新拓三维应变测量系统在红砂岩材料(霍普金森杆)动态力学测试

在汽车、交通、基建、土木工程及其它产业领域中，工程材料常会遇到像高速碰撞、高速变形的冲击加载，进行高应变率下的动态测试，依然是一个不小的挑战。

红砂岩土作为一种路基工程填料，工程性质较差，用于铁路、高速公路回填土易出现路基厚度大、土层松软的情况。为提升地基承载能力，需对红砂岩土动态力学特性进行分析，以更好地采取措施加固土体。

针对红砂岩的工程特性与路用性能，进行长期动力稳定性评价，需结合列车动力载荷对路基稳定性影响去评估。霍普金森高速动态拉伸测试，可有效并精确地获取材料在动载荷下的力学特性，是非常好的测试方案。

图：制斑前后的红砂岩土试件

图：测试区域加玻璃防护装置

霍普金森杆测试

杨氏模量是材料常数，其用于描述在力加载过程中材料的变形。

测试过程中，红砂岩样品位于分裂式霍普金森杆的两个杆之间。通过由空气压缩的加速锤来产生压力波。压力波通过第一个杆，部分波在杆端被反射，另一部分波通过测试样品到达传输杆。

安装于附带杆和传输杆上的应变片用于测量压力波产生的应变。这样可以让附带杆，传输杆和反射的压力波的振幅能够被测量。

与静态测试的区别

杨氏模量通常采用准静态的测试机，通过应力-应变曲线来获得。但是，材料在动态负载状态下通常性能有显著不同，因此，必须通过动态加载了解材料的动态特性。一般来说，霍普金森杆测试能满足如此高的应变速率。

霍普金森杆通常用应变片安装在传输杆和透射杆上，但无法采集红砂岩变形位置及裂纹演化，只有通过红岩土试件实时数据采集与分析，才能获得试件表面变形位置以及裂纹出现和演化途径。

新拓三维自主研发的XTDIC三维全场应变测量系统，可以在霍普金森杆上完美使用。并且，XTDIC系统不仅可以测量三维位移和变形，基于全视场测量数据，可以准确地看到红砂岩试件在冲击载荷下的应力应变，以及关键部位的裂纹演化等。

测试数据

基于多测头采集的图像，利用XTDIC系统分析软件进行数据处理，可测得材料在高速冲击下的位移及变形。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，同时也意味着高应变率，XTDIC系统所测得的应力-应变曲线，是研究红砂岩材料试件动态力学特性的重点。

在霍普金森杆动态荷载下，材料力学性能与加载率显著相关。高幅值短持续时间脉冲荷载，会引起材料力学性质的应变率效应，对于抗动载的高铁、高速公路路基结构设计与分析是非常重要的。

数值模拟，已在工程设计中发挥着重要作用，进行数值模拟的前提，是要获取红砂岩材料在高速冲击载荷下的应变参数；利用霍普金森杆拉伸实验，有助于红砂岩土材料的数值模拟，助力材料的工程设计和工程应用。