李丹 ，戚炜炜
（安徽新华学院 土木与环境工程学院）
摘要：SHPB作为材料动态力学性能研究的主要实验装置，于1914年研制发展至今，经众多学者不断改进实验技术，丰富实验应用范围，实验技术成熟并广泛应用，但其实验精度、数据弥散、尺寸效应等问题还有待进一步探讨。岩石作为重要的工程材料，其静态力学性能研究已趋于完善，而动态力学性能成果不足，亟待研究。不少相关研究人员借助SHPB实验研究其动态力学性能。
关键词：SHPB；岩石；动态力学性能
中图分类号：O442 文献标识码：A
1.SHPB的发展历史
SHPB实验装置的历史可以追溯到1914年，由Hopkinson[1]提出SHPB(split Hopkinson pressure Bar)装置的原型，但当时仅能用来测量冲击荷载的脉冲波形。1949年Kolsky等人对该装置进行了改进，提出了采用分离式Hopkinson压杆技术来测量材料在冲击荷载作用下的应力－应变关系[2]；1974年Lindholm提出在两杆的表面测量应变代替电容传感器的测量[3]。最近十几年，众多学者在拓宽SHPB实验研究领域的基础上，结合实际及科研工作的要求，对SHPB实验装置进行针对性的改进，以满足不同材料的测试需要。例如：于亚伦[4]利用三轴SHPB实验装置，对岩石的动载特性、破坏机理及微观损伤机理进行了研究并建立相应的本构方程。Verleysen [5]推荐直径为25mm的铝杆，进行脆性材料冲击压缩试验；Tabaka [6]设计的杆式拉伸装置，将过去直接拉伸发展成为间接拉伸；薛青[7]对传统的Hopkinson扭杆进行改进，实现了单脉冲加载。Zhao[8]提出粘弹性SHPB技术，并对软材料动态力学性能进行研究。随着计算机技术发展，数据分析处理更加方便，SHPB实验装置应用也得到迅速发展，学者们陆续利用SHPB研究了许多问题，如试样尺寸、端部的摩擦效应、数据采集、波分离特性、横向惯性效应等等。
近一二十年来，欧美等国家相继出现了Φ50mm，Φ76mm，Φ100mm杆径的SHPB装置，我国在二十世纪80年代由中科院力学所率先引进SHPB装置，至今已有十多家国内相关单位购置了不同尺寸的SHPB装置，如总参三所(Φ100mm)、中国矿业大学(Φ74mm)及中国科学技术大学变截面直径Φ74mm和Φ50mm的SHPB装置。他们不仅利用SHPB实验测量材料的动态应力—应变关系，还将SHPB实验技术用于其他领域，例如：用于高G值加速度传感器的标定，火工品的安全性、可靠性的检测，以及炸药材料的压剪起爆临界点的测定[9]。
由于SHPB试验是一个近似试验，不少学者在实验技术修正方面也做了不少努力，如Follansbee、Frantz、王永刚、胡时胜、刘剑飞等。尽管研究成果颇多，但由于动态实验技术和材料动态力学性能本身的复杂性，使得人们对于这一实验技术的认识还不尽相同，这已成为制约SHPB实验技术进一步发展特别是向标准化发展的主要原因，这个困扰的解决还有赖于将来对SHPB实验技术的深入研究。
2.SHPB技术在岩石动态力学性能研究的应用
随着爆破、民防、军工研究工作的不断深入，人们越来越迫切需要得到岩石的动态力学参数，目前在岩石力学领域中，对岩石在静载作用下的破坏的研究比较深透，而对动载作用下特别是高应变率下的岩石破坏研究不足。
国内外科研工作者把SHPB技术引入岩石动态性能测试中，并开展了大量的开创性工作。例如：喻勇[10]利用Hopkinson拉杆研究了岩石拉抻破坏中的能量及损伤特征。戚承志[11]对弹塑性孔隙介质在冲击偏应力张量作用下的行为进行了研究。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆席道瑛等[12]对SHPB试验得到的实测波形运用拉格朗日分析和路径方法获得了大理岩和砂岩动态本构关系。Shan等[13]用SHPB试验研究了岩石单轴冲击过程的本构特性，得出岩石的冲击应—应变曲线在峰值前具有明显的跃进性。刘剑飞等[14]利用预留间隙法对岩石材料实施了高应变率动态试验，研究了岩石材料在动态和静态重复加载条件下的力学行为和泊松比。谢和平等[15]从热力学角度出发，结合岩石损伤力学与断裂力学的研究，阐述了岩石变形破坏过程中的能量耗散特点。
