基于SHPB装置的膨胀圆柱管实验技术

    金属壳体在冲击载荷作用下的断裂时间和断裂过程预测是工程实践和武器研究中非常关注的问题。很多工程问题，如导弹、炮弹、壳体战斗部外壳的膨胀断裂，输油、输气管道和压力容器的爆裂。核电站防护层和管道材料的辐射脆化、热冲击安全、建筑物和结构中壳体部件抗冲击能力评估等，都涉及结构的动态断裂性能评估和灾后对策问题，因此研究金属壳体的动态断裂行为，一直受到重视。早在２０世纪４０年代，Ｎ．Ｆ．Ｍｏｔｔ、Ｇ．Ｉ．Ｔａｙｌｏｒ、Ｒ．Ｇｕｒｎｅｙ等就对壳体内部向外爆轰加载条件下的断裂问题做过深入的研究，分别提出了Ｍｏｔｔ碎片分布公式［１］、Ｔａｙｌｏｒ断裂模型［２］和Ｇｕｒｎｅｙ碎片初始速度经验公式［３］，随后Ｄ．Ｇｒａｄｙ［４］总结并进一步推进了这方面的研究。

    目前普遍采用膨胀管或膨胀环实验技术对薄壁圆柱管（环）进行实验研究［５－７］。膨胀管和膨胀环实验技术的测试手段分别为高速摄影技术［５］和ＶＩＳＡＲ（或ＤＩＳＡＲ）［６－７］，通过分析圆管（环）径向膨胀速度（或位移）时程曲线，获取圆柱管（环）径向膨胀运动状态，包括径向膨胀应变和应变率等，加载应变率在１０^４～１０^６ｓ^－１。此外膨胀环还可用于材料在高应变率拉伸加载下的本构关系研究。膨胀管（环）实验回收碎片的断口扫描和金相分析一般用于获得断口形貌及碎片内部的金相特征，辅助开展圆柱管膨胀断裂机理研究，但由于难以实施冻结回收，因此不能有效观察裂纹萌生和扩展过程。Ｒ．Ｅ．Ｗｉｎｔｅｒ［８］将Ｔａｙｌｏｒ杆加以改进，在圆柱管内填充尼龙，通过尼龙被子弹撞击挤压后的膨胀作用，实现对圆柱管的膨胀加载，但仍旧无法对试样进行冻结回收。为了更直观地研究圆柱管在高应变率加载下膨胀断裂的断裂机理，必须发展一套有效的冻结回收实验技术，以便展示圆柱管的膨胀断裂过程，更深入地研究其断裂机理。

    本文中，采用改进的霍普金森压杆实验装置，通过调节载荷脉宽来控制圆柱管径向膨胀变形量，获得不同膨胀状态的回收圆柱管。除实时监测圆柱管膨胀过程中凸起最严重位置处的径向应变、应变率外，还发展凸起最严重位置处环向应力及内压载荷的测量能力，并提供断裂时刻的准确判断方法。

    １　实验原理

    实验装置为改进的霍普金森压杆［９］，如图１所示，实验中透射强度很低，故去掉吸收杆。实验装置通过轴向压缩填充材料，实现对圆柱管的径向膨胀加载。调节入射杆端部凸起部分与制动块之间的间距可控制样品加载位移量，实现冻结回收。在圆柱管入射端外壁面环向粘贴应变片可检测圆柱管断裂时间。实验中，圆柱管膨胀变形前后对比如图２所示。与滑移爆轰实验［１０］类似，圆柱管受载后将沿轴向非均匀膨胀变形，并且凸起膨胀位置随载荷增加沿轴向移动。圆柱管凸起最严重位置是圆柱管最容易发生破坏的位置，也是研究关注的位置，因此，实验中也最为关心圆柱管凸起变形最严重位置处的应力、应变、应变率。