fig.1 Sketch of gimbals

图2 φ 37 mm SHPB实验系统组成图 Fig.2 Testing system of φ 37 mm SHPB

为了验证万向头的上述作用，用有机玻璃试样做了对比试验：在圆柱形试样外表面上相间90°的4个位置，沿轴向贴4个电阻应变片。第1次冲击试验不加万向头，第2次加了万向头。测试结果如图3所示。未加万向头的4个应变信号散乱，表明试样受力不均匀；而加了万向头的四个应变信号均匀一致，表明试样受力均匀。

这证明引进万向头，试样可以很好地改善与压杆的接触状态，因接触不平而造成的误差近乎完全消除，能够更好地满足SHPB实验的均匀性要求(对节理试样尤其如此)。

图3 试样应变信号对比图

Fig.3 Comparison of strain signals in the sample

3 波形整形器与异形炮弹

在SHPB装置中，常规的炮弹是直径保持不变的圆柱体，使用它可以产生一个矩形加载波，这个波上升前沿时间较短，而且由于弥散现象，在波头处还会产生高出其正常峰值平台的高峰值振荡。SHPB实验的有效性是建立在“一维性”和“均匀性”的基础上，这要求应力波在试样中至少反射3个来回[2

～4]

，才能保证试样内部应力的均匀性。对

于破坏应变极小的脆性材料，矩形加载波上升前沿时间较短，往往不足以使应力波在试样中反射3个来回，使试样在内部应力未达到均匀之前就发生破坏，从而导致实验结果的有效性成为问题。

为得到上升前沿时间较长的加载波形，可以使用波形整形器。具体的做法是，将一圆形薄铜片，同心地粘贴在输入杆的撞击端面上，仍使用圆柱形炮弹。这样处理后，在圆柱形炮弹撞击输入杆的过程中，透过波形整形器，以往输入杆中的矩形加载波，将改变为“三角形”波，从而使加载波具有较长的上升前沿时间，并可显著消除波形中的高频振荡[1]。中国科学技术大学冲击动力实验室，在φ74 mm直锥变截面式SHPB装置上，使用波形整形器，得到了较好的加载波形。图4为其中一次试验的加载波形。由图可见，其上升前沿时间约为90 μs，且

图4 使用波形整形器后的加载波形 Fig.4 Loading waveform using the pulse shaper

• 1800 • 岩石力学与工程学报 2003年

高频振荡基本消除。这对于脆性材料试样，就可在发生破坏前，有足够长时间让应力波在其内部反射3个来回，从而保证了SHPB实验的均匀性要求。

而“圆台-圆柱-圆台”式异形炮弹[3

，5]

，产生的

加载波形是半正弦波，最大的特点是有较长的上升前沿时间。文[3]介绍了φ75 mm SHPB实验中，使用直径为φ75 mm、长度为540 mm的异形炮弹的情况：(1) 不论炮弹速度多大或加载波峰值多高，加载波的上升前沿时间均保持在100 μs左右；(2) 半正弦波在整个上升前沿过程中，弥散现象较弱；(3) 与矩形加载波相比，弥散现象有显著减弱，从 而能较大程度地缩短大直径压杆的长度，使φ75 mm SHPB装置的输入杆长度可缩短到1.5 m。

笔者用直径为φ37 mm、长度为600 mm的圆柱形炮弹测试，得到图5所示的矩形加载波，其上升前沿时间约为40 μs。与之比较，还用了直径为

φ37 mm、长度为540 mm的异形炮弹(见图6)，得

到半正弦加载波的上升前沿时间为120～130 μs，且弥散现象比矩形波明显减弱；这对于脆性材料的SHPB实验，可以很好地满足均匀性要求。图7为其中一次试验的波形图。由此可见，使用波形整形器或异型炮弹，产生的加载波有足够长的上升前沿时间，且弥散现象较弱，使脆性材料试样在破坏前达到均匀状态，从而保证其SHPB实验结果的有效性。

图5 600 mm长、φ 37 mm的圆柱炮弹波形图 Fig.5 Waveform of the φ 37 mm uniform cylindrical projectile

with length of 600 mm

图6 540 mm长、φ 37 mm的异形炮弹图

Fig.6 The φ 37 mm non-uniform linear projectile with length

of 540 mm

图7 540 mm长、φ 37 mm的异形炮弹波形图 Fig.7 Waveform of the φ 37 mm non-uniform linear projectile

with length of 540 mm

4 用软性介质滤除高频振荡

加大压杆直径的同时，因压杆横向泊松效应引发的弥散现象非常明显。使用圆柱形炮弹，在φ74 mm直锥变截面式SHPB装置上，对混凝土材料进行冲击压缩实验，通常会出现加载波形严重的几何弥散——高频振荡，尤其在加载波的波头部分，这种弥散使得振荡的峰值高出平台值40%[6]。波头部分占用的时间段，恰好是岩石等脆性材料达到千分之几的应变、并发生破坏需用的时间；同时也在相当长时间段中，使试样内部应力不均匀。

