Page 18 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

第 46 卷 李泊立，等： Hopkinson杆用于冲击疲劳试验的应力波调控方法 第 7 期

and enhanced, and the stress wave propagation characteristics in the loading bar, specimen, and associated fixtures under
successive impacts were analyzed in detail. The method for controlling the amplitude, width, and waveform configuration of
the impact loading pulse applied to the specimen was systematically analyzed. In addition, a theoretical analysis was conducted
on the principle of achieving single pulse loading in impact fatigue testing. Effective control of the amplitude, pulse width, and
the stress wave pulse configuration of the loading wave is realized by optimizing and modifying the impact velocity, length,
and geometric shape of the projectile. Consequently, a simple and efficient single pulse loading method suitable for impact
fatigue testing was proposed. The core principle involves designing the length and material parameters of the loading bar such
that the end surfaces of the specimen and the bar coordinate and then separate, thereby preventing irregular and random
secondary or multiple loadings caused by reflected stress waves. This design ensures that each individual impact in a
continuous impact sequence results in a single loading on the specimen. The effectiveness and feasibility of the proposed
impact fatigue testing technique have been verified through a combination of numerical simulations and experimental
investigations. Additionally, a dedicated loading fixture for shear-type impact fatigue was developed, enabling the acquisition
of the shear impact fatigue stress-life curve of TC4 titanium alloy, thus demonstrating the method’s applicability to complex
loading modes.
Keywords: impact fatigue; stress wave; single pulse loading; Hopkinson bar

冲击疲劳是指结构和零部件在重复冲击载荷下诱发损伤，并不断累积直至断裂失效的过程，在航空
[1]
航天、兵器、航海等领域十分常见。例如舰载机起飞和着舰对机身产生的重复冲击力 ，拦阻钩-索承受
[3]
[4]
的反复冲击载荷 ，火炮机子弹发射产生的连续后坐冲击力 ，破冰船受到冰层重复冲击 等均属于冲击
[2]
疲劳问题。冲击疲劳的加载率很高，通常从零加载到最大幅值仅需数十微秒，由此带来的应变率效应、
惯性效应、绝热温升等问题，使其不同于常规疲劳。由于长期受强冲击试验技术与测试技术等制约，目
前具有冲击波形可控的、高加载率、实时示波等特性的冲击疲劳试验技术与方法仍处于不断发展中。
现有的冲击疲劳试验装置从加载形式上可以大致分为 3 类。第 1 类是基于落锤试验机的依靠落锤
自身质量下落对试样进行冲击，例如中国飞机强度研究所设计的一系列落锤式冲击疲劳试验机 [5-6] ，可以
对拉伸试样和三点弯曲试样开展冲击疲劳试验。第 2 类是利用电机驱动回转机械结构（如凸轮、曲柄滑
块等）往复运动，使冲头对试样进行冲击，例如 Azouaoui 等 [7] 利用曲柄连杆机构设计了一种冲击疲劳试
验机，Dumitru 等 [8] 利用凸轮机构设计了一种扭转冲击疲劳试验机。第 3 类是基于分离式 Hopkinson 杆
中应力波的传播对试样进行冲击，例如 Isakov 等 [9] 基于分离式 Hopkinson 杆，通过真空回收弹体实现对
试样的连续重复冲击加载，Pagano 等 [10] 提出了一种改进型 Hopkinson 冲击疲劳装置，通过电磁铁和弹簧
组合驱动撞击杆重复撞击。落锤形式的冲击疲劳试验机通过改变落锤的质量和高度以产生不同的冲击
能量，每次冲击后迅速抬升锤体，再进行后续冲击加载，冲击频率较低，同时不能实时显示应力波形，无
法获取准确的应力-寿命或应变-寿命曲线。电机形式的冲击疲劳试验机可以达到很高的加载频率，但冲
击能量较小，同样难以获得试样每次受冲击时的应力-应变曲线。分离式 Hopkinson 杆利用应力波在波
导杆上的传播特性，可以准确得到试样在动态加载下的应力-应变曲线，因此，基于分离式 Hopkinson 杆
发展新的冲击疲劳试验方法在获取试样应力-寿命或应变-寿命曲线上具有显著优势。但是，Hopkinson
杆装置中，试样通常是用螺纹、销钉或高强胶固连在杆上，当撞击杆撞击一次时，产生的应力波在入射杆
和透射杆中来回反射，会使试样承受多次非恒定幅值的载荷作用。这种不可控的加载模式容易导致较
大的试验误差，从而影响疲劳寿命评估的准确性。有学者巧妙地利用应力波在杆中反射的特性 [11-13] ，将
来回反射的应力波反复对试样进行加载，但撞击杆每次撞击后，由于应力波在传播过程中的弥散和衰
减导致载荷幅值在十几次加载后同样会降低。因此，将分离式 Hopkinson 杆应用于冲击疲劳试验需要解
决的关键问题是对应力波的控制，这包括对应力波脉冲波形（脉宽、幅值、加载波构型）以及单脉冲加载
的实现。前期研究中已经针对 Hopkinson 杆装置建立了基于 PLC（programmable logic controller) 控制的
自动连续高频加载装置 [14] ，并且为实现恒幅加载尝试讨论了多种方法 [15] 。本文中将介绍一种更简单便

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