Page 14 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 杜 冰，等： 基于电磁Hopkinson杆系统的恒应力比动态拉伸/压缩-扭转复合试验装置及方法 第 7 期

40 40
Tension-inci.
30 Torsion-Inci. 30
20 20
True stress/MPa 10 0 True stress/MPa 10 0

−10
−20
−20 L tor L ten −10
−30 Δt= √G/ρ − √E/ρ −30 Δt=230 μs
−40 −40
0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000
Time/μs Time/μs
(a) Original stress waveforms (b) Pulse waveforms with tension wave shifted by 230 μs

图 9 典型动态拉伸-扭转实验的入射波
Fig. 9 Typical tension-torsion incident pulse waves
应变率与稳定的应力比。在本装置设计中，基于 Wang 等 [25] 的研究，采用梯形拉伸波与梯形扭转波相结
合的加载方式。该组合通过在加载阶段维持波形平台，旨在为试样提供恒定的应变率与稳定应力比环
境。如图 10 (a) 所示，当扭转入射波 (橙色) 为梯形波时，对比红色所示的正弦拉伸波与蓝色所示的梯形
拉伸波可见，二者与扭转波的上升沿基本同步。然而，正弦波在达到峰值后迅速衰减，引起应力与应变
的剧烈波动，无法维持稳定加载状态。而梯形拉伸波在达到峰值后，可维持约 300 μs 的平台阶段，同时
扭转波的平台宽度约为 420 μs 。较长的平台阶段意味着试样在相应时间段内处于相对稳定的应力与应
变环境中，有利于实现均匀可控的变形过程。
如图 10 (b) 所示，当拉伸入射波为正弦波时，应力-应变曲线的扭转分量呈现复杂的变化趋势。材
料屈服后，该分量迅速下降，这主要源于正弦波应力变化的特点，即其在峰值后迅速衰减，对材料扭转
应力产生显著影响，致使扭转分量急剧减小。然而，当应变达到约 0.07 时，扭转分量出现反转，开始逐
步回升，并持续至加载结束。相比之下，当拉伸入射波为梯形波时，扭转分量的变化相对平稳，未出现
明显下降。随着应变逐渐增大，该分量呈稳步上升趋势。进一步对比两种加载方式下的应力比变化可
见，在正弦波加载过程中，应力比从 1.0 逐渐上升至 1.5，但当应变达到 0.1 时却转而下降。而在梯形波加
载中，应力比从 1.0 稳步上升至 1.7，并在应变为 0.05 左右即进入稳定阶段，此后始终保持恒定，直至加载
结束。

50 5

600
40 4 3
True stress/MPa 30 Equivalent stress/MPa 400 2 Stress ratio

20

Torsion component 2
10 Incident-tension 1 200 Torsion component 1 1
Incident-tension 2 Stress ratio 1 0
Incident-tension Stress ratio 2
−1
0 500 1 000 0 0.05 0.10 0.15
Time/μs Equivalent strain
(a) Comparison of the incident pulse waves, including (b) Stress-strain curves of torsion components and stress
sinusoidal, trapezoidal tensile waves, and trapezoidal ratios curves with different shapes of tensile waves. The red
torsional wave line is the result of a sinusoidal shape tensile wave; the blue
line is the result of a trapezoidal tensile wave

图 10 不同形状拉伸波作用下实验结果的对比
Fig. 10 Comparison of experimental results under tensile waves with different shapes

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