牛家乐，钱　昊，王荣鑫，巫绪涛

(合肥工业大学土木工程学院，安徽 宣城　242000)



基于MATLAB GUI的SHPB实验数据处理软件

牛家乐，钱昊，王荣鑫，巫绪涛

(合肥工业大学土木工程学院，安徽 宣城242000)

文章选用MATLAB作为系统的开发平台，编制了1套分离式Hopkinson压杆(SHPB)实验的数据处理软件。软件可以快速、高精度完成冲击压缩和动态劈裂实验的数据处理过程。软件采用交互式界面进行数据和参数的输入输出，实现入射波、反射波和透射波及数据处理过程的可视化。通过本软件最终可获得冲击压缩试验和动态劈裂试验的多种有效数据及曲线。包括冲击压缩试验中用三波法和两波法得到的应力——应变曲线和应变率、应变、应力、实验过程中各种能量时程曲线。动态巴西试验中试样拉应力、各种能量时程曲线和劈裂强度等。

Hopkinson压杆；数据处理；可视化；MATLAB GUI

分离式Hopkinson压杆(简称SHPB)实验装置是用来研究材料高应变率下力学行为的最有效实验装置之一。由于高应变率动态实验涉及应力波传播,力学参数计算借助应力波的相互作用,因此数据处理的复杂性远远高于静态实验,处理精度直接影响力学参数的准确性。有一些学者对SHPB实验数据处理方法开展了研究。如宋力等对软硬不同材料按SHPB三波法和两波法处理的应力——应变曲线误差进行了系统分析。李英雷等提出的SHPB实验中波头起点判读办法。尚兵等提出的金属材料SHPB实验数据处理的3波校核法。可靠方便的数据处理软件可以为上述研究提供有益的帮助,对于获得准确的实验结果具有重要的作用。因此SHPB实验的数据处理软件应该具有交互式界面,可视性、通用及可扩展性强的特点。MATLAB平台完全符合上述条件,其在多个领域的数据处理软件编制的研究中有均大量成功的范例。如MATLAB的探地雷达数据处理研究及软件开发以及MATLAB的振动信号采集与分析系统。本文采用MATLAB作为开发平台,编制了1套SHPB实验的数据处理软件,可方便快速处理冲击压缩、动态巴西试验。结合有限元模拟验证了本软件的精度和有效性,最终用于实际SHPB实验的数据处理中。

1　SHPB装置

SHPB装置用于冲击压缩试验的示意图如图1所示。试样夹在输入杆和输出杆之间,用高压气体驱动子弹以一定的速度v0撞击入射杆,产生向前传播的入射波εi(t),经过输入杆应变计被采集记录。当入射波传播到试样位置时,推动试样开始变形,并在入射杆中产生一个反向应力脉冲——反射波εr(t),经过入射杆应变计时也被采集。另一部分脉冲透过试样进入输出杆向前传播——透射波εt(t),由输出杆应变计和采集系统记录。传统的SHPB冲击压缩试验技术就是通过这3个脉冲信号得到试样特定应变率下的应力——应变曲线。

图1　SHPB装置

式(1)～式(3)为经典的三波法处理公式

(1)

(2)

(3)

根据一维假定

则试样的应力、应变和应变率可以由任意2个波计算得到，即两波法处理公式。

对于混凝土、岩石等脆性材料,SHPB装置还可以进行动态巴西试验,用来测量材料的动态劈裂强度。此时试样圆周面与输入杆和输出杆线接触,或通过垫块圆弧面接触,按式(5)计算试样中心线上的拉应力时程曲线

其中,dS为试样直径,当σSt(t)达到最大值时即为试样的动态劈裂强度。同理按照式(4),动态劈裂强度也可以仅用透射波计算得到。

根据式(1)～式(5)及图1可以发现,SHPB实验中计算应力、应变及应变率的过程并不复杂,其关键问题在于如何有效保证时间同步性。由于输入杆应变计和输出杆应变计记录的入射、反射和透射波存在时间差,而数据处理最终需要的是试样当地的3个波的时程曲线数据。因此通过交互式数据处理软件能直观反映试验过程中3个波的同步性及各种方法处理结果的偏差,可以有效提高SHPB实验数据处理的精度和效率。

2　程序正确性验证

利用有限元模拟对程序正确性及基本功能进行了验证。用ANSYS/LS-DYNA模拟了SHPB冲击压缩实验过程。输入和输出杆采用线弹性本构:弹性模量200GPs,密度7850kg/m3,泊松比0.25。试样采用双线性随动硬化本构:弹性模量72GPa,密度2700kg/m3,泊松比0.33,屈服应力60MPa,切线模量5GPa。试样和压杆间采用自动面面接触。从模拟结果的输入和输出杆中取出的入射、反射和透射波如图2所示(图中应变数据以压为正)。

