图 ２ 不同端面粗糙条件下铝合金
－１ ） 圆环的准静态纵向压缩过程 （ １ ０－３ ｓ
Ｆ ｉ ． ２ Ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｈ ａ ｖ ｉ ｏ ｒ ｏ ｆ ｒ ｉ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｕ ａ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ － ｇ ｐ ｇ ｑ ｌ ｏ ｎ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｒ ｏ ｕ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｇ ｇ ｇ
究了圆环件的形状与端面摩擦效应的关系 ， 实验结果表明 ： 与传统圆柱试件相比 ， 采用较大的内径 、 较薄
７， ８］ 林 玉 亮［ 等通过霍普金森杆 的厚度圆环件时能有效的减小 Ｓ ＨＰ Ｂ 实 验 中 的 端 面 摩 擦 效 应。卢 芳 云、
压剪复合加载实验研究了聚氨酯泡沫塑料 、 硅橡胶 、 ＭＤ Ｆ 水泥与 铝 合 金 四 种 材 料 在 不 同 端 面 摩 擦 条 件 下的力学响应 ， 通过剪应力计得到端面摩擦系数随加载时间的变化关 系 ， 其 结 果 表 明： 端面摩擦系数存 在一定的分散性 ， 即加载过程端面摩擦系数并不保持为恒定值 。 然而对于圆环件在大变形条件 、 不同端面粗糙条件下的动态力学 行 为 的 研 究 及 相 关 机 制 探 讨 方 面
图 １ Ｓ ＨＰ Ｂ 实验装置 Ｆ ｉ ． １ Ｓ ＨＰ Ｂ ｓ ｅ ｔ ｕ － ｇ ｐ
图 １ 中圆环试件为外径 、 内径和高度分别为 ６ 用较 ｍｍ、 ３ ｍｍ 和 ２ ｍｍ 的铝合金圆环 。 分别在粗磨 （ 、 粗砂纸将试件和杆端面磨平 ） 细磨 （ 用较细的砂纸将试件和杆端面磨平 ） 和润滑 （ 普通凡士林润滑 ） 三种 端面粗糙条件下进行若干 次 重 复 实 验 。 如 果 粗 磨 、 细 磨、 润滑三种粗糙条件端面摩擦系数分别为μ １、 则有 μ ２、 ３， １＞ ２＞ ３ 。 本文对圆环在这三种端面粗糙条件下的动态响应进行了对比研究 。 μ μ μ μ 同时 ， 作为对比 ， 在液压伺服材料试 验 机 （ 上对三种端面粗糙条件下的圆环进行了准静态压 ＭＴ Ｓ） 缩实验 。
冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究
杨茨 ，徐松林 ，易洪昇
（ ） 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为与设计重点实验室 ，安徽合肥 ２ ３ ０ ０ ２ ７
＊
摘要 ：选用外径 、 内径和高度三者比值为 ６∶３∶２ 的 铝 合 金 圆 环 试 件 作 为 研 究 对 象 ， 在 粗 磨、 细 磨和润滑三种端面粗糙条件下 ， 利用 Ｓ ＨＰ Ｂ 实验方法研究了其纵向动态压缩行为 。 实验结果表 明 ：随着端面摩擦系数的增大 ， 对应的屈服强度和硬化强度增大明显 。 同时 ， 圆环纵向压缩应力 应变曲线有一个明显的应力下 降 段 。 其 原 因 是 圆 环 在 塑 性 压 缩 过 程 从 内 而 外 发 生 了 动 态 塑 性 失稳 。 由于端面应力不均匀和压缩过程端面摩擦系数不均匀变化 ， 试件前后端面的压缩变形明 得到了和实验相类似的 显不一致 。 数值模拟分析了不同表面粗糙情况下的圆环纵向压缩 过 程 ， 现象 。 关键词 ：冲击动力学 ；分离式霍普金森压杆 ；圆环纵向压缩 ；端面摩擦效应 ： ／ 中图分类号 ： Ｏ ３ ４ ７ 文献标识码 ：Ａ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ７ ５ ２ ０ １ ０ ０ １ ４ ８ ８ ８ １ ３ ０ ８ ２ － － －
１ 圆环纵向冲击压缩实验
