Page 23 - 《爆炸与冲击》2026年第3期

σ
−500

−0.5 −1 000

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

6 400 2.5 1 500
s 1 s 1
5 s s 300 2.0 s s
1 000
σ s 200 1.5 σ s
Displacement/mm 3 2 100 Stress/MPa Displacement/mm 1.0 500 Stress/MPa
4
0
0
1
−100 0.5 −500
0 0
−1 −200 −0.5 −1 000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Time/ms Time/ms
(b) The second combination case (c) The third combination case
图 7 端面位移和试样应力的数值模拟结果
Fig. 7 Numerical simulation results of end face displacement and specimen stress

3 冲击疲劳试验验证

在国防和民用领域，装备和结构在各类复杂环境中，剪切和拉伸破坏是常见的失效形式，因此，基于
本文中提出的方法建立了基于 Hopkinson 压杆的剪切冲击疲劳试验装置，其中入射杆和透射杆的材料均
为 7075 铝合金，直径均为 26 mm，长度分别为 1 500、1 000 mm。图 8 所示为该冲击疲劳试验装置的加载
部分，根据文献 [14] 对加载部分进一步增加了自动控制系统，并使用该试验系统对 TC4 钛合金帽形双剪
切试样进行了冲击疲劳试验。

Striker Shear specimen

Barrel Incident bar Transmitted bar
图 8 冲击疲劳装置加载部分的示意图
Fig. 8 Schematic diagram of the loading part of the impact fatigue device

通过在剪切试样上直接粘贴应变片监测试 400
样的受载情况，如图 9 所示，可以看到，应力波在 Incident bar
Transmitted bar
300
杆中来回反射数次，试样仅受到一次加载，证明 200 Specimen
了本文提出的单脉冲加载方法的可行性。 100
为了尽量保证试样剪切区接近纯剪切的应 Strain signals/10 −6
力状态，首先采用 ABAQUS/Explicit 数值模拟软 0
件对帽形双剪切试样进行建模分析，对剪切区的 −100
尺 寸 进 行 优 化 设 计 。 设 定 剪 切 区 初 始 的 厚 度 、 −200
宽度和高度分别为 1、1、4 mm，依次固定其中两 −300 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
个尺寸参数，研究另一个尺寸参数对应力三轴度 Time/ms
的影响，结果如图 10（a）所示。可以看到，厚度 图 9 剪切试样单脉冲加载验证
越小、宽度越大、高度越小，应力三轴度越趋近 Fig. 9 Verification of single pulse loading of shear specimen
于零。但由于宽度太大，会导致剪切区的应力分
布不均匀，如图 10（b）所示，因此本文最终选择的剪切区尺寸为厚度 1 mm、宽度 1 mm 和高度 4 mm。
确定的试样几何形状和尺寸如图 10（a）中插图所示，在试验中为了保证试样不发生侧向滑移，使用
了如图 11 所示的限位器，并对 Hopkinson 加载中试样两端的应力平衡性进行了验证，如图 12 所示，确保
了试验数据的准确性。对试样进行剪切冲击疲劳试验，连续采集试验过程中的透射应力波幅值，进一步

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