精准、高效获取一种材料的动态力学性能，到底该怎么做？（XTDIC三维全场应变测量）

在航空、航天、汽车、运输、包装及其它军事和民用领域中，工程材料可能会遇到像高速碰撞、爆炸这样的冲击加载情况，了解材料在冲击加载下的力学响应，有助于各类材料的工程应用和工程设计。

对于材料来说，其在动载下的力学性能和在静载下的力学性能是不同的。与准静态实验相比，进行高应变率下的动态实验，依然是一个不小的挑战。霍普金森拉伸实验，对于有效并精确地获取材料的应变率相关的应力-应变曲线，是非常好的动态实验方式。

大家都知道，常规静态拉伸，研究的是处于静力平衡状态下的材料，以忽略材料的惯性作用为前提。爆炸/冲击载荷以载荷作用的短历时为其特征，在这种条件下，材料处于随时间迅速变化着的动态过程。

霍普金森杆拉伸实验，可测得材料在高应变率（102-104/s）下的应力-应变曲线。强冲击载荷所具有的在短暂时间尺度上发生载荷显著变化，同时也意味着高加载率或高应变率，所测得的可变形材料的应力-应变曲线，是研究该材料试件动态力学特性的重点。

为获得某种新型材料在动载下的动态力学特性，专注于材料开发及工程力学应用研究的某研究所，利用霍普金森杆拉伸实验，借助新拓三维的XTDIC三维全场应变测量分析系统和测量分析软件，对材料试件进行高应变率动态拉伸力学实验。

图：该研究所材料样件

该研究采用霍普金森杆装置，用于材料动态力学性能的测试，应变率范围102-104s-1。基本原理为：当枪膛中的打击杆（子弹）以一定速度弹入输入杆时，在输入杆中产生一个入射脉冲，应力波通过弹性输入杆到达试件，试件在应力脉冲作用下产生高速变形。

应力波通过试件同时产生反射脉冲，进入弹性输入杆和投射脉冲进入输出杆。测速器可以获得子弹的打击速度，粘贴在弹性杆上的应变片，记录应变脉冲计算材料的动态应力、应变参数。

图：实验原理图

针对该研究所的实验测量需求，新拓三维技术工程师采用两个高速相机（百万像素、16000帧），实验时分辨率调为768X96、采集频率100000帧，镜头选24-70mm。

在实验开始时，打击杆（子弹）冲击时，两个高速相机同步捕捉试件变形的序列二维图片，通过立体匹配、三维重建，获取试件表面变形过程中的位移场和应变场。

图： 霍普金森杆拉伸实验现场

试件制备，将试件放置在合适位置，调节相机、镜头相关参数。

图：调节焦距

满幅面下（1280X800），128x96标定板进行标定，偏差0.02。相机分辨率改为768X96，进行实验。

图：相机标定

实验完成后，采用后触发采集数据，然后XTDIC系统软件对数据进行计算。

实验数据分析

数据要求：

１、在被测材料试件中，左、中、右选三个点，绘制真实、工程主应变、次应变曲线，并计算应变率。

2、沿一条直线上的主应变、次应变曲线。

3、剪切位移、应变云图。

该材料最大应变能达到60%左右，最大应变率能达到1800s-1左右，因为实验时子弹速度由气罐压力控制，所以子弹速度难免存在初始误差。由此，在具体实验时施加不同气压，有时一次能拉断，有时几次能拉断，有时拉不断。

图：应变场与位移场

图：轴向截线上应变分布

数值模拟，已在工程设计中发挥着重要作用，而进行数值模拟的前提，是要建立一个材料在各种应变率下的精确应力-应变曲线。

利用霍普金森杆拉伸实验，该研究所成功采集到了材料试件在动态拉伸过程中的应力-应变曲线，有助于材料的数值模拟，助力材料的工程应用和工程设计。

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