基于SHPB实验对橡胶材料研究力学性能的方法

宋长江，张 伟，林振荣，丑春鹤

徐州空军学院研管40队（221000）

橡胶材料具有良好的弹塑性,具有很好的缓冲吸能特性,是抗动载结构中常用的材料。

橡胶属于高聚物材料,具有高弹性、低阻抗、粘弹性等力学性能,在汽车、船舶、电子、建筑及机械工业等行业中常用作冲击吸能和抗震材料,具有重要的社会价值和经济价值。

1 SHPB原理与试验技术

SHPB试验系统在进行材料动态力学性能试验时，要求波导杆(包括输入杆与输出杆)在试验过程中始终保持弹性，系统的主要假设是一维应力假设[1]和均匀性假设。一维假设要求试件与波导杆中应力是一维的，只存在轴向应力，应力波在波导杆中的传播满足一维弹性应力波理论。均匀性假设要求压杆材料是均匀的，杆在变形时横截面保持平面，沿截面只有均布的轴向应力。

一维假定认为应力波在细长杆传播过程中,弹性杆中的每个横截面始终保持平面状态;应力均匀假定认为应力波在试件中反复 2～3个来回，试件中的应力处处相等[2]。由此可利用一维应力波理论确定试件材料的应变率、应变ε(t)和应力σ(t):

式中:C0为弹性波在杆中的波速；L0为试件实验段的长度；A为杆的初始横截面积；A0为试样的初始横截面积；E0为杆的初始模量。

2 橡胶弹性模量的测定

将橡胶材料制成圆柱模型,端面要求平整,与轴线垂直,并记下其厚度及直径。两段面涂上凡士林后夹在输入杆和输出杆之间进行试验。当子弹撞击输入杆时，产生一梯形应变脉冲，对夹在两杆间的试件加载，同时产生反射波和透射波。这三个应变脉冲由粘贴在压杆上的电阻应变片感受并经超动态应变仪转换成电信号后被微机采集、记录下来。记录下子弹速度。在微机按预先编制的程序对实验中测得的应变波形数据进行处理,即可获得所需要的实验结果和曲线数据。通过微机用SHPB的应用软件处理后，得到试件应力应变曲线，其开始直线段的斜率即为其弹性模量。

3 橡胶吸能系数的测定

橡胶材料在承受动态载荷作用下,随着应变率和围压的增加,水泥石的非线性变形明显增加。因此,在动态条件下,为了衡量水泥石破坏的难易程度,除采用破坏强度和弹性模量外,还采用破碎吸收能。在这里我们采用SHPB测定水泥石破碎吸收能。设水泥石试件的入射波、反射波和透射波所带的能量分别为 wi、wr、wt,即:

式中A、C、E分别为压杆的横截面积、纵波波速和弹性模量;σi、σr、σt则为入射应力波、反射应力波和透射应力波。 若入射波、反射波和透射波的能量密度为wi、wr、wt,则在载荷作用周期内,试件单位体积的吸收能为WL=wi-(wr+wt),试件的应变能一般等于或小于吸收能。

目前常用来测量缓冲材料吸能特性的方法有三种:缓冲曲线法、吸能曲线法、能量吸收法,本文介绍用吸能曲线法研究橡胶材料的吸能性能,为了反映橡胶材料的吸能特性共性,研究橡胶试件的吸能特性,测试橡胶试件的吸能率[3]。如下公式:

E表示材料的吸能率,而I表示其理想吸能率。显然,E、I值越大,则说明材料的吸能效果越好。我们用上述计算公式计算出橡胶材料试件的吸能率和理想吸能率。

4 总结

1）由于橡胶材料的动载试验是破坏性试验，加上材质微观结构的相对不均匀性，因此与脆性材料的试验比较，橡胶材料试验曲线的离散性较大。

2）多功能SHPB材料动态性能测量装置及相应的配套系统,是研究和测量橡胶在高应变率下的力学性能的有效实验技术。

3）橡胶材料的动态应力-应变曲线具有典型塑性材料应力-应变曲线的特征。

[1]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.

[2]刘瑞堂,姜风春,张晓欣,等.用于材料动态力学性能研究的测试装置[J].哈尔滨工程大学学报,2001,20(1):42-45.

[3]顾红军,张伟.高聚物复合材料动力学性能实验研究[J].振动与冲击,2003,22(2):90-92.