[论文解读] Use of the Kolsky Bar Method for Studying High-Rate Deformation Processes in Materials of Various Physical Natures

А. М. Брагов, А. К. Ломунов|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2020

High-Velocity Impact and Material Behavior参考文献 221被引用 5

一句话总结

本文评估了Kolsky杆方法在研究多种材料高应变率压缩变形中的应用，解决了惯性和摩擦引起的误差问题。提出了一套创新的改进方法，将该方法的应用范围扩展至脆性材料及其他材料，显著拓宽了动态加载条件下可测量的力学性能范围。

ABSTRACT

An analysis is presented of the applicability of the Kolsky technique for studying the high-rate deformation processes of structural materials under compression. Errors in the method caused by inertia and friction are estimated. Modifications of the Kolsky method for studying the properties of materials subjected to various stress-strain states are considered. Original modifications of the method are presented that significantly expand the range of mechanical properties that can be investigated. Issues connected with using the Kolsky method to study the properties of brittle materials are analyzed.

研究动机与目标

• 评估Kolsky杆方法在研究结构材料高应变率变形时的可靠性与局限性。
• 识别并量化由惯性和摩擦效应引起的Kolsky方法中的误差。
• 开发并验证适用于不同应力-应变状态材料的改进型Kolsky杆配置。
• 将该方法的适用性扩展至传统上难以使用常规装置测试的脆性材料。
• 通过创新的方法学改进，拓宽在动态加载条件下可测量的力学性能范围。

提出的方法

• 采用Kolsky杆（分裂Hopkinson压力杆）装置对材料进行高应变率压缩试验。
• 通过动态平衡模型和摩擦模型，对测量中的惯性和摩擦误差进行解析估算并予以校正。
• 提出改进的Kolsky杆配置，包括新型夹具和应变花设计，以适配不同材料类型和应力状态。
• 通过减小应力集中和优化试样几何形状，将该方法适配于脆性材料测试。
• 在入射杆和透射杆上粘贴应变花，以测量波传播并计算应力-应变历史。
• 数据处理包括波信号的反卷积处理，并应用修正系数以补偿非理想波传播和边界效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 惯性和摩擦如何影响Kolsky杆方法中应力和应变测量的准确性？
• RQ2 对Kolsky杆装置进行哪些改进可提高对不同物理特性的材料测量的可靠性？
• RQ3 Kolsky杆方法能否有效扩展至高应变率压缩条件下研究脆性材料？
• RQ4 标准Kolsky杆技术在测量不同材料类别动态力学性能方面存在哪些限制？
• RQ5 如何改进该方法以研究超出单轴压缩状态的复杂应力-应变状态材料？

主要发现

• 惯性和摩擦效应在应力和应变计算中引入可测量的误差，可通过解析模型进行量化和校正。
• 所提出的改进措施显著降低了测量不确定性，尤其适用于低塑性或高弹性模量的材料。
• 经改进的Kolsky杆装置实现了对脆性材料的可靠测试，这些材料以往因试样断裂和波反射问题而难以评估。
• 该方法的扩展应用范围使得能够表征包括屈服强度和应变率敏感性在内的多种动态力学性能，覆盖更广泛的材料谱系。
• 校正后的数据在高应变率下表现出更一致的应力-应变曲线，验证了改进措施的有效性。
• 研究表明，通过适当的校准和配置，Kolsky杆可可靠地应用于具有不同物理特性的材料，包括复合材料、陶瓷和金属。