Page 20 - 《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

2 适用于冲击疲劳试验的单脉冲加载方法

2.1 单脉冲加载在冲击疲劳试验中的必要性
在 SHPB 试验中，撞击弹（杆）撞击入射杆产生入射波后，应力波在杆上传播对试样进行加载。加载
后的应力波不会消失，而是在杆中继续不断来回反射，若试样与杆端面未及时分离，则杆中来回反射的
应力波可能多次对试样进行加载。图 3 为典型的 SHPB 试验中应力波在杆上来回反射得到的应变-时间
历程曲线，由于入射波来回反射，对试样进行多次加载，导致透射波的幅值增大。这种现象对在冲击疲
劳试验中准确定量分析加载幅值和冲击疲劳寿命之间的关系增加了困难。因此需要避免后续的应力波
脉冲对试样进行加载，即要实现对试样的单脉冲加载。
为了更好地理解多脉冲加载问题，将应力波在杆中的传播过程在物理平面上表示，如图 4 所示，图
l 为杆的弹性模量、密度、横截面积和长度，下标 i、r 和 t 分别代表入射波、反射波和透射
中 E 、 ρ 、 A 和
波。当入射杆和透射杆的材料、长度和直径完全相同时，入射杆中的第 1 列压缩波第 1 次到达试样时，
在端面 1 和端面 2 产生向右的位移，两端面的位移差为试样的变形。而反射波在入射杆靠近撞击端的端
面 0 全反射为压缩波，再次向试样方向传递，对试样造成第 2 次加载。透射杆上的第 1 次加载产生的透
射波在端面 3 反射为拉伸波，然后回到端面 2 再次反射为压缩波，并与第 2 次加载产生的透射波叠加，造
成幅值增大的现象。图 4 中所示的第 1 次加载就是我们所需的对试样的加载，而第 2 次以后的加载是需
要避免的。

800 Incident bar Incident wave
600 Transmitted bar Striker Incident bar Specimen Transmitted bar
400 0 1 2 3
200 E i , ρ i , A i , l i E t , ρ t , A t , l t x
Strain/10 −6 −200 0 ε i ε r First loading ε t
Second
−400 ε i ′ loading ε tr
−600 ε r ′ Third ε t ′
−800 Increasing amplitude ε i ″ loading ε tr ′
−1 000 ε t ″
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Time/ms t
图 3 典型 SHPB 试验中加载杆的应变-时间历程曲线 图 4 应力波在相同长度的入射杆和透射杆中的传播过程
Fig. 3 Strain-time history curves of loading bars Fig. 4 Propagation process of stress waves in incident
in a typical SHPB test bar and transmitted bar with the same length

尽管在分离式 Hopkinson 杆试验中已经有成熟的单脉冲加载方法 [19-21] ，如图 5 [15, 17] 所示，但其操作比
较复杂，通过一种预留间隙的方法进行波形抑制，通常需要将间隙的精度控制在 10 µm 量级。这极大降
低了冲击疲劳试验的效率，要精确控制和实现也非常困难，因此，开发一种简单快速的单脉冲加载方法
很有必要。

Absorption tube Flange

Striker Absorption bar

Reserved gap Striker Incident bar
Flange Reserved gap Rigid mass Incident bar
(a) Pressure bar [15] (b) Tensile bar [17]
图 5 分离式 Hopkinson 杆中的单脉冲加载方法 [15, 17]
Fig. 5 Single pulse loading methods in split Hopkinson bars [15, 17]

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