中国科学技术大学冲击动力实验室2002年1月28日的“混凝土冲击压缩实验报告”中记载，为减弱大直径杆的几何弥散程度、降低弥散现象对实验精度的影响，在输入杆撞击端粘贴软性介质，可以有效地滤除加载波中的高频成份，显著地改善加载波的波形，获得质量较好的加载波，提高了实验的精度。图8为报告中的对比试验结果，使用软性介质前、后的加载波变化情况。由此可见：使用了软性介质后，明显消除了高频振荡的影响，得到了较平稳的加载波形。

图8 使用软性介质前、后加载波形对比图 Fig.8 Comparison of loading waveform with and without

sticking soft medium

第22卷 第11期 王鲁明等. 脆性材料SHPB实验技术的研究 • 1801 •

5 节理试样和结构性试样的实验

以往，SHPB的实验对象是均一材料制成的试样。随着研究工作的深入，超出这一范围，对人工节理试样及混凝土-软性材料共同组成的结构性材料试样，也进行了SHPB实验，开拓了脆性材料SHPB实验研究的新领域。

节理的动力特性及其对应力波传播的影响，是国内外的一个热点研究课题。文[7]在大量静态实验基础上建立了静态“BB模型”，该模型是一种描述节理法向应力-节理闭合量的关系的双曲线型经验公式，在岩体力学理论与工程中得到广泛应用。近年来，新加坡南洋理工大学采用动态单轴压力实验机，对节理法向动态力学特性进行了研究，取得了较大进展[8

～11]

。研究结果表明：节理的应变率在 10－

1～100/s数量级以下时，节理法向应力-节理闭合

量的关系，仍符合双曲线规律，并推广建立了动态的“BB模型”。但对于更高应变率(100～103/s)，这种动态“BB模型”是否仍适用，是一个有争议的问题，这需要在SHPB装置上进行实验研究[12]。

在SHPB装置上对节理试样的实验，笔者以人工材料节理试样模拟天然岩体节理，节理试样由两部分组成(图9)；这对于研究高幅值冲击波在节理岩体中的传播规律很有价值。

图9 人工节理试样及上下两部分 Fig.9 Artificial joint sample and it’s two parts

对于节理试样使用万向头尤显重要：节理试样由两部分构成，在试样制备过程(尤其是组合过程)中，难以保证其两个外端平面的高精度平行，这对试样与压杆要达到良好的平面接触状态造成严重影响；使用万向头装置，可以使试样与压杆间的平面接触状态和受力状况有极大改善。

对混凝土和软性材料共同构成的结构性材料试样(图10)，也进行了SHPB冲击压缩实验，中国科学技术大学冲击动力实验室2002年1月10日的“混

凝土冲击压缩实验报告”中记载了这一工作，并得到一些有价值的结果。

图10 两种结构性材料试样示意图

Fig.10 Sketch of two types of structural material sample

6 结 语

随着理论研究和工程实践的不断深入，对脆性材料及脆性材料组构的非均一材料在高应变率下动

力特性的研究也不断提出新的要求，从而将会不断

促进脆性材料SHPB实验技术的进展，对这一领域内的研究也会取得更多的进展。 在开拓脆性材料SHPB实验研究新领域的同时，也引发了新的问题：对节理、结构性材料等非均一材料的试样，用常规软件处理得到的实验结果，如应力-应变关系及应变率等，应当怎样认识和应用，这些问题有待进一步的研究。

致谢 在SHPB实验技术和相关理论的学习、应用过程中，得到了中国科学技术大学材料力学行为和设计重点实验室胡时胜教授的悉心指导，孟益平博士生的热情帮助，以及中南大学李夕兵教授的大力帮助。在此一并表示衷心感谢！

参 考 文 献

1

孟益平，胡时胜. 混凝土材料冲击压缩试验中的一些问题[J]. 实验力学，2003，18(1)：108～112

2 胡时胜. 霍普金森压杆技术[J]. 兵器材料科学与工程，1991，122(11)：40～47

3 Lok T S，Li X B，Zhao P J，et al. A large diameter split Hopkinson bar

for testing rocks[A]. In：Wang Sijing，Fu Bingjun，Li Zhongkui ed. Frontiers of Rock Mechanics and Sustainable Development in the 21th Century[C]. Rotterdem：A. A. Balkema，2001，97～100 4

Davis E D H，Hunter S C. Dynamic compression of solid by the method of split Hopkinson pressure bar[J]. Journal of Mechanics and Physics of Solid，1963，11(2)：155～163

5 Lok T S，Li X B，Zhao P J，et al. Uniaxial compression tests on granite

and its complete stress-strain relationship at high strain rates[A]. In：Wang Sijing，Fu Bingjun，Li Zhongkui ed. Frontiers of Rock Mechanics and Sustainable Development in the 21th Century[C].

