郭瑞奇， 任輝啟， 張磊， 龍志林， 吳祥云， 徐翔云， 李澤斌， 黃魁

(1.湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖南 湘潭 411105；2.軍事科學(xué)院 國防工程研究院， 河南 洛陽 471023)

0 引言

為了應(yīng)對爆炸沖擊等強(qiáng)動(dòng)載問題，軍事設(shè)施以及重要的民用建筑在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮結(jié)構(gòu)和材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而材料在高應(yīng)變率下往往會(huì)體現(xiàn)與低應(yīng)變率不同的力學(xué)性能，即應(yīng)變率效應(yīng)。分離式Hopkinson桿(SHB)實(shí)驗(yàn)裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，已成為最為常用的測試材料高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)裝置。其最早起源于1872年Hopkinson[1]設(shè)計(jì)的鐵絲沖擊實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)揭示了沖擊動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)支柱問題：應(yīng)力波效應(yīng)和應(yīng)變率效應(yīng)。1914年 Hopkinson[2]設(shè)計(jì)的飛片撞擊實(shí)驗(yàn)可以被視為Hopkinson桿的初始模型(見圖1)。經(jīng) Taylor[3]、Volterra[4]、Davis[5]和Kolsky[6]的不斷完善，現(xiàn)在已經(jīng)成為測試多種材料在高應(yīng)變率下(102～104s-1)拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)以及復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)力學(xué)性能的最基本手段[7]。

圖1 Hopkinson[2]的實(shí)驗(yàn)Fig.1 Experimental setup[2]

Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展至今已有百余年的歷史，其最初主要用于金屬和高聚物類均勻材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測量。自90年代以來，隨著試樣設(shè)計(jì)原則的規(guī)范化和數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)，該技術(shù)開始應(yīng)用于軟材料[8]和脆性材料[9-10]沖擊壓縮性能的研究。其中，對于含夾雜物的非均質(zhì)復(fù)合材料，以混凝土為例，只有當(dāng)混凝土試件的尺寸為粗骨料尺寸的4～5倍時(shí)，才能從宏觀上將其視為均勻材料。

因此，為了獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的桿件尺寸也要增大，需要采用大直徑Hopkinson桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了開展這方面的科研工作，佛羅里達(dá)大學(xué)于1984年建立了φ76.2 mm的分離式Hopkinson壓桿(SHPB)實(shí)驗(yàn)裝置，并開展了一系列關(guān)于混凝土沖擊壓縮性能的實(shí)驗(yàn)研究[11-15]。國內(nèi)早期主要以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)沖擊動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室φ37 mm的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置為主，胡時(shí)勝等[16]和薛志剛等[17]分別使用該裝置對硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和水泥砂漿進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)。為了研究混凝土類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，劉孝敏等[18]在現(xiàn)有裝置的基礎(chǔ)上，自行研發(fā)了φ74 mm直錐變截面SHPB裝置，并驗(yàn)證了混凝土材料的應(yīng)變率硬化效應(yīng)和損傷軟化效應(yīng)[19]。2002年原總參工程兵科研三所建立了當(dāng)時(shí)亞洲地區(qū)直徑最大的φ100 mm SHPB裝置[20]，如圖2所示。

本文介紹了國內(nèi)外大直徑Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究成果和進(jìn)展，分析總結(jié)了大直徑桿所帶來的主要問題及解決方法，并討論了大直徑SHB實(shí)驗(yàn)技術(shù)未來的研究方向和熱點(diǎn)。

1 Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)基本原理

研究材料在高應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能時(shí)，通常必須計(jì)及材料的應(yīng)變率效應(yīng)和慣性效應(yīng)(應(yīng)力波效應(yīng))，而這二者通常是互相聯(lián)系、互相影響的，使問題變得復(fù)雜。Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的巧妙之處在于將這兩種效應(yīng)解耦，在滿足一維應(yīng)力波假定和試件應(yīng)力均勻分布假定的基礎(chǔ)上，可以通過測量桿中的脈沖波形來研究短試件的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)[21]。

(1)

(2)

(3)

式中：A0為桿的橫截面積；As和ls分別為試件的橫截面積和長度；E0和c0分別為入射桿的彈性模量和波速。

圖3 SHPB裝置示意圖Fig.3 Sketch map of SHPB device

根據(jù)(1)式～(3)式來確定材料應(yīng)力- 應(yīng)變(σs-εs)曲線的方法被稱為三波法，若滿足短試件的應(yīng)力與應(yīng)變沿其長度均勻分布假定，即

εI(t)+εR(t)=εT(t),

(4)

則三波法可簡化為二波法：

(5)

2 大直徑SHB實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)與拉桿和扭桿相比，其實(shí)驗(yàn)裝置更為簡單，發(fā)展最為成熟。目前大直徑SHPB裝置已廣泛用于巖石、混凝土等非均勻材料的沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)中，但由于大直徑桿的幾何彌散效應(yīng)和非均勻材料的應(yīng)力應(yīng)變均勻性較差等原因，實(shí)驗(yàn)也面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

2.1 大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)存在的問題

2.1.1 幾何彌散效應(yīng)

大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)所面臨的一個(gè)重要問題就是應(yīng)力脈沖在壓桿中傳播時(shí)由于橫向慣性效應(yīng)所引起的幾何彌散問題。Pochhammer[22]、Chree[23]和Rayleigh[24]使用不同方法得到了在半徑為r、泊松比為υ的圓柱狀彈性桿中諧波傳播速度cp與波長λ之間的關(guān)系：

(6)

劉孝敏等[25]的二維數(shù)值分析結(jié)果表明，大直徑桿所帶來的波形彌散效應(yīng)一方面表現(xiàn)在實(shí)際所測的波形帶有明顯的振蕩，另一方面表現(xiàn)在輸入波為矩形波時(shí)所測的波形實(shí)際為帶有一定上升沿的梯形脈沖。文獻(xiàn)[21,26]指出，這種由橫向慣性效應(yīng)所引起的幾何彌散，不同于由材料本身特性所引起的本構(gòu)彌散，除了波形高頻振蕩外，還包括應(yīng)力沿桿徑的非均勻分布(R為桿件半徑)以及峰值隨傳播距離的衰減等現(xiàn)象(見圖4)，圖4中D為桿件直徑。

圖4 大直徑鋼桿中的波形彌散效應(yīng)[21]Fig.4 Dispersion effects of stress wave[21]

Ravichandran等[27]通過對陶瓷材料的高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)表明，波形彌散效應(yīng)會(huì)直接導(dǎo)致試件和透射桿上應(yīng)變計(jì)測量數(shù)據(jù)的差異。胡金生等[28]認(rèn)為大直徑SHPB裝置的彌散效應(yīng)給混凝土材料的實(shí)驗(yàn)帶來了兩方面的問題：一方面波形的振蕩導(dǎo)致了數(shù)據(jù)處理方面的困難，計(jì)算出的結(jié)果往往掩蓋了材料本身的特性；另一方面，過大的彌散升時(shí)和混凝土很小的破壞應(yīng)變會(huì)限制應(yīng)變率的提高。

