材料冲击弹塑性测量方案设计与实施

材料力学论文第四篇：材料冲击弹塑性测量方案设计与实施

 

　　摘要：该文针对安全和采矿专业的材料力学实验教学中缺乏冲击弹塑性实验的现状，设计了一种测量材料冲击弹塑性方案。采用冲击气炮和快速激光干涉仪进行了实施，实验中的样品是脆性岩石材料。实验结果显示在特定的冲击作用下的岩石表面粒子速度会呈现弹塑性两个阶段。随着冲击强度的增加，弹塑性阶段的表面粒子速度发展幅度发生显著变化，总体呈现冲击弹性强度随着冲击速度增加而增大。实践表明，实验方案的建成与实施丰富了材料力学的实践教学环节。

 

　　关键词：冲击弹塑性; 材料力学; 实验设计; 激光干涉;

 

　　Measurement on Impact-induced Elastic-plasticity by Laser Interferometer System

 

　　ZHANG Daiyu PU Chuanjin HAO Gaoyu LIN Moujin

 

　　School of Environment and Resources,Southwest University of Science and Technology Sichuan Key Laboratory of Impact Vibration of Engineering Materials and Structures,Southwest University of Science and Technology Equipment Management Office,Southwest University of Science and Technology

 

　　Abstract：This paper designs a material impact elastoplastic scheme for the lack of impact elastoplastic experiments in the teaching of material mechanics in safety and mining. It was carried out using an impact gas gun and a fast laser interferometer. The sample in the experiment was a brittle rock material. The experimental results show that the particle velocity of the rock surface under the specific impact will show two stages of elastoplasticity. With the increase of the impact strength,the development of the surface particle velocity in the elastoplastic phase changes significantly,and the overall impact elastic strength increases with the increase of the impact velocity. Practice shows that the completion and implementation of the experimental program enriches the practical teaching links of material mechanics.

 

　　根据最新的工程教育认证标准，高等工科教育中的实践环节越来越重要[1]；文献[2]中设计了杆件测试系统，并在材料力学的教学过程中进行了应用：他们设计了飞机机翼的材料力学模型，并对采用和不采用该模型的教学效果进行了对比，发现引进活动体验式的教学环节后，学生对材料力学知识的理解和记忆有明显增强。文献[3]的研究结果证实了理工教学中实验的重要意义。文献[4]在工程课程教学中采用工程技术项目激发学生学习能动性取得很好的效果。总的说来，高等教育中力学实验对教学效果的促进很明显。就材料力学实践教学现状来看[5,6]，通常的教学过程会设置金属材料的拉伸与静态压缩实验，该实验可以通过万能材料试验机实现，这种实验设置一般能够满足土木或机械类专业教学。从国外开发的料力学辅助教学环节来看，也主要集中在静态实验领域[7]。而对于后续课程中会经常涉及爆破、爆炸等快速变形概念的安全工程和采矿工程专业，材料的动态变形是其专业课程中经常遇到的重要组成部分。而现今这两个专业的材料力学教学中也只设置了静态弹塑性测试实验环节。这对于学生学习这两个专业的后续课程：如岩石力学、爆破设计以及特种条件下的安全设计等课程中涉及的冲击弹塑性的概念，会产生难以理解或理解不深刻的问题。有些国内材料力学实践教学环节中采用了软件模拟冲击变形的方案[8]，与真实实验比较，这种方案不能完整反映材料力学实验事实，还存在程序调试容易出错的缺点。之所以在现今的材料力学实验教学中无法体现冲击弹塑性的概念，原因主要有两个：

 

　　1）在现有的材料力学实验教学体系只考虑了通用工程教学，这种教学过程一般只涉及材料静态弹塑性概念；

 

　　2）过去部分高校开设材料力学冲击实验条件不足。

 

　　考虑到随着国内高校硬件建设逐步完善，部分高校已经具备了进行定量测试冲击动态实验的基础。因此有必要补充设计材料力学实验教学过程，填补冲击弹塑性测量的实验教学空白。这对促使学生深入理解冲击材料的弹塑性概念以及丰富实验教学内容、培养学生科学研究思维有特定的意义。

 

　　从实验设计的可行性来看，在现今的冲击实验中，通过爆破或霍普金森杆都可以达到材料冲击加载的目的，但爆破实验的实验数据采集和可重复性都要弱于气炮；气炮的数据采集过程比爆破安全，而实验操作过程和数据分析比霍普金森杆简单；因此完全可以采用气炮开发前述实验项目。

 

　　1 材料冲击弹塑性测量方案设计

 

　　实验冲击气炮是一种安全工程、采矿工程以及军事研究领域内研究材料冲击动态特性的高精尖设备，在爆破冲击和安全工程测试方面应用很广。西南科技大学工程结构冲击与振动实验室中拥有两门一级气炮，占地空间大，是西南片区口径最大的一级气炮。气炮产生冲击的动态实验原理是：实验中采用一个弹丸，冲击固定在封闭靶室内的靶[9]。被冲击的材料封装在靶内，经过冲击后的弹塑性变化被快速探测设备所记录。

 

　　具体方案如图1所示，在实验中弹丸飞行的动力来自高压气室；弹丸前端装有一撞击飞片，经过长度超过十米的炮管进行加速，飞出炮管之后撞到样品盒上，样品盒内装有待测材料。如图1所示，弹丸经过炮管加速后，会穿过一组固定在炮口处的同心线圈，在线圈内感生出电压，该电压通过电缆为快速示波器记录，根据线圈的感生信号和相邻线圈之间的距离，即可求出弹丸飞行的速度。弹丸飞行速度由高压气室的压强控制[9]，在一定范围内增大高压气室内的压强，弹丸飞行速度会有所增加。

