Page 5 - 《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

show that the device is highly reliable and effective. It successfully achieved a stable stress ratio of approximately 1.7

throughout the loading duration. Furthermore, the experiments conclusively showed a key finding. Trapezoidal wave loading
significantly enhances stress-ratio stability during combined dynamic loading. This improvement contrasts with the effect of
traditional sinusoidal wave loading. This advancement offers a robust and controllable experimental method. It enables the
study of materials’ dynamic mechanical responses under complex stress states. These states involve high-strain rates and
multiaxial loading. This capability is especially valuable for aerospace, impact engineering, and materials science applications.
The successful implementation of constant stress-ratio loading opens avenues for more accurate characterization of material
yield criteria and failure mechanisms under dynamic multiaxial conditions.
Keywords: electromagnetic Hopkinson bar; dynamic loading; multiaxial loading; constant stress-ratio
[1]
Hopkinson 杆技术被广泛用于测试材料高应变率下的一维应力状态响应，包括拉伸 、压缩 [2-3] 和扭
转 [4] 等。该技术的提出和发展经历了较长的历史，并最终由 Kolsky [5] 设计定型为今天经典的分离式

Hopkinson 杆（split Hopkinson bar, SHB）模式。SHB 装置包括分离的入射杆和透射杆，实验时试样放置在
两杆中间，并由撞击杆产生的拉伸/压缩波对试样进行加载，通过入射和透射杆上的应变信号，可以计算
−1
2
4
得到试样的应力-应变响应。目前，Hopkinson 杆技术已被广泛用于测定材料在高应变率 (10 ～10 s ) 下
的动态力学性能 。在 Hopkinson 杆实验技术的发展过程中，有许多学者 [7-12] 对该技术的创新与发展做
[6]
出了重要贡献，不仅优化了设备结构，也拓展了其应用范围。分离式 Hopkinson 扭杆（split Hopkinson
torsion bar, SHT B）被设计用来测定材料的一维应力状态动态剪切力学响应，其基本设计与 SHB 装置类
or
似，区别在于经典的 SHT B 采用储能-释放的方式 [13] 产生扭转波。Hopkinson 扭杆能有效测定材料的动
or
态剪切力学性能，众多研究者通过其对高应变率剪切试验进行了大量探索与实践 [14-18] 。在动态剪切实验
中，Hopkinson 扭杆试验技术相对比较复杂，对设备要求较高，其中加载装置和夹具对试验装置有很大影
响。加载装置主要提供稳定可靠的扭矩，夹具不仅要能够起到夹紧的作用，而且还要能够在短时间内释
放扭矩，这也导致了目前高应变率剪切试验技术发展较为缓慢。
上述 Hopkinson 拉/压/扭杆装置共同构成了 SHB 系统。基于该系统，Huang 等 [19] 提出了一种可以对
薄壁圆筒试样进行压缩-扭转耦合加载的实验装置，该装置通过在储能段同时储存压缩和扭转两种能量
并瞬间释放，可在入射杆中同步产生压缩和扭转两列应力波，并对试样进行耦合加载以获得动态复合响
应。然而，需要注意的是，该装置存在如下缺点：由于拉伸/压缩和扭转波是同时释放的，且释放位置相
同，这使得两列应力波实际从同一起点同时向试样传播加载，由于纵波 (压缩波) 与剪切波 (扭转波) 的波
速存在固有差异 [20] ，二者无法同时到达试样端面，因此难以实现理想的同步耦合加载。
Nie 等 [21] 提出了一种基于电磁能量装置转换技术开发的电磁力转化为应力波的实验装置，即电磁
Hopkinson 杆 (electromagnetic split Hopkinson bar, ESHB) 实验装置。该装置不仅具备传统 Hopkinson 杆的
全部功能，在同步性与可控性方面亦有显著提升，能够对试样进行多轴同步动态加载 [22] 。其基本原理
是，通过电路控制供电电路向电容器供电后，放电瞬间脉冲电流向主线圈供电，主线圈与次级线圈之间
产生应力波，应力波沿与次级线圈贴紧的波导杆传播，完成对试样的加载，其主要技术原理见文献 [10, 21]。
在此基础上，研究人员进一步拓展了其应用，Liu 等 [23] 针对传统 Hopkinson 扭杆实验技术的一些弊端，开
发出了电磁 Hopkinson 扭杆（electromagnetic Hopkinson torsion bar, ESHT B）实验装置。该装置的应力波
or
发生原理与传统的 Hopkinson 扭杆类似，均为储能式 Hopkinson 扭杆。实验前，夹持装置夹紧波导杆，通
过扭矩机转动波导杆的储能段，使得储能段预存一定的内能。实验时，夹持装置瞬间释放，应力波从储
能段产生并沿波导杆传播，对试样进行加载。电磁 Hopkinson 扭杆区别于传统 Hopkinson 扭杆的特点在
于，采用电磁解锁装置替代了原有的销钉解锁-夹持装置，使用高强度弹簧为夹持装置提供预紧力。其核
心改进在于采用电磁解锁装置替代了传统的机械销钉。该装置利用通电主、次级线圈间产生的巨大电
磁斥力瞬间推开夹持装置，大幅提升了装置的控制性能，实现了剪切波的按需生成与精确控制。前述的

ESHT B or 装置可以配合 ESHB 装置，构成电磁 Hopkinson 拉/压-扭杆 (ESHT/P-T B) 系统，实现材料的动态
or

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