2.1.2 應(yīng)力均勻性

由于試件端面摩擦效應(yīng)和夾雜顆粒尺寸的限制，混凝土材料試件的厚度不能無限制減小，因此大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)所對應(yīng)的大尺寸試件也會(huì)對應(yīng)力與應(yīng)變的均勻分布假定造成影響。使用應(yīng)力波特征波速Cw和結(jié)構(gòu)特征尺度Ls來表征結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間Tw=Ls/Cw，引入無量綱時(shí)間

(7)

在一般的SHPB實(shí)驗(yàn)中，通常認(rèn)為波在試件中傳播兩三個(gè)來回即達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，文獻(xiàn)[21]指出，對于矩形加載脈沖，當(dāng)試件與桿件波阻抗之比為0.5時(shí)，應(yīng)力波至少應(yīng)在試件中傳播4個(gè)來回才能達(dá)到應(yīng)力平衡。應(yīng)力波在混凝土中的傳播速度約為3 000 m/s，對于厚度為50 mm的混凝土試件，應(yīng)力波來回反射3次所需要的時(shí)間為100 μs，因此需要有足夠長的加載脈寬以保證試件內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)平衡。

2.1.3 試件端面平行

在SHPB實(shí)驗(yàn)中，共存在3對接觸界面，分別是子彈與輸入桿在撞擊時(shí)形成的接觸界面、輸入桿與試件的接觸界面和試件與輸出桿的接觸界面，陶俊林[30]認(rèn)為，接觸界面的接觸情況是造成SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的主要因素之一。而對于大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)而言，由于混凝土、巖石等脆性材料加工精度低，破壞應(yīng)變小，所以試件平整度所引起的兩端面平行問題將對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響。

此外，由于大直徑桿調(diào)試對準(zhǔn)困難，很難保證試件與桿的界面完全接觸，也會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性產(chǎn)生明顯影響。孟益平等[31]在φ70 mm的有機(jī)玻璃試件柱面正交4個(gè)方向貼電阻應(yīng)變片，結(jié)果顯示同一試件不同方位的應(yīng)變片所得信號大小不一，表明接觸不平會(huì)導(dǎo)致試件的應(yīng)力均勻性問題，這種情況對于脆性材料的影響十分明顯，必須設(shè)法消除。

2.1.4 試件橫向慣性效應(yīng)

自1917年Abram[32]發(fā)現(xiàn)了混凝土類材料強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增加而增加的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以來，已經(jīng)有諸多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。然而，Li等[33]通過研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率10～103s-1范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度的增加是一種偽應(yīng)變率效應(yīng)，實(shí)際上是由橫向慣性效應(yīng)引起的，Zhang等[34]在對水泥砂漿的SHPB實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。經(jīng)過進(jìn)一步研究，Li等[35]認(rèn)為壓桿與試樣接觸界面的端面摩擦?xí)拗圃嚇拥膫?cè)向流動(dòng)，引起的側(cè)向圍壓將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的三軸應(yīng)力狀態(tài)。Zhou等[36]的研究結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)變率高于200 s-1時(shí)，混凝土試件動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的增加是由材料的應(yīng)變率效應(yīng)和橫向慣性效應(yīng)共同作用的結(jié)果。Forrestal等[37]認(rèn)為橫向慣性效應(yīng)產(chǎn)生的原因是軸向加速度通過泊松效應(yīng)產(chǎn)生徑向加速度，從而產(chǎn)生圍壓造成的，并推導(dǎo)出圍壓與軸向加速度之間的關(guān)系：

(8)

式中：σz、σr、σθ分別為軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力；a為柱坐標(biāo)中的徑向距離；εz為軸向應(yīng)變。

由以上研究可以看出，在SHPB實(shí)驗(yàn)中材料的應(yīng)變率效應(yīng)、橫向慣性效應(yīng)和端面摩擦效應(yīng)三者常常是相互耦合的，直接由實(shí)驗(yàn)所測得的材料動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度將會(huì)高于材料的真實(shí)強(qiáng)度。

2.2 提高大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)精度的技術(shù)途徑

2.2.1 波形整形技術(shù)

為了解決波形彌散效應(yīng)和試件應(yīng)力不均勻性對大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)精度的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多研究。文獻(xiàn)[38-40]使用傅里葉變換等數(shù)學(xué)方法對波形進(jìn)行修正，但只是數(shù)據(jù)處理技術(shù)的改進(jìn)，沒有從物理本質(zhì)上減少彌散效應(yīng)。宋力等[41]使用一維應(yīng)力波理論對SHPB測試中的均勻性問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，評估了各種加載波形的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果表明恒應(yīng)變率加載具有最好的綜合效果，而矩形加載波會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的試件應(yīng)力不均勻現(xiàn)象。王禮立等[21]指出，試件和壓桿的波阻抗比以及入射波的波形都會(huì)顯著影響SHPB實(shí)驗(yàn)中試件應(yīng)力應(yīng)變分布均勻化所需的最低來回反射次數(shù)，相對而言，矩形波和坡形波都不是理想的入射波形，而以梯形波較為理想。左宇軍等[42]使用動(dòng)態(tài)巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA2D對非均勻介質(zhì)的動(dòng)態(tài)破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并認(rèn)為對于巖石等非均質(zhì)材料的SHPB動(dòng)態(tài)測試而言，三角波可以有效降低大直徑SHPB裝置的應(yīng)力波彌散效應(yīng)。Zhu等[43]采用特征線法對滿足朱- 王- 唐(ZWT)方程的黏彈性材料在高應(yīng)變率SHPB實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力均勻性進(jìn)行研究，結(jié)果表明入射波升時(shí)對脆性黏彈性材料的應(yīng)力均勻性有影響，其中取脈沖前沿升時(shí)τs為波在試樣中傳播一次所需時(shí)間tL的2倍時(shí)為最好，即τs=2tL，升時(shí)再延長反而對應(yīng)力均勻化不利。以上分析表明，選擇合理的加載波形不僅有利于試件的應(yīng)力均勻化，而且可以減小幾何彌散效應(yīng)帶來的影響。

有研究人員希望通過設(shè)計(jì)出合理的子彈形狀來獲得合適的加載波形，Christensen等[44]曾使用截頂圓錐體子彈進(jìn)行加載，但該工作主要是為了研究砂巖在圍壓作用下的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，沒有對入射波形質(zhì)量進(jìn)行評估。Gupta等[45]對錐形沖頭撞擊細(xì)長桿件進(jìn)行了二維有限元分析，結(jié)果表明在錐角不是很大的情況下，錐形沖頭可以大大減小波形的高頻振蕩。李夕兵等[46-47]使用SHPB裝置對巖石試件進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)使用了6種不同規(guī)格的沖頭，并對相對應(yīng)的加載波形進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明錐形沖頭所獲得的加載波形能大幅減小波形振蕩，實(shí)驗(yàn)所得的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系曲線規(guī)整光滑，并改變了應(yīng)變率的相對穩(wěn)定程度。經(jīng)過進(jìn)一步研究，李夕兵等[48]認(rèn)為半正弦波是SHPB實(shí)驗(yàn)的一種合理加載波形，Lok等[49]根據(jù)沖擊反演理論得到了能產(chǎn)生理想半正弦波的子彈形狀，文獻(xiàn)[50-51]據(jù)此設(shè)計(jì)出了便于實(shí)際加工和實(shí)驗(yàn)操作的紡錘形沖頭，并進(jìn)行推廣使用，圖5所示為不同桿徑的紡錘形沖頭產(chǎn)生的半正弦入射波。

