宋長(zhǎng)江，張 偉，林振榮，丑春鶴

徐州空軍學(xué)院研管40隊(duì)（221000）

橡膠材料具有良好的彈塑性,具有很好的緩沖吸能特性,是抗動(dòng)載結(jié)構(gòu)中常用的材料。

橡膠屬于高聚物材料,具有高彈性、低阻抗、粘彈性等力學(xué)性能,在汽車(chē)、船舶、電子、建筑及機(jī)械工業(yè)等行業(yè)中常用作沖擊吸能和抗震材料,具有重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 SHPB原理與試驗(yàn)技術(shù)

SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)在進(jìn)行材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，要求波導(dǎo)桿(包括輸入桿與輸出桿)在試驗(yàn)過(guò)程中始終保持彈性，系統(tǒng)的主要假設(shè)是一維應(yīng)力假設(shè)[1]和均勻性假設(shè)。一維假設(shè)要求試件與波導(dǎo)桿中應(yīng)力是一維的，只存在軸向應(yīng)力，應(yīng)力波在波導(dǎo)桿中的傳播滿足一維彈性應(yīng)力波理論。均勻性假設(shè)要求壓桿材料是均勻的，桿在變形時(shí)橫截面保持平面，沿截面只有均布的軸向應(yīng)力。

一維假定認(rèn)為應(yīng)力波在細(xì)長(zhǎng)桿傳播過(guò)程中,彈性桿中的每個(gè)橫截面始終保持平面狀態(tài);應(yīng)力均勻假定認(rèn)為應(yīng)力波在試件中反復(fù) 2～3個(gè)來(lái)回，試件中的應(yīng)力處處相等[2]。由此可利用一維應(yīng)力波理論確定試件材料的應(yīng)變率、應(yīng)變?chǔ)?t)和應(yīng)力σ(t):

式中:C0為彈性波在桿中的波速；L0為試件實(shí)驗(yàn)段的長(zhǎng)度；A為桿的初始橫截面積；A0為試樣的初始橫截面積；E0為桿的初始模量。

2 橡膠彈性模量的測(cè)定

將橡膠材料制成圓柱模型,端面要求平整,與軸線垂直,并記下其厚度及直徑。兩段面涂上凡士林后夾在輸入桿和輸出桿之間進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)子彈撞擊輸入桿時(shí)，產(chǎn)生一梯形應(yīng)變脈沖，對(duì)夾在兩桿間的試件加載，同時(shí)產(chǎn)生反射波和透射波。這三個(gè)應(yīng)變脈沖由粘貼在壓桿上的電阻應(yīng)變片感受并經(jīng)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后被微機(jī)采集、記錄下來(lái)。記錄下子彈速度。在微機(jī)按預(yù)先編制的程序?qū)?shí)驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,即可獲得所需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和曲線數(shù)據(jù)。通過(guò)微機(jī)用SHPB的應(yīng)用軟件處理后，得到試件應(yīng)力應(yīng)變曲線，其開(kāi)始直線段的斜率即為其彈性模量。

3 橡膠吸能系數(shù)的測(cè)定

橡膠材料在承受動(dòng)態(tài)載荷作用下,隨著應(yīng)變率和圍壓的增加,水泥石的非線性變形明顯增加。因此,在動(dòng)態(tài)條件下,為了衡量水泥石破壞的難易程度,除采用破壞強(qiáng)度和彈性模量外,還采用破碎吸收能。在這里我們采用SHPB測(cè)定水泥石破碎吸收能。設(shè)水泥石試件的入射波、反射波和透射波所帶的能量分別為 wi、wr、wt,即:

式中A、C、E分別為壓桿的橫截面積、縱波波速和彈性模量;σi、σr、σt則為入射應(yīng)力波、反射應(yīng)力波和透射應(yīng)力波。 若入射波、反射波和透射波的能量密度為wi、wr、wt,則在載荷作用周期內(nèi),試件單位體積的吸收能為WL=wi-(wr+wt),試件的應(yīng)變能一般等于或小于吸收能。

目前常用來(lái)測(cè)量緩沖材料吸能特性的方法有三種:緩沖曲線法、吸能曲線法、能量吸收法,本文介紹用吸能曲線法研究橡膠材料的吸能性能,為了反映橡膠材料的吸能特性共性,研究橡膠試件的吸能特性,測(cè)試橡膠試件的吸能率[3]。如下公式:

E表示材料的吸能率,而I表示其理想吸能率。顯然,E、I值越大,則說(shuō)明材料的吸能效果越好。我們用上述計(jì)算公式計(jì)算出橡膠材料試件的吸能率和理想吸能率。

4 總結(jié)

1）由于橡膠材料的動(dòng)載試驗(yàn)是破壞性試驗(yàn)，加上材質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的相對(duì)不均勻性，因此與脆性材料的試驗(yàn)比較，橡膠材料試驗(yàn)曲線的離散性較大。

2）多功能SHPB材料動(dòng)態(tài)性能測(cè)量裝置及相應(yīng)的配套系統(tǒng),是研究和測(cè)量橡膠在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能的有效實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

3）橡膠材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型塑性材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征。

[1]薛青,沈樂(lè)天,陳淑霞,等.單脈沖加載的Hopkinson扭桿裝置[J].爆炸與沖擊,1996,16(4):289-296.

[2]劉瑞堂,姜風(fēng)春,張曉欣,等.用于材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究的測(cè)試裝置[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2001,20(1):42-45.

[3]顧紅軍,張偉.高聚物復(fù)合材料動(dòng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2003,22(2):90-92.