● 摘要
分离式Hopkinson压杆实验装置（简称SHPB）是目前研究材料动态力学性能最基本的实验装置之一，广泛用于测量材料在高应变率下（102 ～104 /s）的动态力学特性参数。随着SHPB实验技术应用领域的拓宽，对SHPB实验设备和实验精度的要求日益提高。传统的SHPB实验由于引进了一维和均匀两个基本假设，其精度已经不能适应上述要求，改进和优化SHPB实验技术就显得尤为迫切，数值模拟在这方面正发挥着越来越重要的作用。本文应用Ansys/Ls- dyna有限元平台建立了SHPB实验装置的三维有限元模型，着重从单元选取、沙漏控制、最小时间步长、网格划分、接触设置以及初始加载等几方面讨论了有限元模拟的可靠性，并对SHPB实验技术中若干关键和重点问题进行了数值模拟分析。主要包括如下内容:（1）基于实验结果，建立了可靠的SHPB实验装置有限元模型，并分析了数值模型参数对其可靠性的影响，为分析SHPB实验技术提供了数值模拟平台。（2）采用数值计算的手段和分析方法研究了SHPB试验中的典型现象即波的弥散现象。分别考察不同压杆直径，不同加载波形形状的影响，分析了不同加载波在杆中的传播特性。为SHPB实验的波形选取提供了参考和依据。（3）采用数值计算的手段和分析方法研究了低、中、高应变率情况下，试件的几何特性和试件系统匹配问题对实验结果可靠性和精度的影响。试件的几何特性主要包括试件的长径比的选择，系统匹配主要包括试件直径和压杆径的匹配以及二者在实验过程中的由于偏心引起的匹配问题。（4）设计了微型变截面SHPB系统，分析微型变截面SHPB系统中应力波的传播规律，推导了应力波在锥形截面中的放大系数。采用数值计算考察了微型SHPB系统在低、中、高速撞击下材料的动态本构关系，并对比变截面系统与等截面系统应变率的变化规律，拓宽了实验的适用范围。关键词：SHPB实验装置，数值模拟, 弥散效应，微型SHPB系统
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