圖5 不同桿徑的紡錘形沖頭產(chǎn)生的半正弦入射波[50]Fig.5 Half sine incident waves generated by spindle shape strikers with different diameters[50]

為了獲得理想的加載波形，另一種被廣泛使用且簡單有效的方法就是在入射桿端部增加一個(gè)波形整形器，波形整形器的材料通常選用波阻抗比壓桿低而塑性較好的材料，可以改變或調(diào)節(jié)入射桿中的入射波形，使入射波與反射波波形光滑化[7]。20世紀(jì)70年代末國內(nèi)就有學(xué)者使用在入射桿端貼醫(yī)用膠布的方法來改善加載波形[52]，迄今為止，樹脂玻璃、聚合物、紙、銅等材料均作為脈沖整形器的材料應(yīng)用于SHPB實(shí)驗(yàn)中。李為民等[53]和Lee等[54]研究了不同尺寸黃銅整形器用于φ100 mm SHPB實(shí)驗(yàn)的整形效果，結(jié)果表明整形器的厚度和直徑越小，入射波的上升沿升時(shí)就越長，波形就越平滑，更有利于試件中的應(yīng)力均勻化。圖6為李為民等[55]用于φ100 mm SHPB實(shí)驗(yàn)的不同厚度黃銅整形器(見圖6(a))和袁璞等[56]用于φ37 mm SHPB實(shí)驗(yàn)的黃油整形器(見圖6(b))獲得的波形圖。Wang等[26]指出，波形整形器可以消除入射波的高頻振蕩，其實(shí)質(zhì)是延長升時(shí)以減小橫向慣性效應(yīng)，而且還有利于實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載，但同時(shí)也會(huì)降低試件的應(yīng)變率。由圖6可以看出，隨著高頻分量被“濾除”，加載波形變得更寬，上升前沿變緩，雖然這樣的波形可以解決大直徑桿的幾何彌散效應(yīng)和應(yīng)力均勻性問題，但會(huì)降低應(yīng)變率。

圖6 使用不同波形整形器前后的效果對比Fig.6 Comparison of incident waves before and after shaping

波形整形技術(shù)已經(jīng)成為SHPB研究不可或缺的技術(shù)，特別是對大直徑SHPB裝置，如何盡量實(shí)現(xiàn)恒應(yīng)變率加載是主要的研究方向之一。隨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累，可通過開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而方便地實(shí)現(xiàn)不同實(shí)驗(yàn)條件下的準(zhǔn)恒應(yīng)變率加載。但波形整形技術(shù)導(dǎo)致的應(yīng)變率下降也是必須要面對的問題，本文后半部分提到的束型SHPB就是為解決這個(gè)問題而提出的新實(shí)驗(yàn)裝置。

2.2.2 減少端面不平行度影響的技術(shù)措施

由于SHPB實(shí)驗(yàn)中端面不平行主要是由裝置加工、人員操作和波導(dǎo)桿多次使用產(chǎn)生局部變形等原因造成的，難以控制相關(guān)變量對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，目前對試件端面不平行的研究主要以數(shù)值模擬為主。為了對端面不平行程度進(jìn)行定量表述，陶俊林[30]和Yuan等[57]引入了相似的端面不平行度γ：

(9)

式中：δ為試件高度最大值和最小值的偏差；h為試件的平均高度。

Yuan等[57]使用有限元分析軟件LS-DYNA對φ50 mm的SHPB裝置9種試件端面不平行度情況進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明對于巖石類材料而言，當(dāng)γ≤0.40%時(shí)，端面不平行對動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果的影響較小，最大動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度測試誤差僅為3.2%，可近似忽略不計(jì)，但對動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試結(jié)果的影響較大；通過對平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變測試誤差的二元線性回歸分析給出了相應(yīng)的修正公式。宋力等[58]也給出了一種通過修正壓桿端部凹陷以在SHPB實(shí)驗(yàn)中精確獲得小變形范圍內(nèi)試件應(yīng)變的數(shù)據(jù)處理方法, 從而使SHPB測試結(jié)果的有效范圍可延伸到彈性段，整體上提高了SHPB實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性及可靠性。

此外，孟益平等[31]和胡金生等[28]所采用的萬向頭技術(shù)是一種解決大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)中試件端面不平行問題的有效方法。萬向頭為一段材質(zhì)、直徑與桿完全相同的圓柱，中間以球弧面截開，形成一個(gè)球座鉸，將其放置于試件和透射桿之間，這樣隨著桿對試件的擠壓，萬向頭自然隨之微調(diào)，如圖7所示。文獻(xiàn)[28,31]中的研究表明，萬向頭的使用可以有效地解決試件與入射桿、透射桿的非平面接觸問題，由試件端面平行度所造成的實(shí)驗(yàn)誤差基本可以消除。

圖7 萬向頭示意圖[31]Fig.7 Sketch map of SHB with universal joint[31]

端面不平行性是SHPB實(shí)驗(yàn)永遠(yuǎn)無法回避的問題，對大直徑桿而言又具有比小直徑更為嚴(yán)重的影響：由于試件材料多為混凝土類脆性非均勻材料，試件加工工藝限制了其端面平行度，但是脆性材料對應(yīng)力集中的敏感性又要求其端面平行度滿足足夠的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在要求提高試件加工精度的同時(shí)，建立可操作的實(shí)驗(yàn)規(guī)范從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性也是勢在必行。

2.2.3 試件橫向慣性效應(yīng)的解決方案

(10)

Lu等[61]使用有限元分析軟件Abaqus中的Drucker-Prager模型對水泥砂漿和石灰?guī)r進(jìn)行了數(shù)值模擬，首先將材料模型的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度放大因子(DIF)設(shè)為1，即假設(shè)其為非應(yīng)變率敏感性材料，僅考慮試件橫向慣性效應(yīng)對DIF的影響，然后使用(11)式所示的修正公式對每次計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行少量迭代，即可獲得材料真實(shí)應(yīng)變率下的DIF值。

(11)