图2　有限元模拟得到的入射、反射和透射波

将3个波、压杆和试样的相关数据输入程序。为了保证时间同步性,需对齐入射、反射和透射波的波头。在数据处理过程中按式(4),通过比较入射波和透射波叠加结果与实际反射波的差异,并观察采用3波、入透波、入反波、反透波4种方法处理结果吻合程度来判断时间同步性,如图3、图4所示。可以发现应力——应变曲线两段保持了很好的线性。处理得到试样的弹性模量70GPa,屈服应力60MPa,切线模量5.3GPa,均与数值模拟预设值很接近。

图3入射、反射和透射波时间同步效果

图44种方法处理的应力——应变曲线的比较

3　实际SHPB实验处理结果

3.1冲击压缩

对实际的SHPB冲击压缩试验数据进行了处理。除基本的核心部分,程序还包含了消除零点漂移、曲线3点至10点光滑、峰值判断、应力——应变曲线割线模量、平均应变率计算等模块和功能。图5和图6给出的分别是未光滑和经过10点平均光滑得到的应力——应变曲线。

图5未光滑的应力——应变曲线

图6光滑后的应力——应变曲线

3.2动态巴西试验

对动态巴西实验进行了数据处理,入射、反射和透射波同步性如图7所示,按三波法和透射波法得到试样中心线拉应力时程曲线如图8所示。可以发现,在保证时间同步情况下,2种方法处理结果的误差较小。

图7入射、反射和透射波同步性

图8拉应力时程曲线

3.3能量分析

由入射、反射和透射波还可以分析试验过程中的能量变化,如式(6)～式(7)所列[7]

(6)

(7)

其中,Wi(t)、Wr(t)、Wt(t)和WS(t)分别为试验过程人射波、反射波和透射波及试样耗散能量的时程曲线。利用式(6)～式(7)计算某次实验中4个能量的时程曲线如图9所示。

图9　SHPB实验中能量变化时程曲线

4　结　　论

在对各种SHPB实验数据处理和误差理论进行深入分析的基础上,基于MATLAB平台编制了1套SHPB实验数据处理软件。成功实现了冲击压缩试验、动态巴西试验的多种数据处理功能,包括数据及参数的输入与输出,操作提示,数据修饰(消除零漂和光滑),多参量曲线绘制、比较、调整与数据点读取(三波法和两波法得到的应力——应变曲线,应力、应变、应变率、能量时程曲线)等。利用有限元模拟对程序正确性及基本功能进行了验证,处理结果准确可靠。程序采用模块设计具有可扩展性,预留了二次开发的接口和输入规则。

[1]胡时胜，王礼立等.Hopkinson压杆技术在中国的发展回顾[J].爆炸与冲击，2014，(6)：641-657.

[2]宋力，胡时胜.SHPB数据处理中的二波法与三波法[J].爆炸与冲击，2005，(4)：368-373.

[3]李英雷，胡昌明，王悟.SHPB实验数据处理的规范化问题讨论[J].爆炸与冲击，2005，(6)：553-558.

[4]尚兵，胡时胜等.金属材料SHPB实验数据处理的三波校核法[J].爆炸与冲击，2010，(4)：429-433.

[5]刘康.基于MATLAB的探地雷达数据处理研究及软件开发[D].中国地质大学(北京)，2011.

[6]唐世振.基于MATLAB的振动信号采集与分析系统的研究[D].中国海洋大学，2007.

[7]巫绪涛，胡俊.EPS混凝土的动态劈裂强度和能量耗散[J].爆炸与冲击，2013，(4)：369-375.

(责任编辑陈化钢)

SHPB experimental data processing software Based on GUI MATLAB

NIU Jia-le，QIAN Hao，WANG Rong-xin，WU Xu-tao

(Depariment of Structural engineering，HeFei University of Technology，Xuancheng 242000，China)

In this paper,the data processing software for a set of separate Hopkinson pressure bar (SHPB) tests is developed by using MATLAB as the developed platform of this system.The software can accomplish the data processing of the shock compression and dynamic split tests quickly and with high precision.The data and parameters of the system are input and output by using the interactive interface,and the visualization of the process of the incident wave,reflected wave and transmission wave is realized.A variety of effective data and curves of impact compression test and dynamic splitting test could be obtained through this software.Including the stress-strain curves obtained by the three wave method and the two wave method in the shock compression test,and the time history curves of strain rate,strain,stress and various energy during the tests process.Morever the time history curves of various energy,tensile stress and splitting strength in dynamic Brazilian tests.

Hopkinson pressure bar; data processing; visualization; GUI MATLAB

2016-03-16；

2016-03-18

合肥工业大学2015年大学生创新性实验计划项目(编号：2015CXCYS117)

牛家乐(1994-)，男，本科生，从事土木工程专业研究。

10.3969/j.issn.1671-6221.2016.03.004

O34

A

1671-6221(2016)03-0014-04