
Раздельный стержень давления Гопкинсона (SHPB)
Раздельный стержень давления Гопкинсона (SHPB) — это уникальный инструмент, который используется для изучения динамической реакции материалов на различные нагрузки, такие как напряжение и деформация. Этот метод испытаний был назван в честь Бертрама Хопкинсона, который впервые предложил его в 1914 году. Иногда его также называют стержнем Кольского, так как Герберт Кольский в 1949 году усовершенствовал оригинальную концепцию, добавив новые технологии и методы.
История
Стержень давления Хопкинсона был разработан для измерения распространения импульса напряжения в металлических образцах. В 1948 году Ризиарт Морган Дэвис предложил использовать электронно-лучевой осциллограф и конденсаторные устройства для регистрации волн давления, что стало основой для дальнейших усовершенствований. Кольский, используя два последовательных стержня, смог более точно измерять напряжение и деформацию, что открыло новые горизонты в области материаловедения.
С тех пор метод SHPB претерпел множество изменений и улучшений, что позволило проводить испытания на растяжение, сжатие и кручение. Эти усовершенствования сделали его незаменимым инструментом в исследовательских лабораториях и на производственных предприятиях.
Принципы работы
Основной принцип работы раздельного стержня давления Гопкинсона заключается в том, что образец помещается между двумя стержнями: падающим и проходящим. Когда падающий стержень ударяется, создается волна напряжения, которая распространяется к образцу. Эта волна, известная как падающая волна, при достижении образца разделяется на две меньшие волны: проходящую и отраженную. Проходящая волна вызывает пластическую деформацию в образце, в то время как отраженная волна возвращается обратно по падающему стержню.
Современные установки SHPB используют тензодатчики для измерения деформаций, вызванных этими волнами. Предполагая, что деформация образца однородна, можно рассчитать напряжение и деформацию по амплитудам падающей, прошедшей и отраженной волн.
Испытания на сжатие
Испытания на сжатие с использованием SHPB проводятся с помощью двух симметричных стержней, между которыми помещается образец. В процессе испытания падающий стержень подвергается удару от специального ударника, который выстреливается из газовой пушки. При этом переданный стержень сталкивается с ловушкой импульса, обычно выполненной из мягкого металла. Тензодатчики устанавливаются как на падающий, так и на передающий стержни, что позволяет точно измерять деформацию образца.
Испытания на растяжение
Испытания на растяжение в системе SHPB более сложны, чем испытания на сжатие, из-за различий в методах нагружения и крепления образца. Первый стержень для испытаний на растяжение был разработан и испытан Хардингом и его коллегами в 1960 году. В этой конструкции использовался полый стержень, который соединялся с хомутом и резьбовым образцом внутри. Удар по стержню создавал волну растяжения, которая затем отражалась от свободного конца.
Николс также внес значительный вклад в развитие метода, используя типичную установку сжатия и резьбовые металлические образцы. Он поместил композитный воротник поверх образца, что позволяло избежать начальной волны сжатия. Это обеспечивало более точные результаты испытаний на растяжение.
В 1984 году Огавой был предложен новый метод, при котором полый боек использовался для удара по фланцу, имеющему резьбу. Этот метод также позволял прикреплять образец к падающему и передающему стержням с помощью резьбы, что обеспечивало надежное соединение.
Испытания на кручение
Испытания на кручение также имеют свои особенности. Существует несколько методов крепления и нагружения образцов при кручении материалов на SHPB. Один из них называется методом сохраненного крутящего момента. В этом случае средняя часть падающего стержня зажимается, в то время как крутящий момент прикладывается к свободному концу. Падающая волна создается путем внезапного отпускания зажима, что отправляет торсионную волну к образцу.