此外，也有研究者使用圓環(huán)形試件來減少實(shí)驗(yàn)中橫向慣性效應(yīng)對材料DIF的影響。Zhang等[34]將水泥砂漿制作成實(shí)心圓柱和圓環(huán)型試件進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在相同的外半徑下，實(shí)心圓柱型試件的DIF要高于圓環(huán)型試件，而且這種現(xiàn)象會(huì)隨著應(yīng)變率的增高變得更加明顯。Li等[35]的數(shù)值模擬結(jié)果顯示圓環(huán)形試件在相同的外半徑下，內(nèi)半徑越大，應(yīng)變率效應(yīng)越不明顯。方秦等[62]對內(nèi)外半徑差恒定但內(nèi)外半徑值不同的圓環(huán)形試件進(jìn)行數(shù)值模擬，認(rèn)為試件中每一點(diǎn)處的圍壓都是由其他點(diǎn)產(chǎn)生的圍壓波傳到該點(diǎn)，然后與自身產(chǎn)生的圍壓疊加的結(jié)果，因此DIF會(huì)隨著半徑差的增加而增加。以上研究表明，試件的橫向膨脹慣性效應(yīng)會(huì)對DIF有影響，而采用空心試件是一種有效減少該影響的技術(shù)手段。

大直徑SHPB以及混凝土等應(yīng)力狀態(tài)敏感性材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)的需求，已經(jīng)動(dòng)搖了傳統(tǒng)SHPB技術(shù)的兩個(gè)基本假定，從目前的研究分析來看，采用更有效的端面潤滑技術(shù)以及空心試件是減小橫向慣性效應(yīng)影響的可行技術(shù)措施。另外，通過數(shù)值模擬的方法，在選擇合適的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上通過仿真消除橫向慣性的影響也是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的重要補(bǔ)充手段。

2.2.4 拉格朗日分析方法

Fowles等[63-64]和Cowperthwaite等[65]提出的拉格朗日分析方法可以在不作事先本構(gòu)假定的情況下，通過測量材料不同位置處的某些力學(xué)信息變化來求得未知力學(xué)量，在SHPB實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用表現(xiàn)為通過實(shí)測波形來反推材料的本構(gòu)模型。王禮立等[66]詳細(xì)介紹了拉格朗日分析方法的發(fā)展和應(yīng)用，提出了改進(jìn)后基于相速度的1sV+nV拉格朗日分析方法(即一個(gè)應(yīng)力- 質(zhì)點(diǎn)速度組合計(jì)加n個(gè)質(zhì)點(diǎn)速度計(jì)的分析方法)，并將基于路徑線法的拉格朗日方法與SHPB實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，反推出了C30混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系和ZWT本構(gòu)方程的參數(shù)。Wang等[67]和張磊等[68]將混凝土做成長桿試件，并使用拉格朗日分析方法結(jié)合SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)來研究混凝土材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。結(jié)果表明這種方法可以有效解決大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)中不滿足一維應(yīng)力假定的問題，但由于數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，故尚未進(jìn)行推廣[52]。

和基于兩個(gè)基本假定的SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)不同，拉格朗日分析不需要再假定試件整體處于應(yīng)力或應(yīng)變均勻的狀態(tài)，其可以利用不同位置局部的應(yīng)力、應(yīng)變、速度或者位移時(shí)程曲線的測量來獲取材料的力學(xué)響應(yīng)。隨試件內(nèi)診斷技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，拉格朗日分析會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用，可以作為傳統(tǒng)SHPB計(jì)算的有效補(bǔ)充。

毛囊閉鎖三聯(lián)癥是一組較罕見的、常染色體顯性遺傳的皮膚病，主要表現(xiàn)為聚合性痤瘡、化膿性汗腺炎和頭部膿腫性穿掘性毛囊周圍炎，引起皮膚潰瘍、竇道形成及膿性分泌物，常發(fā)生在背部、腋下和臀部等［1］。病程遷延時(shí)間長，患者在生理和心理上都承受了巨大痛苦。我院于2009年5月收治1例毛囊閉鎖三聯(lián)癥患者，經(jīng)植皮術(shù)治療效果滿意，現(xiàn)報(bào)道如下。

2.3 大直徑拉桿和扭桿的研究進(jìn)展

2.3.1 基于壓桿的拉伸實(shí)驗(yàn)技術(shù)

由于試件裝配、加載等技術(shù)上的困難，相比于大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)技術(shù)而言，大直徑拉桿的研究發(fā)展緩慢，限制了對混凝土、巖石等非均勻材料高應(yīng)變率拉伸力學(xué)性能的研究。為此，使用大直徑SHPB裝置對混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)劈裂實(shí)驗(yàn)來研究材料的動(dòng)態(tài)拉伸特性，如Lambert等[69]將圓柱狀混凝土試件用不銹鋼桿沿中軸線固定，使用φ76 mm的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)(見圖8)，Jin等[70]也使用φ74 mm的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置研究了混凝土在1～200 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)的拉伸強(qiáng)度。

圖8 用于混凝土劈裂實(shí)驗(yàn)的大直徑SHPB裝置[69]Fig.8 A large-diameter SHPB device for splitting tension test of concrete[69]

巫緒濤等[71]認(rèn)為，對于劈裂實(shí)驗(yàn)，試件內(nèi)任意一點(diǎn)均處于二向應(yīng)力狀態(tài)，不同于單軸拉伸實(shí)驗(yàn)。胡時(shí)勝等[72]認(rèn)為用于“間接”測量混凝土抗拉強(qiáng)度的劈裂實(shí)驗(yàn)是一種復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，而且存在應(yīng)力均勻性的問題。因此，劈裂強(qiáng)度并不能反映材料一維應(yīng)力狀態(tài)的動(dòng)態(tài)拉伸強(qiáng)度，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性值得商榷。

圖9 用于混凝土層裂實(shí)驗(yàn)的Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置簡圖[73]Fig.9 Schematic diagram of Hopkinson bar device used to determine the spalling strength of concrete[73]

層裂是混凝土和陶瓷等脆性材料一種典型的沖擊拉伸破壞形式，是由入射壓力波在自由面反射為拉伸波后，與入射波相互作用所造成的破壞。跟劈裂實(shí)驗(yàn)相比，試件在層裂破壞過程中處于一維應(yīng)力狀態(tài)，因此近年來逐漸成為研究混凝土、陶瓷等脆性材料高應(yīng)變率拉伸破壞的常用實(shí)驗(yàn)手段。胡時(shí)勝等[72]采用φ74 mm直錐變截面SHPB裝置，并將混凝土材料做成長500 mm的桿狀試件，通過直接在試件上貼應(yīng)變片的方法來測量應(yīng)力波及層裂強(qiáng)度。張磊等[73]分析了任意反射面激光干涉測速技術(shù)(VISAR)用于混凝土層裂實(shí)驗(yàn)的局限性，并提出了一種測量混凝土層裂強(qiáng)度的新方法，即在長桿狀混凝土試件后添加一根低波阻抗的高聚物材料作為吸收桿(見圖9)，這樣試件中的壓縮波在試件/吸收桿界面反射后可以形成拉伸波使試件產(chǎn)生層裂破壞，并且可以通過吸收桿上的應(yīng)變波形來確定出混凝土材料的層裂強(qiáng)度。經(jīng)過進(jìn)一步研究，張磊等使用該方法研究了鋼纖維混凝土的層裂特性[74]，并指出不同加載速度下混凝土裂紋擴(kuò)展方式不同是層裂強(qiáng)度率效應(yīng)的主要原因[75]。

