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DIC高速测量技术在霍普金森杆冲击测试中的应用

在各类工程技术、军事技术和科学研究中,工程材料可能会遇到像高速碰撞、爆炸这样的冲击加载情况,了解材料在冲击加载下的力学响应,有助于各类材料的工程应用和工程设计。

霍普金森杆实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

对于材料来说,其在爆炸/冲击载荷下的力学响应往往与静载荷下是不同的。与准静态实验相比,进行高应变率下的动态实验,依然是一个难题。霍普金森拉伸实验,对于有效并精确地获取材料的应变率相关的应力-应变曲线,是非常好的动态实验方式。

霍普金森杆实验在爆炸/冲击载荷下力学响应研究中极具价值,但试验中的应变测量一直是个难点,由于霍普金森杆的冲击速度非常快,需要非常快速(数MHz)的采集应变数据,传统方法采用接触式的应变片测量方法响应速度不够,无法满足高应变速率下的应变测量。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统搭配高速摄像机,可通过非接触的方式实现霍普金森杆实验中高速加载图像采集,进行三维全场变形和应变测量分析,从数据准确性、全面性和操作便携性等方面颠覆了传统测量方法,为霍普金森杆实验中的变形和应变测量提供了一个全新的标准解决方案。

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如下为采用XTDIC三维全场应变测量系统,搭配高速摄像机采集图像,分析岩石试样在霍普金森杆动态冲击下的断裂实验,DIC软件利用采集的图像分析获取材料的应力-应变曲线,以及试件变形位置及裂纹演化。

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实验采用两台超高速摄像机进行图像采集,高速摄像机采集数据频率为120000帧,获得全场应变,并选取断裂处关键点应变数据,进一步了解岩石材料抗压强度及耐久性能。实验分析结果有助于探索降低材料的脆性,改善其断裂性能方法。

1、圆柱岩石试样-端面撞击试验

岩石试样开裂前:如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,截取关键点应变数据为0.8189%,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆冲击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

岩石试样mises应变(等效塑性应变-确定材料经强化后屈服面的位置的物理量):如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,截取关键点应变数据为14.0000%,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆冲击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

岩石试样最大主应变:如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,截取关键点应变数据为13.2012%,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆冲击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

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2、圆柱岩石试样-曲面撞击试验

岩石材料霍普金森杆曲面撞击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg


岩石试样开裂前:如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆曲面撞击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

岩石试样mises应变(等效塑性应变-确定材料经强化后屈服面的位置的物理量):如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆曲面撞击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

岩石试样最大主应变:如下图所示,测得岩石试样三维全场变形和应变数据,截取关键点应变数据为14.3034%,并输出关键点应变曲线。

岩石材料霍普金森杆曲面撞击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

岩石材料霍普金森杆曲面撞击实验-新拓三维dic高速动态测量系统.jpg

动态载荷下的材料力学性能数值模拟,已在工程设计中发挥着重要作用,而进行数值模拟的前提,是要建立一个材料在各种应变率下的精确应力-应变曲线。

利用霍普金森杆拉伸实验,采用高速摄像机结合XTDIC三维全场应变测量系统,可采集在高速冲击载荷下的清晰图像,结合DIC软件分析岩石材料试件在动态荷载下的应力-应变曲线,分析其全场位移以及应变,整体数据可追溯,有助于材料的数值模拟,助力材料的工程应用和工程设计。

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