 

　

　　图1 轻气炮冲击加载测量材料弹塑性变形的线路图  

 

　　为了观察到材料被冲击后内部的变化，实验中采用快速激光干涉的方法DISAR(displacement interferometer system for any reflector激光干涉测速仪）[10]测试材料冲击后界面的粒子速度变化来确定材料的变形。

 

　　这种实验方法是：实验中一束连续发射的强激光输入进DISAR系统，激光经过DISAR系统之后通过单模光纤进入样品后界面的光纤探头，激光通过光纤探头穿过透明窗口进入样品盒内，在样品后界面反射后再按照原路返回到DISAR系统内，当物体以速度u(t)相对探头运动时，根据多普勒效应，物体表面反射光的频率f0会产生变化。设物体朝向探头运动时，反射光的频率变为f0+fd，，其中fd，为多普勒频移，与物体运动速度u(t)成正比[9]，有：

 

　　式中，λ为激光波长。

 

　　图1中反射光相当于将速度引起的多普勒频移信息调制到激光频率上，将其和原始参考激光一起送到DISAR内的探测器，经光学混频后输出的拍频正好是多普勒频移fd。由此，通过DISAR系统的光学混频作用，可以直接测量多普勒频移。实验中DISAR系统可以将光信号转换成电压信号为数字示波器记录，示波器上电信号的周期改变历史即可反映上述的多普勒频移，算出频移改变历史后，可以通过式（1）计算出物体后界面的速度变化过程。

 

　　2 材料冲击弹塑性测量方案的实施

 

　　采用一级轻气炮和力科高精示波器（型号：LeC‐roy Wavepro 7Zi）、激光干涉测速仪实施本实验方案，实验中采用的样品为砂岩；之所以采用该材料，是因为本实验主要是为安全工程、采矿工程两个专业设计的；在材料力学的后续课程中会涉及岩石力学的冲击加载问题。如图2所示，为示波器记录的一次典型信号的有效部分。

 

　　图2 示波器记录的实验信号   

 

　　如图2所示，当实验材料中的应力波到达材料和透明窗口的接触界面处（图中A点处），信号呈现急剧变化的特征，从图中A点到B点对应的波形分布具有先稀疏再密集的态势。自A点之后，对应的材料后界面反射的激光波长减小，结合式（1），采用短时傅里叶变换的方法，编写程序对图2中记录的示波器信号进行变换，变换的结果如图3所示。

 

　　出于重复性考虑，一共进行两次实验，如图3(a）、（b）所示，其中图3(a）对应的弹丸碰撞速度是1 820 m/s，实验b对应的弹丸碰撞速度是350 m/s；上图显示：当冲击波到达样品后界面时，先是有一个接近零的时段（图3(a）、（b）中1点），然后有一个幅度很小的爬升的阶段到达一个小平台（从图3(a）、（b）中点1到点2），最后再从该平台上升至高平台3。根据文献[11]研究的冲击脆性材料的特征，以及文献[12]对现有脆性材料的冲击实验解读，以上三个阶段的速度变化对应的是岩石的弹性阶段及塑形阶段，从点1到点2是弹性波在样品中作用的结果，点2到点3是塑形波（有时称为失效波）作用的结果。该图显示，弹塑性特征与采用万能材料实验机测得的静态弹塑性波形有些类似，但需要注意的是，本文测得的是速度曲线，并未直接测出应力应变曲线；此外，图3中的曲线反映的是冲击后材料中应力波扫过样品后表面粒子速度的增长历史；该历史也与材料内的应力一一对应。根据文献[13]的研究结果，岩石材料的破坏与失效与冲击应变率有关。尽管岩石材料在静态压缩过程中塑性没有弹性阶段明显，但根据岩石等脆性材料的最新的研究结果显示[14,15]，在快速冲击作用下，塑形阶段发展比弹性阶段明显的多。图3显示，与塑形阶段相比，图中弹性阶段速度很低，说明在冲击作用下，岩石的弹性强度较小。随着岩石中应力波严重耗散，位错密度增加，岩石中的缝隙被错动破坏形成的微粒填充，岩石变得更加致密，强度变大，从而导致图3中塑形波的最高点比弹性阶段大的多。图3(a）、（b）两部分对比显示，不同冲击速度下弹塑性的发展也存在差别，在较高的冲击速度下（图3(a）），弹性起跳低，塑性阶段强度发展空间较大；对于较低速度的冲击（图3(b）），图3(b）中弹性阶段到达高度绝对值（图3(b）中点2）与图3(a）图中差不多，但塑性阶段发展的终点（图3(b）中点3）比图3(a）要低，这应该归于在不同冲击速度下，失效阶段所激发的不同结构黏性引起[16]，其详细机理有待进一步的理论分析。

 

　

 

　　图3 应力波作用下材料后界面粒子速度变化历史   

 

　　3 结束语

 

　　本文依托冲击气炮、快速激光干涉仪和高精度示波器，为本科材料力学实验环节设计了材料的动态弹塑性测量方案。实验的开发和实施为材料力学的后续课程岩石力学、爆破工程等课程中岩石的冲击动态破坏提供了知识储备，可以让安全、采矿工程学生在学习、理解这两门核心课程中爆破和冲击概念时更加深刻。此外，开展本实验可以提高同学开展科学研究的兴趣，根据文献[17,18]近年来的研究，学生在理工类课程的学习中，激发兴趣以及进入项目驱动的学习环节，对其动手能力的培养可以给予有力支撑。因此本实验的开展，对本科材料力学实践教学环节有重要的补足价值。

 

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