2.3.2 直接拉伸加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)

由于層裂是通過壓縮波加載在試件端部反射形成拉伸波的方式來產(chǎn)生拉伸破壞的，對于混凝土材料而言，初始加載波有可能對試件造成一定的壓縮損傷，此時(shí)材料所表現(xiàn)的“層裂強(qiáng)度”已不再是初始材料的特性，而是受壓縮波損傷弱化后的材料特性[75]。此外，層裂實(shí)驗(yàn)只能獲得材料的拉伸強(qiáng)度而不能獲得材料的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系，因此，研制大直徑拉桿直接進(jìn)行混凝土材料的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)研究十分必要。

分離式Hopkinson拉桿(SHTB)是一種直接對材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸的實(shí)驗(yàn)裝置，自1960年Harding等[76]首次發(fā)明出套管式拉桿裝置以來已經(jīng)進(jìn)行了許多改進(jìn)和應(yīng)用，但是大部分還是常規(guī)的小直徑SHTB實(shí)驗(yàn)裝置，測試的材料也以金屬類均勻材料為主，其中一個(gè)主要的原因就是試件與桿系的連接問題。目前SHTB實(shí)驗(yàn)中試件的連接方式主要有螺紋連接、掛接和膠粘連接3種，其中螺紋連接主要針對金屬材料所設(shè)計(jì)，而且螺紋的連接方式和過渡段會(huì)對信號造成一定的干擾。掛接方式操作比較簡單，但是需要將試件加工成特殊形狀，比如啞鈴狀，試件截面尺寸的變化也會(huì)影響應(yīng)力波的傳播，而且這兩種連接方式都需要對試件有效標(biāo)距段的長度進(jìn)行優(yōu)化處理，考慮到傳統(tǒng)試件制作方法對于混凝土、巖石等脆性材料的加工難度，所以目前這兩種連接方式并沒有應(yīng)用于大直徑SHTB裝置中。

近年來，姜錫權(quán)等研制的φ75 mm直接拉伸式Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置[77](見圖10)已經(jīng)開始應(yīng)用于混凝土材料的動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中，該裝置通過管狀子彈在高壓氣體的推動(dòng)下撞擊入射桿頂端的法蘭盤來產(chǎn)生一個(gè)入射彈性壓力脈沖，其中一部分應(yīng)力波在入射桿自由端面反射形成拉伸波傳向試件從而造成試件的拉伸破壞。江偉等[78]和滕驍?shù)萚79]分別使用圖10所示的裝置對砂漿- 花崗巖界面層和再生骨料混凝土進(jìn)行了動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)研究。由于普通的膠粘方式會(huì)使試件界面附近處于不均勻的三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，直接導(dǎo)致試件在界面附近斷裂，張凱等[77]和江偉等[78]在粘接面附近的圓周上加粘數(shù)層鋼絲網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)有效連接(見圖11)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對于普通的膠粘方式而言，這種增加鋼絲網(wǎng)的連接方式能夠減少試件與桿件接觸部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)也使試件的中間部分處于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，是一種保證混凝土試件在SHTB動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中可靠連接的有效措施，但是相對而言這種方法也增加了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜程度。滕驍?shù)萚79]對再生骨料混凝土進(jìn)行動(dòng)態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)選用了一種高強(qiáng)度快速膠粘劑，并對這兩種連接方式的結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明這兩種連接方式均能保證采集到良好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而采用高強(qiáng)度快速膠粘劑的方式效率更高。

圖10 φ75 mm直接拉伸式SHTB實(shí)驗(yàn)裝置[77]Fig.10 Schematic view of the direct dynamical tension experimental device with diameter of 75 mm[77]

圖11 改進(jìn)膠粘連接后的混凝土試件[77]Fig.11 Concrete specimens glued directly to bars with steel nets[77]

2.3.3 扭桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)

當(dāng)初始條件為關(guān)于圓柱徑向坐標(biāo)的線性函數(shù)時(shí)，扭轉(zhuǎn)波沿圓桿的傳播沒有彌散現(xiàn)象，而且由于試件沒有徑向運(yùn)動(dòng)，所以扭桿中也不存在徑向慣性效應(yīng)和界面摩擦問題[80-81]。因此，扭桿是研究材料在高應(yīng)變率純剪應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能的有效實(shí)驗(yàn)手段。1966年Baker等[82]使用氣槍子彈打擊滑塊使夾鉗突然放松來釋放預(yù)扭桿儲(chǔ)存的扭矩(儲(chǔ)能釋放法加載)，設(shè)計(jì)出了第1套分離式Hopkinson扭桿(TSHB)裝置；1985年楊桂通等[83]介紹了我國第1套TSHB裝置。然而由于加載方法的局限性和試件夾持等問題，目前現(xiàn)有的TSHB裝置其直徑往往不超過30 mm.

TSHB實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)加載方式的不同，可分為儲(chǔ)能釋放加載、爆炸加載、直接撞擊加載、飛輪驅(qū)動(dòng)加載以及電磁驅(qū)動(dòng)加載這5種類型。預(yù)儲(chǔ)能式加載是指通過釋放預(yù)先儲(chǔ)存在卡盤和夾鉗之間的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，這種方式在現(xiàn)有的TSHB裝置上應(yīng)用最為廣泛，但Yu等[84]認(rèn)為儲(chǔ)能釋放法加載方法有兩大缺點(diǎn)：首先夾緊裝置很難將扭桿完全夾住而不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而且螺栓在擰緊過程中常常會(huì)發(fā)生斷裂導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失??；另外擰斷螺栓釋放扭矩的過程有很大的隨機(jī)性，嚴(yán)重影響波形的實(shí)驗(yàn)條件的重復(fù)性。爆炸加載方式雖然可以有效縮短扭轉(zhuǎn)波升時(shí)以實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變率加載，但是實(shí)驗(yàn)具有一定的隨機(jī)性，難以精確控制波形，因此并沒有得到廣泛應(yīng)用。直接撞擊加載是指通過一個(gè)單獨(dú)的SHPB裝置替代子彈來撞擊另一個(gè)帶有特殊銷柄的入射桿來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波，這種方式可以有效控制扭轉(zhuǎn)波，但是并不適用于大直徑TSHB實(shí)驗(yàn)裝置，因?yàn)殡S著直徑的增大，這種加載方式會(huì)導(dǎo)致桿截面上產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力不均勻現(xiàn)象。姜錫權(quán)和方秦研制的飛輪驅(qū)動(dòng)加載和電磁驅(qū)動(dòng)加載方式[84]分別適用于應(yīng)變率為10-3～1 s-1和10～102s-1下的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成功率也相對較高，但是能否適用于大直徑TSHB裝置還需要進(jìn)一步的研究。由此可見，大直徑TSHB裝置還有諸多問題需要克服和解決。

