Page 92 - 《爆炸与冲击》2025年第9期

第 45 卷 崔 鹏，等： 动荷载下硅砂的破碎特性及吸能效应试验研究 第 9 期

度为 5 km/s。应变数据采集模块中，考虑本文测试的散体材料波阻抗较低且为变化值，试验中采用高灵
敏度半导体应变片，电阻为 120 Ω，增益系数为 1 000，应变片距试件两端均为 850 mm。

Pressure

cylinder
σCT Specimen σsT σss σer Transmission bar
Incident bar σCR
Gus gun Pulse shaper
Velocimeter Incident bar Specimen Transmitted bar Dashpot

Post-test shaper Sample loading

Data capture Sleeves setup
Strain gage

SHPB setup Cotrol system Velocimeter Sand specimen Pre-pressure

图 1 改进的霍普金森杆
Fig. 1 Improved split Hopkinson pressure bar

设计了适用于散体颗粒材料的加载套筒。改进的套筒由盛放试样的外套筒、控制试样长度的内套
筒及功能不同的 3 组垫片组成。外套筒由高强钢制成，长度为 400 mm，内径为 40.1 mm，壁厚为 2 mm，
可以侧向约束散体材料，并允许入射杆在套筒内滑动和转动。套筒上布置螺孔，通过螺栓固定垫片在套
筒中的位置调节试样长度，并在冲击过程中排出空气，减小试验误差；内套筒材质与外套筒材质相同，直径为
25 mm，主要用于精确控制试样的长度和初始密度；垫片分别为前端垫片、后端垫片和支撑垫片。前端
和后端垫片材质与 SHPB 杆相同，采用 7075 铝合金，直径为 40.0 mm，厚度为 15 mm。垫片的主要作用是
消除试件与杆端之间的不连续性和约束散体颗粒；支撑垫片与套筒材料相同，厚度为 10 mm，位于后端
垫片底部，仅在试样制作时使用，可保证后端垫片在固定时不发生倾斜，从而保证试样长度的精确控制。
SHPB 冲击试验过程中，入射应变 ε 与反射应变 ε 由入射杆上的应变片测得，透射应变 ε 可由透射
t
r
i
杆上的应变片测得。电压信号转变为应变信号按下式计算：
4U in
ε = (1)
KU WB nA u
式中：U 为半导体应变片测量的电压；K 为半导体应变片灵敏因数，取值为 2.08；n 为桥臂数，试验中接
n
i
入方式为半桥，取值为 2；通过预试验确定增益系数 A =1 000，桥压 U =4 V。
WB
u
根据一维应力波理论 [25] ，可得到杆中入射应变 ε 、反射应变 ε 和透射应变 ε 。其中，试件的应力 σ 、
r
i
s
t
应变 ε 和平均应变率 ˙ ε s 分别为：
s
E b A b
σ s = (ε i +ε r +ε t ) (2)
2A s
w t
c b
ε s = (ε i −ε r −ε t )dt (3)
L s 0
c b
˙ ε s = (ε i −ε r −ε t ) (4)
L s
式中：A 和 s L 为试件横截面面积和长度，A 、E 和 b c 分别为杆横截面面积、弹性模量和波速，t 为时间。
s
b
b
1.2 试验材料
试验用砂取自天津河砂，在 105 ℃ 的烘箱中对砂样进行 24 h 恒温烘干处理。根据级配曲线，如图 2
所示，原始砂样平均粒径为 0.63 mm，不均匀因数为 5.07，曲率因数为 1.02。图 3 所示为硅砂表面扫描电
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