Раздельный стержень давления Гопкинсона (SHPB), названный в честь Бертрама Хопкинсона, иногда также называемый стержнем Кольского, представляет собой аппарат для испытания динамической реакции материалов на напряжение и деформацию.
История
Стержень давления Хопкинсона был впервые предложен Бертрамом Хопкинсоном в 1914 году как способ измерения распространения импульса напряжения в металлическом стержне. Позже, в 1949 году, Герберт Кольский усовершенствовал технику Хопкинсона, используя два последовательных стержня Хопкинсона, теперь известные как расщепленный стержень Хопкинсона, для измерения напряжения и деформации, используя достижения в электронно-лучевом осциллографе в сочетании с электрическими конденсаторными устройствами для регистрации волны давления. распространение в стержнях давления, впервые предложенное Ризиартом Морганом Дэвисом годом ранее, в 1948 году.
Более поздние модификации позволили проводить испытания на растяжение, сжатие и кручение.
Операция
Хотя в настоящее время для раздельного стержня давления Хопкинсона используются различные установки и методы, основные принципы испытания и измерения одинаковы. Образец помещается между концами двух прямых стержней, называемых падающим стержнем и проходящим стержнем. На конце падающего стержня (на некотором расстоянии от образца, как правило, на дальнем конце) создается волна напряжения, которая распространяется через стержень к образцу. Эта волна называется падающей волной и, достигнув образца, разделяется на две меньшие волны. Одна из которых, проходящая волна, проходит через образец и попадает в проходящий стержень, вызывая пластическую деформацию в образце. Другая волна, называемая отраженной волной, отражается от образца и распространяется обратно по падающему стержню.
В большинстве современных установок на стержнях используются тензодатчики для измерения деформаций, вызванных волнами. Предполагая, что деформация образца однородна, напряжение и деформацию можно рассчитать по амплитудам падающей, прошедшей и отраженной волн.
Испытание на сжатие
Для испытания на сжатие два симметричных стержня располагаются последовательно, а образец между ними. Во время испытания падающий стержень подвергается удару ударника. Ударник выстреливается из газовой пушки. Переданный стержень сталкивается с ловушкой импульса (обычно это блок мягкого металла). Тензодатчики устанавливаются как на падающий, так и на передающий стержни.
Испытание на растяжение
Испытание на растяжение в раздельном стержне давления Хопкинсона (SHPB) более сложно из-за различий в методах нагружения и крепления образца к атакующему и передающему стержню. Первый стержень на растяжение был разработан и испытан Хардингом и др. в 1960 году; конструкция включала использование полого стержня веса, который был соединен с хомутом и резьбовым образцом внутри стержня веса. Волна растяжения создавалась путем удара по стержню веса с помощью тарана и отражения начальной волны сжатия в виде волны растяжения от свободного конца. Еще один прорыв в конструкции SHPB был совершен Николсом, который использовал типичную установку сжатия и резьбовые металлические образцы как на атакующем, так и на передающем концах, при этом помещая композитный воротник поверх образца. Образец имел плотную посадку на атакующей и передающей стороне, чтобы обойти начальную волну сжатия. Установка Николса создавала начальную волну сжатия путем удара по атакующему концу бойком, но когда волна сжатия достигала образца, резьба не нагружалась. В идеале волна сжатия должна была бы проходить через композитный воротник, а затем отражаться от свободного конца при растяжении. Затем волна растяжения тянула бы образец. Следующий метод нагрузки был революционизирован Огавой в 1984 году. Полый боек использовался для удара по фланцу, который имел резьбу, чтобы закончиться на падающем стержне. Этот боек приводился в движение с помощью газового пистолета или вращающегося диска. Образец снова был прикреплен к падающему и передающему стержню с помощью резьбы.
Испытание на кручение
Как и при испытании на растяжение, существуют различные методы крепления и нагружения образцов при кручении материалов на SHPB.
Один из способов приложения нагрузки, называемый методом сохраненного крутящего момента, заключается в зажиме средней части падающего стержня, в то время как крутящий момент прикладывается к свободному концу. Падающая волна создается путем внезапного отпускания зажима, который посылает торсионную волну к образцу.
Другой метод загрузки, известный как взрывная загрузка, использует заряды взрывчатого вещества на свободном конце падающего стержня для создания падающей волны. Этот метод особенно чувствителен к ошибкам, поскольку каждый заряд должен приложить равный импульс к падающему стержню (чтобы создать чистое скручивание без изгиба) и оба должны взорваться одновременно. Взрывная нагрузка также вряд ли приведет к появлению чистых падающих волн, что может привести к неравномерной скорости деформации на протяжении всего испытания. Однако этот метод имеет то преимущество, что имеет очень малое время нарастания по сравнению с методом накопленного крутящего момента.