3 大直徑Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的推廣應(yīng)用

3.1 集束式Hopkinson桿

為了消除大直徑桿所帶來的幾何彌散效應(yīng)，可以采用桿束的形式來代替單根大直徑桿?；谶@種思想，位于意大利的歐盟ISPRA聯(lián)合研究中心針對核能反應(yīng)裝置的動(dòng)態(tài)安全實(shí)驗(yàn)需要，研制了由25根細(xì)桿組合而成的200 mm×200 mm捆綁式束桿(見圖12)，并開展了混凝土結(jié)構(gòu)抗拉伸破壞的實(shí)驗(yàn)研究[85]。實(shí)驗(yàn)時(shí)將尺寸為200 mm的正方體混凝土試件用環(huán)氧樹脂與桿件進(jìn)行膠粘連接，然后使用液壓氣動(dòng)裝置給高強(qiáng)鋼絲纜施加一個(gè)預(yù)應(yīng)力來儲(chǔ)存彈性勢能，最后通過爆炸螺栓的斷裂來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力脈沖加載。

圖12 200 mm×200 mm的集束式SHPB實(shí)驗(yàn)裝置[85]Fig.12 200 mm×200 mm Hopkinson bar bundle device[85]

實(shí)驗(yàn)過程中每一對小桿對應(yīng)于混凝土試件某一區(qū)域，通常可以根據(jù)該部位的破壞形態(tài)分為3種狀況，即未破壞(反射波較小而透射波較大)、完全破壞(透射波十分微弱而反射波幾乎等同于入射波)、部分破壞(反射波和透射波介于前兩種狀況之間)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用束桿形式可以更準(zhǔn)確地定義混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，而且通過每對小桿采集到的數(shù)據(jù)可以推算出混凝土破碎過程中不同位置處裂紋的演化路徑[86]。Albertini等[87]認(rèn)為混凝土材料具有明顯率效應(yīng)：一方面因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)載荷作用下裂紋往往會(huì)切斷粗骨料，這種裂紋擴(kuò)展方式會(huì)消耗更多的能量；另一方面相對于靜載實(shí)驗(yàn)而言，沖擊載荷作用下試件內(nèi)部存在多條裂紋同時(shí)擴(kuò)展演化。因此，混凝土試件的局部力學(xué)分析研究對于重構(gòu)材料真實(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，特別是應(yīng)變軟化階段的校正是很有必要的，相應(yīng)的結(jié)果在評估工程應(yīng)用中材料的吸能效果具有重要意義。

由于該裝置沒有使用傳統(tǒng)的子彈撞擊入射桿的形式進(jìn)行加載，而是選擇儲(chǔ)能釋放的方式施加應(yīng)力脈沖，導(dǎo)致應(yīng)力脈沖持續(xù)時(shí)間長達(dá)40 ms[88]. 這樣一方面使得入射波和反射波在有限的桿件長度內(nèi)有部分重疊，影響實(shí)驗(yàn)精度，另一方面過長的脈沖前沿升時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率。而且混凝土試件沿桿件軸線方向的厚度過長(200 mm)，在實(shí)驗(yàn)過程中滿足應(yīng)力均勻性假定是較為困難的。

我國寧波大學(xué)也利用導(dǎo)軌式大型落錘式?jīng)_擊裝置設(shè)計(jì)了一套Hopkinson束桿動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[89]，如圖13(a)所示，圖中v0為撞擊速度。由于豎直捆綁式束桿裝置占用空間太大，安裝維修困難、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作量大、耗時(shí)長，且升降入射束桿困難，放置混凝土試樣及束桿和撞擊桿的調(diào)節(jié)對心困難等原因，現(xiàn)在已將其改造成一種臥式SHPB束桿實(shí)驗(yàn)裝置[90]，并在入射桿端使用轉(zhuǎn)接塊來保證每根桿同時(shí)加載，如圖13(b)所示。由于桿件采用彈性模量和屈服強(qiáng)度相對較低的鋁合金制作，目前該裝置主要用于一些強(qiáng)度較低的輕骨料混凝土(如陶粒混凝土[91])動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

圖13 寧波大學(xué)兩種不同的集束式Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置[89-90]Fig.13 Two Hopkinson bar bundle devices[89-90]

圖15 集束式2×2(40 mm×40 mm)Hopkinson拉桿裝置方案圖Fig.15 Schematic diagram of 2×2 (40 mm×40 mm) Hopkinson tensile bar bundle

目前現(xiàn)有的Hopkinson束桿裝置形式較為單一且沒有廣泛地進(jìn)行推廣使用，裝置中仍然存在許多問題需要進(jìn)行研究、優(yōu)化與改進(jìn)。例如，為了減小對束桿脈沖傳播的影響，可以選用波阻抗相對較低的聚碳酸酯卡箍固定。針對集束式Hopkinson拉桿實(shí)驗(yàn)裝置，為了更好地適應(yīng)集束式方形輸入桿結(jié)構(gòu)，可以采用炮管和撞擊子彈均為方形的發(fā)射裝置(見圖14)。為了方便針對同一種試件分別采用集束式和圓桿式桿件進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，克服單一圓桿式實(shí)驗(yàn)裝置適用范圍小的缺點(diǎn)，可以研究雙桿制壓桿/扭桿實(shí)驗(yàn)裝置，從而根據(jù)需求選用不同形式的桿件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(集束式或圓桿式)。目前任輝啟團(tuán)隊(duì)正在開展這方面的相關(guān)研究，圖15所示為研制中的集束式2×2(40 mm×40 mm)Hopkinson拉桿裝置方案圖。

圖14 方形炮管及子彈局部放大圖Fig.14 Gun barrel and striker in square tube shape

這種采用多根小桿來替代單根大直徑桿的方式可以有效地解決實(shí)驗(yàn)中存在的幾何彌散效應(yīng)，而且通過單次實(shí)驗(yàn)可以獲得多組數(shù)據(jù)，能夠反映試件中不同位置處的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。束桿裝置中要求桿與桿之間相互獨(dú)立、互不干擾，從而減少波系交叉的影響，對實(shí)驗(yàn)裝置的加工精度要求較高。另一方面，如果采用傳統(tǒng)的測試手段，則需要在每一對入射桿和透射桿上粘貼電阻/半導(dǎo)體應(yīng)變片，增加實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜程度。對于上述的5×5或4×4束桿，實(shí)驗(yàn)過程中容易發(fā)生桿系之間的碰撞擠壓，導(dǎo)致應(yīng)變片的損壞，而且更換也比較麻煩，相對而言，適當(dāng)提高單根小桿的尺寸并采用2×2束桿的簡易方式能緩解這種現(xiàn)象。此外，隨著各種新興測量技術(shù)的推廣使用，如聚偏二氟乙烯(PVDF)應(yīng)力計(jì)的應(yīng)力直接測量技術(shù)、基于超高速相機(jī)的數(shù)字相關(guān)性(DIC)全場應(yīng)變分析技術(shù)等，應(yīng)當(dāng)在束桿實(shí)驗(yàn)中采用其他測量技術(shù)與每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效性的同時(shí)，可以分析整體與局部之間的關(guān)系和影響。