实验在中国科学技术大学冲击动力学实验室直径为 １ 采用常规 ４． ５ ｍｍ 的 Ｈ ｏ ｋ ｉ ｎ ｓ ｏ ｎ 压杆上进行 ， ｐ ［ ９］ 。 ， （ ） 、 、 。 的Ｓ 实验装置示意图见图 １ 主 要 由 子 弹 撞 击 杆 入 射 杆 透 射 杆 组 成 附 属 设 备 ＨＰ Ｂ 实验技术 包括气枪 、 测速装置 、 应变片 、 缓冲装置等 ， 数据采集处理系统包括超 动 态 应 变 仪 、 瞬态波形存储器以及 计算机处理系统等 。
。 这是由于端面摩擦效应的存在改变了试件的一维受力状态 ， 端面摩擦约束越 ４ ３ ７ ＭＰ ａ和 Ｅ１ ＝２ ５ ７ ＭＰ ａ 强， 受力单元的静水压力越大 ， 其屈服强度随之增加 。 这也说明要获得较可靠的准静态单轴加载应力应 变关系 ， 必须对试件和压头端面采取适当的润滑措施 。 ２． ２ 圆环的纵向冲击压缩行为 图 ３ 为在 Ｓ 透射波和反射波信号 。 从反射波波形 ＨＰ Ｂ 实验中得到的圆环冲击过程典型的入射波 、 来看 ， 在有效的实验阶段 ， 试件基本处于恒应变率加载状况 。
第２ ９卷 第１期 ２ ０ １ ４年 ２ 月
实 验 力 学
Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｅ Ｘ Ｐ Ｅ Ｒ Ｉ ＭＥ Ｎ ＴＡ Ｌ ＭＥ ＣＨＡＮ Ｉ Ｃ Ｓ
ｏ ． １ Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９ Ｎ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ４
（ ） 文章编号 ： １ ０ ０ １ ４ ８ ８ ８ ２ ０ １ ４ ０ １ ０ ０ １ ８ ０ ８ － － －
第１期
杨茨等 ：冲击载荷下圆环纵向压缩力学行为研究
１ ９
却鲜有报导 。 相比于准静态加载条件 ， 在冲击载荷作用下试件接触面的形态 、 应力分布会发生更显著的 ， 变化 ， 随之而来的接触面的摩擦条件也会发生显著变化 （ 在时间和空间尺度 ） 必然带来一些特殊的力学 现象 ， 值得进行深入研究 。 本文将采用 Ｓ 研究圆环件在粗磨 、 细磨和润滑等三种端面粗 ＨＰ Ｂ 实验方法 ， 结合端面摩擦效应等条件对实验结果进行分析 ， 并且利用 ＭＴ 糙条件下的力学响应 ， Ｓ 对比实验得到圆 环试件的材料参数 ， 利用数值模拟对此过程进行深入研究 。
２ 实验结果和分析
２． １ 圆环的准静态纵向压缩 三种端面粗 糙 条 件 下 的 准 静 态 压 缩 曲
－３ －１ 线（ 加载 速 率 为 １×１ 如 图 ２ 所 示。 ０ ｓ ）
由图可 见 ， 铝合金圆环的纵向压缩过程分 为两个阶段 ： 弹性压缩阶段 （ 图中 Ｏ 和 Ａ 段） 。不同的端面 图中 Ａ 塑性硬化阶 段 （ Ｂ 段） 粗糙条 件 对 弹 性 压 缩 阶 段 没 有 影 响 ， 但端 面粗 糙 条 件 对 塑 性 硬 化 阶 段 有 较 大 的 影 响： 随着端面 摩 擦 系 数 的 增 大 ， 对应的屈服 强度和硬 化 强 度 增 大 明 显 。 从 图 中 可 见 ， 该准静 态 压 缩 曲 线 近 似 符 合 双 线 性 模 型 ， 端面 润 滑 时 铝 合 金 材 料 的 屈 服 应 力σ ｓ＝ ， ； ３ ６ ０ ＭＰ ａ Ａ Ｂ 段 的 割 线 模 量 Ｅ１ ＝２ ３ ５ ＭＰ ａ
Hale Waihona Puke ， 比 准静 态 的 要 高， 表 现 出 一 定 的 应 变 率 效 应 。Ａ ２ ８ ＭＰ ａ Ｂ 段的斜 端面润滑时的屈服极限为σ ｓ ＝５ ， ， 也比 准 静 态 的 高 ， 表 明 此 材 料 有 一 定 粘 塑 性 特 性 。Ｃ 率为 ４ ０ ０ ＭＰ ａ Ｃ Ｄ 段的斜率为 ７ ７ ０ ＭＰ ａ Ｄ 段的斜 率高于 Ａ 是一个应变硬化材料 。 同时 ， 端面细磨和粗磨 Ｂ 段的斜率表明此材料有明显的塑性硬化特性 ， 情况下材料屈服应力 、 这与准静态实验结 果 有 差 Ａ Ｂ 段的斜率和Ｃ Ｄ 段的斜率与端面润滑时的值相当 ， 异 。 