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Hopkinson压杆测试技术
霍普金森压杆的雏形是在1914年由Hopkinson提出来
的，当初只能够用来测量冲击载荷下的脉冲波形。1949
年Kolsky对该装置进行了改进，将压杆分成两截，试样置
于其中，从而使这一装置可以用于测量材料在冲击荷载
下的应力-应变关系。由于这一装置采用了分离式结构，
因而被称为分离式Hopkinson压杆，简称SHPB（SplitHopkinson-Pressure-Bar），或Kolsky杆。Kolsky还证实
了试样的应力和应变与压杆位移之间的关系。该技术的
理论基础是一维应力波理论，通过测定压杆上的应变来
推导试样材料的应力－应变关系。经过国内外研究者几
十年的努力工作，
Hopkinson压杆测试技术
• SHPB压杆试验技术已发展为获得材料在102～104s-1应变
率范围内应力-应变关系的最主要试验手段。SHPB技术之
所以能受到人们的重视，主要原因是该测试技术的优点十
分突出，主要表现在：第一，该技术测量方法十分巧妙，
成功的避开了要在试样同一位置上同时测量随时间变化的
应力和应变的难题；第二，SHPB试验所涉及的应变率范
围恰好包括了流动应力随应变率变化发生转折的应变率
（102～104s-1）；第三，入射波形易于控制，改变子弹
的撞击速度及形状，即可调节入射脉冲波形，从而也调节
了作用于试样上的波形。人们已经利用了这一优点在
Hopkinson压杆上的基础上开展了动态拉伸、动态断裂等
方面的研究工作。
1.1 动态压缩试验
• 1.1.1 测试系统
• 传统的Hopkinson压杆测试系统包括有：加载系统、动态
应变仪、数据记录与采集系统和数据分析计算系统，如图
1所示。
• 图1 分离式Hopkinson压杆实验原理图
1.1 动态压缩试验
• 1.1.2测试原理
• Hopkinson压杆装置的核心部分是两段分离的弹性波导杆，
即输入杆和输出杆，试样夹在两杆之间。加载脉冲由撞击
杆撞击输入杆的端部产生。撞击杆在压气枪中由高压气体
的推动作用被加速到一定的撞击速度，以此速度撞击输入
杆的端部，产生一个持续时间取决于撞击杆长度的入射弹
性压力脉冲。当初始的压力脉冲经撞击杆的自由端反射成
为一个拉力脉冲并回到撞击面时，撞击杆就完成了对输入
杆的卸载，因而在输入杆中将产生波长为撞击杆长度两倍
的入射应力波。当输入杆中的入射应力波到达试样时，一
部分由于杆和试样横截面积不等和波阻抗不匹配而反射回
输入杆形成反射应力波，另一部分则穿过试样到达输出杆
形成透射应力波，透射应力波再由吸收杆捕获，最后由能
量捕收器吸收。装置见图如图1所示。
1.1 动态压缩试验
• 根据粘贴在压杆上的电阻应变片测得的入射波、
•
•
•
•
•
•
反射波、透射波，以及一维应力波理论可得到如
下的计算公式。
试样的平均应变率为：
C
 
(     )
l
（1）
试样中的平均应变：
C
 
(    ) dt
l 
（2）
试样中的平均应力：
A
 
E (     )
2A
（3）
I
R
T
0
t
0
0
I
R
I
0
T
R
T
1.1 动态压缩试验
• 式中，、和分别表示测试记录的入射、反射和透
•
•
•
•
•
射波，是弹性纵波波速，为试样的原始长度，为
压杆的弹性模量，为压杆与试样的截面积之比。
由应力平衡条件导出：
   
（4）
2C
将式（4）代入（1）、（2）、（3）式可得
  

l
（5）
2C
 
(

)
dt
l 
（6）
I
R
T
R
0
t
0
 
0
R
A
E T
A0
•
（7）
• 所以， 在应力平衡的条件下可采用式（5）、
（6）、（7）来计算材料的动态压缩的力学行为。
1.2 动态拉伸试验
• 1.2.1测试系统
• 图2 改进的Hopkinson杆测试系统
• 传统的Hopkinson杆实验设备主要用于测试材料的动态压缩力学性能
参数，改进后的Hopkinson杆则可以实现动态拉伸试验，图2给出的是
加载板状拉伸试样的加载装置示意图。测试系统包括：加载系统、动
态应变仪、数据记录与采集系统和数据分析计算系统等。
1.2 动态拉伸试验
• 1.2.2测试原理
• 测试记录的入射、反射、透射脉冲分别用、、表
示，根据试样与拉杆的界面条件，按一维弹性波
传播理论可计算得到试样中的应力、应变以及相
应的应变率大小，其计算公式与动态压缩试验中
的公式一样。
•
洛阳利维科技有限公司
• 利维科技公司（前身为洛阳立伟机械科技有限公司）联合
•
国内外Hopkinson实验技术领域的多家科研单位组成了研
发团队，团队中有多名在加载装置设计、制造、实验技术
开发、软件程序编写和实验技巧等方面的资深专家。根据
用户的需求设计实验设备和开发实验项目，并提供全方位
的技术服务。本公司围绕Hopkinson杆实验技术开发了多
项专利，设计制造的Hopkinson加载装置和相应的实验技
术已出口多个国家，在国内外相关领域具有较高的知名度。
欢迎各位同仁以各种方式加入利维科技公司，协同创新，
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试技术推向更高水平。如有兴趣和需要了解Hopkinson实
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13838880050）联系。邮箱：[email protected]
• （完）