由于岩土材料是最典型的孔隙介质，利用SHPB技术进行其动态力学性能研究还存在很多问题，例如：大尺寸试样所带来的应力平衡、均匀化与波形弥散问题；试样在应力平衡前的过早破坏问题；试样的恒应变率加载与变形问题等。
3.展望
在这半个多世纪，SHPB实验技术取得了成功的应用，未来研究更大尺寸的SHPB装置已经成为必然，此外还可以拓宽SHPB装置的应用范围，如研究金属在高温条件下的应变率特性，合成材料、高分子材料的动态特性的研究，固体结晶的研究等等。为加强SHPB实验的精确度，需对影响动态实验数据精确性的相关因素进行更加深入、细致的研究，为实现恒应变率加载，需进一步研究波的整形技术。
岩石材料的强度增强机理同内在物理机制密切相关，故在试验研究中， SHPB实验装置有其局限性，未来更要运用CT、电镜扫描(SEM) 、声发射(AE) 等先进技术，从微观层次上对岩石动态破坏过程进行深入研究，揭示其在不同条件、不同尺寸的破坏机制的差异。积极引入新理论、新观点，借用数值模拟方法，采用一些新的分析手段，实现对岩石动态破坏过程的计算机模拟。
参考文献
[1]Kolsky H. An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading [J]. Proc Phys Soc，1949，B62：676-700．
[2]于亚伦．用三轴SHPB装置研究岩石的动载特性[J]．岩土工程学报，1992，14(3)：76-79．
[3] Tabaka K．The effect of temperature and strain rate 0n the strength of aluminum．Proc of 13th Japan Congress on Mate-sials Research[C]．Kyoto：[s.n.]，1970
[4] 薛青，沈乐天，陈淑霞等．单脉冲加载的Hopkinson扭杆装置[J]．爆炸与冲击，1996，16(4)：289-296．
[5] Zhao H，Gary G，Klepaczko J R．On the use of a viscoelatic split Hopkinson pressure bar[J]．Int J Impact，1997，19(4)：319-330．
[6]胡时胜.Hopkinson压杆实验技术的应用进展[J].实验力学，2005，20(4)：589-592．
[7]喻勇， 张宗贤， 俞沽等．岩石直接冲击破坏中的能量耗散及损伤特性[J].岩石力学与工程学报，1998，17(4)：386-392．
[8]戚承志，王明洋，钱七虎．弹粘塑性孔隙介质在冲击载荷作用下的一种本构关系——第二部分：在冲击载作用下弹粘塑性孔隙介质的畸变行为[J]．岩石力学与工程学报，2003，22(11)：1763-1766．
[9]席道瑛．郑永来，张 涛．大理岩和砂岩动态本构的试验研究[J].爆炸与冲击，1995，l5(3)：259-268．
[10]刘剑飞，胡时胜，胡元育，赵坚．岩石的动态压缩试验和力学性能试验[J].岩石力学与工程学报，2000，19(5)：618-621．
[11]谢和平，彭瑞东，鞠杨．岩石变形破坏过程中的能量耗散分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(21)：365-375．
论文作者:李丹 ，戚炜炜
论文发表刊物:《基层建设》2015年18期
论文发表时间:2015/11/6
标签：岩石论文; 动态论文; 装置论文; 力学论文; 材料论文; 技术论文; 应变论文; 《基层建设》2015年18期论文;