3.2 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)SHPB技術(shù)

圖16 真三軸靜載下動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置[110]Fig.16 Dynamic experimental device under static triaxial loading[110]

由于混凝土和巖石等工程材料在實(shí)際應(yīng)用中往往處于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，為了開展這方面的研究，需要對傳統(tǒng)的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。目前基于SHPB實(shí)驗(yàn)裝置的三軸應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，可以根據(jù)圍壓形成的原理分為主動(dòng)圍壓技術(shù)和被動(dòng)圍壓技術(shù)。被動(dòng)圍壓技術(shù)通過使用套筒來約束試件在軸向變形時(shí)伴隨的徑向膨脹(泊松效應(yīng))實(shí)現(xiàn)[92]，實(shí)驗(yàn)過程中圍壓會(huì)隨著試件的變形而變化。實(shí)際上對于松散的砂土類材料而言，套筒不僅僅是施加圍壓的工具，更是試件裝填成型與桿件連接所必不可少的裝置[93]，例如近年來對珊瑚砂動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的SHPB實(shí)驗(yàn)研究則都需要使用套筒來進(jìn)行試件裝填[94]。Forquin等[92]的研究表明厚壁圓筒會(huì)因?yàn)樵嚇拥臄D壓出現(xiàn)不均勻凸出變形，因此若想獲得材料在一維應(yīng)變狀態(tài)下的徑向應(yīng)力，不僅需要在套筒上測量其外表面的環(huán)向應(yīng)變，還要對測量結(jié)果進(jìn)行參數(shù)修正[95]，給數(shù)據(jù)處理帶來困難。主動(dòng)圍壓技術(shù)能產(chǎn)生可調(diào)控圍壓，即通過油缸等裝置預(yù)先給試件施加一個(gè)圍壓，再進(jìn)行軸向沖擊加載，現(xiàn)已用于花崗巖[96]、凍結(jié)黏土[97]及混凝土[98]的動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中。李夕兵等[99]研制出一種動(dòng)靜組合加載的SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，并研究了巖石在復(fù)合應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[100]。為了保證試件受軸向沖擊過程中其圍壓保持恒定，張磊等[101-102]基于φ100 mm SHPB實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了一套對試件預(yù)加靜水壓且軸向沖擊中能保持圍壓恒定的主動(dòng)圍壓裝置，并對混凝土和鋼纖維混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

王禮立等[7]指出，主動(dòng)圍壓技術(shù)實(shí)質(zhì)上是單軸沖擊壓力與兩軸靜壓的組合，并不是嚴(yán)格意義上的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)。Hummeltenberg等[103]設(shè)計(jì)的二維正交式SHPB裝置和Cadoni等[104]設(shè)計(jì)的三維正交式SHPB裝置目前也主要用于兩軸靜載加壓與一軸動(dòng)載加壓相組合的情況。雙向或者三向同時(shí)施加沖擊載荷具有一定的理論研究意義，但是以傳統(tǒng)的機(jī)械裝置來控制微秒級別的應(yīng)力脈沖同時(shí)到達(dá)試件在實(shí)施起來具有諸多困難。Nie等[105]研制了一種使用電磁能量轉(zhuǎn)換技術(shù)來產(chǎn)生應(yīng)力脈沖的裝置，可以在幾微秒內(nèi)觸發(fā)產(chǎn)生壓縮波或拉伸波，實(shí)現(xiàn)了對試樣進(jìn)行同步對稱加載[106]，但目前還沒有應(yīng)用于巖石、混凝土等材料的大直徑雙軸/三軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)中。

隨著深地下防護(hù)工程的建設(shè)與發(fā)展，亟需研究混凝土、巖石等材料處于真實(shí)地應(yīng)力水平(σx≠σy≠σz)下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。然而一般情況下，主動(dòng)圍壓裝置所施加的初始靜載從側(cè)向等圍壓狀態(tài)(σy=σz)到三向壓力相等的狀態(tài)(σx=σy=σz)其實(shí)與實(shí)際情況不符，因此需要研制一種能對真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載的實(shí)驗(yàn)裝置[107]?；凇吧盥駧r石所受的地震等載荷主要來自于某一個(gè)方向”這一事實(shí)，徐松林等[108-109]和Liu等[110]設(shè)計(jì)了一套能使立方體試件處于真三軸靜載條件下，然后在某一方向施加沖擊載荷的三維Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置(見圖16)。該裝置不僅能解決主動(dòng)圍壓技術(shù)中的壓力穩(wěn)定性問題，而且可以在三軸方向上提供不同的靜載條件，得到試件在3個(gè)方向上的動(dòng)態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系，準(zhǔn)確揭示混凝土、巖石在不同應(yīng)力路徑下的動(dòng)態(tài)破壞強(qiáng)度和機(jī)制，具有重要的工程意義。不僅如此，徐松林等[111]進(jìn)一步改進(jìn)了該裝置，將沖擊方向的入射桿和透射桿更換為中空方桿，研究了C30混凝土試件在真三軸靜載作用下的低速抗侵徹性能，為研究侵徹作用下材料的各向異性特性提供了一種有效的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

為了在傳統(tǒng)的SHPB裝置上對材料進(jìn)行復(fù)合應(yīng)力加載，Rittel等[112]在短圓柱試件的中間部分開有沿縱軸45°方向的兩條斜槽，這樣沿軸線方向動(dòng)態(tài)壓縮時(shí)試件的開槽部位將同時(shí)承受壓剪復(fù)合應(yīng)力加載。由于開槽部位會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，Dorogoy等[113-114]優(yōu)化了試件形狀將溝槽底部設(shè)計(jì)為半圓形，并進(jìn)行了動(dòng)態(tài)壓剪和動(dòng)態(tài)拉剪實(shí)驗(yàn)。Xu等[115]也針對塊體材料設(shè)計(jì)了一種雙剪切試樣形狀及其夾持裝置，但目前該類技術(shù)主要用于小直徑SHPB裝置以及易于加工成型的金屬類材料，具有一定的局限性。

Hou等[116]針對軟質(zhì)多孔材料的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)需求，將φ60 mm的尼龍桿改造成末端帶有一定傾角的斜面形狀(見圖17(a))，通過有限元分析驗(yàn)證了這種設(shè)計(jì)的有效性，并在15 m/s的沖擊速度下對鋁蜂窩材料進(jìn)行了加載角度0°～60°范圍內(nèi)的系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著傾角的增大，試樣的應(yīng)力峰值會(huì)顯著減小。為了對巖石類材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓剪實(shí)驗(yàn)，Xu等[117]將φ74 mm的直錐變截面桿末端加工成了帶有兩個(gè)斜面的特殊形狀(見圖17(b))，通過鋼材料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性，最后分析了花崗巖在動(dòng)態(tài)壓剪作用下的應(yīng)變率效應(yīng)和加載路徑相關(guān)性。這種實(shí)驗(yàn)方法相對于主動(dòng)圍壓和被動(dòng)圍壓技術(shù)而言比較簡單，但是切應(yīng)力的產(chǎn)生依賴于試件與桿件之間的剪切摩擦，大小受到一定的限制，仍然需要改進(jìn)與優(yōu)化。圖17中，θ為試件與加載方向的夾角，F(xiàn)0為作用在前端面的總作用力，F(xiàn)n和Fs分別為加載在巖石試樣上的法向力和切向力。

