在航空、航天、汽車、運輸、包裝及其它軍事和民用領域中，工程材料可能會遇到像高速碰撞、爆炸這樣的衝擊載入情況，瞭解材料在衝擊載入下的力學響應，有助於各類材料的工程應用和工程設計。

對於材料來說，其在動載下的力學效能和在靜載下的力學效能是不同的。與準靜態實驗相比，進行高應變率下的動態實驗，依然是一個不小的挑戰。霍普金森拉伸實驗，對於有效並精確地獲取材料的應變率相關的應力-應變曲線，是非常好的動態實驗方式。

材料測量實驗需求

大家都知道，常規靜態拉伸，研究的是處於靜力平衡狀態下的材料，以忽略材料的慣性作用為前提。爆炸/衝擊載荷以載荷作用的短歷時為其特徵，在這種條件下，材料處於隨時間迅速變化著的動態過程。

霍普金森杆拉伸實驗，可測得材料在高應變率（102-104/s）下的應力-應變曲線。強衝擊載荷所具有的在短暫時間尺度上發生載荷顯著變化，同時也意味著高載入率或高應變率，所測得的可變形材料的應力-應變曲線，是研究該材料試件動態力學特性的重點。

圖：該研究所材料樣件

關於霍普金森杆實驗

該研究採用霍普金森杆裝置，用於材料動態力學效能的測試，應變率範圍102-104s-1。基本原理為：當槍膛中的打擊杆（子彈）以一定速度彈入輸入杆時，在輸入杆中產生一個入射脈衝，應力波透過彈性輸入杆到達試件，試件在應力脈衝作用下產生高速變形。

應力波透過試件同時產生反射脈衝，進入彈性輸入杆和投射脈衝進入輸出杆。測速器可以獲得子彈的打擊速度，貼上在彈性杆上的應變片，記錄應變脈衝計算材料的動態應力、應變引數。

圖：實驗原理圖

檢測方案

在實驗開始時，打擊杆（子彈）衝擊時，兩個高速相機同步捕捉試件變形的序列二維圖片，透過立體匹配、三維重建，獲取試件表面變形過程中的位移場和應變場。

圖： 霍普金森杆拉伸實驗現場

檢測流程

試件製備，將試件放置在合適位置，調節相機、鏡頭相關引數。

圖：調節焦距

滿幅面下（1280X800），128x96標定板進行標定，偏差0.02。相機解析度改為768X96，進行實驗。

圖：相機標定

實驗完成後，採用後觸發採集資料，然後XTDIC系統軟體對資料進行計算。

實驗資料分析

資料要求：

１、在被測材料試件中，左、中、右選三個點，繪製真實、工程主應變、次應變曲線，並計算應變率。

2、沿一條直線上的主應變、次應變曲線。

3、剪下位移、應變雲圖。

該材料最大應變能達到60%左右，最大應變率能達到1800s-1左右，因為實驗時子彈速度由氣罐壓力控制，所以子彈速度難免存在初始誤差。由此，在具體實驗時施加不同氣壓，有時一次能拉斷，有時幾次能拉斷，有時拉不斷。

圖： 應變場與位移場

圖： 軸向截線上應變分佈

實驗總結

數值模擬，已在工程設計中發揮著重要作用，而進行數值模擬的前提，是要建立一個材料在各種應變率下的精確應力-應變曲線。

利用霍普金森杆拉伸實驗，該研究所成功採集到了材料試件在動態拉伸過程中的應力-應變曲線，有助於材料的數值模擬，助力材料的工程應用和工程設計。