• 1802 • 岩石力学与工程学报 2003年

Rotterdam：A. A. Balkema，2001，85～87 6

刘孝敏，胡时胜. 应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播传播特 性[J]. 爆炸与冲击，2000，20(20)：110～114 7

Bandis S C，Lumsden A C，Barton N R. Fundamentals of rock fracture deformation[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1983，20(6)：249～268 8 Zhao J，Zhou Y X，Hefny A M，et al. Rock dynamic research related

to cavern development for ammunition storage[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，1999，14(4)：513～526

10 9

Cai J G，Zhao J，Li H B. Effects of loading rate on fracture normal behavior[A]. In：Wang Sijing，Fu Bingjun，Li Zhongkui ed. Frontiers of Rock Mechanics and Sustainable Development in the 21th Century[C]. Rotterdam：A. A. Balkema，2001，197～200 赵 坚，陈寿根，蔡军刚等. 用UDEC模拟爆炸波在节理岩体中的传播[J]. 中国矿业大学学报，2002，31(2)：111～115

11 Cai Jungang. Effects of fractures on wave attenuation in rock

masses[PhD thesis][D]. Singapore：The School of Civil and Structural Engineering，Nanyang Technological University，2000

地下结构动力分析若干问题研究

高 峰

(兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070)

博士学位论文摘要 结合一些实际工程，研究了场地地震反应、边界条件、运动方程隐式积分算法、列车振动荷载的反演、隧道地震减震方法以及隧道洞口段三维地震反应等问题，得出的结论可作为隧道及地下结构的抗震设计和振动反应分析的参考依据。论文主要内容包括以下几个方面：

(1) 运用波动理论，对水平成层的地层进行了正演和反演地震反应分析。研究了冻土层的存在、地基辐射阻尼等因素对场地地震反应的影响，以及通过反演计算得到结构地震反应分析时所需要的地震波。

(2) 根据不同边界条件，采用振动方法和波动方法，进行在地震荷载作用下隧道结构的反应分析，比较粘-弹性边界、粘性边界和固定边界条件的计算精度，分析无限地基对计算结果的影响以及在地震荷载作用下隧道衬砌的薄弱部位。

(3) 在Newmark隐式积分方法的基础上，提出提高其计算效率的改进方法。计算结果表明，改进方法既可节约计算机内存，又显著地提高了隐式时间积分方法的计算效率。

(4) 计算了不同地震动作用下不同的围岩材料对隧道地震反应的影响，并通过改变隧道衬砌一定范围内围岩材料的参数，计算了隧道的地震反应，分析了在隧道施工中设置减震层和注浆加固一定范围内围岩这两种方法的减震效果、适用条件及其减震机理。提出采用注浆加固围岩的办法进行减震、充分发挥围岩的承载能力的观点。

(5) 进行了隧道洞口段三维地震反应分析。在不同的围岩材料、不同的衬砌类型情况下，分析了洞口段隧道衬砌应力和位移沿隧道轴线方向的变化规律以及采取注浆加固围岩的方法的减震效果。对隧道抗震设防长度与洞口段围岩性质、衬砌断面形式的关系以及隧道洞口段的加固措施进行了研究。指出在地震作用下，铁路双线隧道和单线隧道的抗震设防长度仅与洞口段围岩的分布情况有关，与隧道跨度关系不大，洞口段隧道衬砌轴向力不可忽视。

(6) 推导了求解振动荷载的反演公式，提出由结构对振动荷载的反应求振动荷载时程的有限元方法，验证了方法的有效性。

关键词 地下结构，结构动力分析，粘-弹性边界，减震，隧道洞口段，振动反问题

RESEARCH ON SOME PROBLEMS OF DYNAMIC ANALYSIS ON

UNDERGROUND STRUCTURE

Gao Feng

(School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070 China)

2003年7月1日收到来稿。

作者 高 峰 简介：男，19年生，2003年在西南交通大学土木工程学院获博士学位，导师为关宝树教授；现在兰州交通大学工作，主要从事岩土力学与地下工程方面的教学和研究工作。E-mail：gaofeng19@163.com。