圖17 兩類大直徑Hopkinson桿壓剪復(fù)合加載裝置[116-117]Fig.17 Two types of combined shear-compression devices of large-diameter Hopkinson bar [116-117]

3.3 高溫下大直徑SHPB技術(shù)

混凝土作為民用建筑和防護(hù)工程常用的建筑材料，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮火災(zāi)和爆炸等極端載荷作用的威脅，為了開展這方面的研究，科研人員開始利用大直徑SHPB技術(shù)進(jìn)行高溫混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。Li等[118]、Huo等[119]、施勁松等[120]對高溫作用后的混凝土進(jìn)行了沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)，即首先使用電阻爐對混凝土試件加熱至指定溫度，澆水冷卻并靜置一段時(shí)間后對其進(jìn)行SHPB實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，高溫作用后的混凝土應(yīng)變率敏感性有所下降，400 ℃后其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著溫度的增加而急劇下降，且試件破壞程度和碎片數(shù)目隨著溫度的增加而增加。

近年來，已有研究人員逐步開展對混凝土試件加熱到指定溫度后立即進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究。在以往常規(guī)的高溫SHPB實(shí)驗(yàn)中，有研究者對局部壓桿和試件共同加熱，采用這種方法會(huì)導(dǎo)致入射桿和透射桿中波阻抗的變化，給實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理帶來麻煩[121]；也有研究者采用快速對桿法，即先將試件加熱到指定溫度，然后驅(qū)使透射桿與試件接觸，并在入射桿中壓力脈沖到達(dá)末端前的幾分之一秒內(nèi)，使試件與入射桿接觸[122]。采用快速對桿法雖然可以避免彈性桿中過大的溫度梯度變化，但使用的機(jī)械組裝裝置改造復(fù)雜，同步組裝不易實(shí)施，而且在實(shí)驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格控制應(yīng)力脈沖的到達(dá)時(shí)間，具有一定的難度。針對目前存在的不足，范飛林等[123]設(shè)計(jì)了具有箱式預(yù)熱爐和管式實(shí)時(shí)加熱裝置的φ100 mm SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，可將試件實(shí)時(shí)加熱至1 000 ℃，而且整個(gè)爐體可沿軌道前后、左右滑動(dòng)以保證試件與壓桿的定位校準(zhǔn)。結(jié)果表明這種裝置可以將冷接觸時(shí)間控制在0.5 s以內(nèi)，當(dāng)試件溫度為800 ℃和1 000 ℃時(shí)，壓桿端部的溫度最大值為105 ℃和126 ℃，均在可忽略范圍內(nèi)。

4 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外已經(jīng)使用常規(guī)的大直徑SHPB裝置進(jìn)行了諸多實(shí)驗(yàn)研究，取得了大量的科研成果，但仍存在一定的不足，大直徑Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍需解決的問題和研究方向主要包含以下3點(diǎn)：

1) 大直徑拉桿與大直徑扭桿的推廣使用?；炷恋却嘈圆牧虾蛷?fù)合材料在拉伸、剪切作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究仍然有許多問題需要克服，目前大直徑拉桿和扭桿實(shí)驗(yàn)裝置都面臨著一個(gè)同樣的難點(diǎn)，即試件與入射桿和透射桿之間的連接和裝配問題，需要設(shè)計(jì)出能同時(shí)保證試件牢固夾持以及與桿系同軸同心的夾具等配套設(shè)施。此外，由于拉伸波也是一種縱波，大直徑拉桿也同樣面臨著傳統(tǒng)大直徑SHPB實(shí)驗(yàn)中存在的幾何彌散效應(yīng)和應(yīng)力均勻性問題。對于大直徑扭桿而言，如何對現(xiàn)有的加載裝置進(jìn)行改善，縮短扭矩釋放時(shí)間，對材料在剪切作用下進(jìn)行高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)也是一個(gè)值得探索的問題。

2) 集束式Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)一步研究。采用束桿的方式可以使每對入射桿滿足一維應(yīng)力假定，但是當(dāng)多根入射小桿作用時(shí)，它們之間的波系交叉影響應(yīng)進(jìn)行深入研究[124]，而且轉(zhuǎn)接塊的材質(zhì)和厚度也對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要影響。束桿實(shí)驗(yàn)中需要保證每根小桿中的應(yīng)力波同時(shí)到達(dá)試件，否則將對試件的應(yīng)力均勻性產(chǎn)生不利影響。由于裝置中存在多對入射桿和透射桿，傳統(tǒng)的量測手段具有一定的局限性，難以保證多根桿中的應(yīng)力波同時(shí)測量，可結(jié)合高速攝影技術(shù)或激光光通量位移計(jì)等方法以保證量測結(jié)果的有效性。在以后的研究中，可以使用應(yīng)力波理論分析結(jié)合數(shù)值仿真的方法，研究桿與桿之間的接觸對應(yīng)力波傳播的影響程度，并給出相應(yīng)的解決措施或數(shù)據(jù)修正方法。對于不同材質(zhì)和不同長度的束桿裝置，卡箍的材料選擇以及固定支座的設(shè)置數(shù)量可以繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，隨著細(xì)觀損傷力學(xué)的發(fā)展，人們對材料內(nèi)部的破壞過程越來越感興趣，已有研究者將X射線掃描技術(shù)應(yīng)用于SHPB實(shí)驗(yàn)中[125]，而束桿裝置能夠獲得材料不同位置處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線，在這方面的研究相對于傳統(tǒng)的大直徑裝置更有優(yōu)越性。

3) 研究材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和極端環(huán)境下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能仍然是Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來材料在高溫下的動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，但實(shí)驗(yàn)技術(shù)仍待進(jìn)一步提高。對于三軸動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置而言，如何保證正交傳播的壓縮與拉伸應(yīng)力波同時(shí)到達(dá)試件是關(guān)鍵的技術(shù)問題[7]。目前SHPB實(shí)驗(yàn)中的高溫實(shí)驗(yàn)和圍壓實(shí)驗(yàn)通常是兩個(gè)相對獨(dú)立的研究課題，如何對材料在高溫和圍壓共同作用下進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)值得深入研究，這對于諸如高溫巖體地?zé)衢_發(fā)及核廢料的地下處置等實(shí)際工程問題具有重要意義。另外，如何使用大直徑Hopkinson桿實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行100～102s-1的中高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)和103s-1以上的高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)仍需進(jìn)一步研究。