Page 123 - 《爆炸与冲击》2023年第2期

第 43 卷 李嘉皓，等： 液压膨胀环恒应变率加载技术 第 2 期

that a Mott wave from the fracture site propagates to the corresponding position. The influence of the loading curve on the
strain rate during the fracture process is further studied. Then an expanding ring experiment was carried out on the 1060-O
aluminum ring on the liquid-driving expanding ring experimental device to verify the feasibility of the constant strain rate
loading technology.
Keywords: liquid-driving expanding ring; constant strain-rate; radial velocity; tension fragmentation

研究金属的冲击拉伸碎裂问题通常采用膨胀环（壳）实验，目前膨胀环实验技术主要为由 Johnson 等 [1]
[2]
提出的爆炸膨胀环技术和由 Niordson 提出的电磁膨胀环技术。但在早期的实验技术中，金属圆环的膨
胀过程较为复杂，定量分析圆环的力学性能通常较困难。自 20 世纪 80 年代，学者们对其做了大量改进，
解决了技术和测量上的诸多问题 [3-6] 。中国工程物理研究院流体物理研究所对电磁膨胀环和爆炸膨胀环
技术均开展过相关实验研究，桂毓林等 [7-8] 改进了快速放电和短路开关，在不采用雷管开关的情况下实现
了试件的自由膨胀，利用改进的电磁膨胀环技术研究了无氧铜的动态断裂与破碎特征；汤铁钢等 [9-10] 建
立了爆炸丝线起爆方式的爆炸膨胀环实验技术，能较好地实现爆炸膨胀环实验的均匀起爆和金属圆环
的自由膨胀。目前，大多数学者都致力于自由膨胀实验技术的优化和改进，主要原因是研究材料本构关
系时，圆环在自由膨胀过程中径向分量上外力为零，从而可以简便地获取材料在环向均匀拉伸作用下的
一维应力-应变关系，但圆环自由膨胀的同时也会导致试件在膨胀断裂过程中的拉伸应变率逐渐降低，初
始加载与断裂时刻的应变率甚至会存在量级上的差别，这给研究应变率敏感材料的拉伸碎裂问题带来
了极大的不便。
针对准一维冲击拉伸碎裂问题，Mott [11] 提出了卸载波传播距离控制碎片平均尺寸的思想，Grady [12]
和 Kipp 等 [13] 进一步完善了 Mott 卸载波理论，通过引入一个与断裂能量相关的内聚断裂模型来描述理想
2
L = [24G c /(ρ˙ε )] 1/3 ，其中 L 为碎片
刚塑性材料的冲击拉伸碎裂过程，并获得了碎裂产生碎片的平均尺寸
的平均尺寸，G 为材料的断裂能，ρ 为材料的密度， ˙ ε 为断裂时刻的应变率。显然，碎片的平均尺寸强烈
c
依赖于加载应变率，而加载过程中应变率跨度极大的自由膨胀给分析带来了极大的难度。在冲击拉伸
碎裂研究过程中，重点关注的是加载应变率和碎片平均尺寸及其分布，因而在该问题下的膨胀环实验技
术可以忽略非自由膨胀带来的复杂应力分析，而应该尽可能地实现恒定应变率加载。
郑宇轩等 [14] 、张佳等 [15] 发展了一种基于 Hopkinson 压杆的液压膨胀环实验技术，利用液体体积近似
不可压缩的特性，通过液压腔截面积的大比例缩小，实现较低速度的活塞冲击转化为圆环试件沿径向的
高速膨胀，促使圆环产生拉伸碎裂。在该实验装置的基础上，本文中，拟通过合理控制液体的加载速度
和加载时长，实现金属圆环的近似恒定应变率加载。从理论上给出实现金属圆环恒应变率膨胀所需液
压加载曲线的近似表达式，通过流固耦合的有限元数值分析方法的优化和改进，反推能实现圆环恒定环
向应变率加载的水流速度时程曲线，并在分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）上通
过波形整形器来获得期望的加载入射波形，通过加入活塞限位器来控制液体的加载量，从实验上获得与
理论水流加载速度相近的加载方式，利用激光干涉测速仪（displacement interferometer system for any
reflector，DISAR）测量金属圆环膨胀过程中外表面的粒子径向速度，从而获得应变率时程曲线，验证该恒
应变率加载技术的可行性。

1 理论分析

在前期工作中，液压膨胀环实验技术能有效地实现固体的冲击拉伸碎裂 [15-17] ，如图 1 所示。前期的
实验装置采用凸台结构，加载过程中液体持续加载时间较短，从而实现近似的自由膨胀。但如果要实现
恒定应变率加载，液体必须持续作用于膨胀环，由于金属圆环直径在膨胀过程中逐渐增大，因而加载速
度也必须单调递增。
实验中采用的加载液体为水，假设其为近似不可压缩的无黏液体，因此在膨胀环发生断裂前，单位
时间内水流加载的流量近似等于膨胀环内腔增加的体积，即：

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