图 ４ 中 Ｂ 点为曲线的一个极值点 ， 并且可以看出 ， 摩擦系数越 Ｂ 点对应的真实应变约为ε ３ ５， ０ ＝０． 这个应变值越小 ， 塑性失稳越早发生 。 大， 此过程 中 令 人 感 兴 趣 的 是 Ｂ 细磨和粗磨时的应力降幅值分别为 Ｃ 段 的 存 在。 端 面 润 滑、 、 ， 随表面粗糙程度 的 增 加 ， 应 力 降 幅 值 降 低。 其 原 因 在 于 表 面 约 束 力 １ ４ ５． ３ ＭＰ ａ ６ ２． ２ ＭＰ ａ和 ７ ６． ０ ＭＰ ａ 越大 ， 圆环应力状态越复杂 ， 圆环内径处越不易进入塑性状态 。 在准 静 态 压 缩 过 程 中 ， 并没有此阶段的 存在 ， 表明 Ｂ 可以认为 Ｂ Ｃ 段的存在是由 于 动 态 塑 性 失 稳 所 致 ， Ｃ 段 为 塑 性 失 稳 阶 段。 参 看 Ｃ ａ ｒ ｒ ｏ ｌ和
［］ 缩后内径扩大 ， 内圆柱面呈凹状 ； 当 摩 擦 系 数 较 大 时， 压缩后 内 径 缩 小， 内 圆 柱 面 呈 凸 状 。Ａ ｖ ｉ ｔ ｚ ｕ ｒ２ 等 ［］ 得到了圆环压缩的理论解和理论摩擦 标 定 曲 线 。 Ｍ 对圆环纵向压缩过程作了理论推导和分析 ， ａ ｌ ｅ３ 等
则通过准静态实验得到了实验摩擦标定曲线 。 上述研究工作主要集中于准静态条件 。 对圆环进行纵向冲击压缩研究 ， 始于 Ｓ ＨＰ Ｂ 实验中对试 件
０ 引言
圆环件纵向压缩行为的研究起源于金属加工工业 。 外径 、 内径和高 度 三 者 比 值 为 ６∶３∶２ 的 典 型
１］ ： 圆环与压板之间摩擦系数的 大 小 比 较 灵 敏 地 反 映 在 圆 环 内 径 的 相 圆环试件的实验和理论研究表明 ［
对变化上 。 圆环纵向压缩时 ，随着界面摩擦 系 数 的 不 同 ， 存 在 着 两 种 变 形 模 式： 当 摩 擦 系 数 较 小 时， 压
图 ３ 原始实验波形 Ｆ ｉ ． ３ Ｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ｅ ｄ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｗ ａ ｖ ｅ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｓ ｇ ｐ ｐ
－１ ） 图 ４ 不同端面粗糙条件下的圆环冲击压缩过程 （ ３ ０ ０ ０ ｓ
ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ Ｆ ｉ ． ４ Ｃ ｏ ｍ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｉ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｌ ｏ ｎ ｉ ｔ ｕ ｄ ｉ ｎ ａ ｌ ｐ ｇ ｐ ｇ ｇ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ ｒ ｏ ｕ ｈ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｙ ｇ ｇ
；修订日期 ： ２ ０ １ ３ ０ ５ ２ ０ ２ ０ １ ３ ０ ６ １ ９ ＊ 收稿日期 ： － － － － ） 基金项目 ：国家自然科学基金 （ 资助 １ １ ２ ７ ２ ３ ０ ４ ， ： 通讯作者 ：徐松林 （ 男， 博士 ， 副 教 授 。 主 要 从 事 材 料 动 态 力 学 行 为 的 理 论 和 实 验 技 术 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍ １ ９ ７ １－ ） ａ ｉ ｌ ｓ ｌ ｘ ｕ ９ ９＠ ｕ ｓ ｔ ｃ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