技术研究｜霍普金森杆对玻纤增强材料（GFRP）的动态压缩性能研究

GFRP（Glass Fiber Reinforce Plastic）材料，指的是玻璃纤维增强复合材料，俗称“玻璃钢”。它是以玻璃纤维及其制品（纱、带、玻璃布、毡等）作为增强材料，以合成树脂作基体的一种复合材料，根据不同的树脂分为环氧玻璃钢、酚醛玻璃钢、聚酯玻璃钢等。玻璃钢具有质量轻、强度高、耐腐蚀、良好介电性、成形设计性好等优点，是替代金属材料的首选材料之一。GFRP材料用途广泛，被用于桥梁、混凝土筋材、管道材料、装饰装修材料、保温隔音等方面。在这些应用中，GFRP材料可能会受到冲击载荷作用，在冲击载荷下材料往往表现出与准静态试验下不同的物理特性，即材料物理性能具有应变率相关性，材料的强度随着应变率的升高而增大。

表1 GFRP与常见金属材料的物理性能对比

研究材料的冲击动态性能常用的有落锤冲击试验、泰勒冲击试验、分离式霍普金森压杆试验（Split Hopkinson pressure bar，简称SHPB），本文将使用SHPB技术对GFRP的动态性能进行研究，利用二波法对波形数据进行处理，得出材料不同应变率的应力-应变曲线和应变率-时间曲线。

02分析与讨论

2.1应力-应变曲线

常温20℃下GFRP材料不同试样尺寸的应力应变关系如图2~图3，其中图3应变率为500/s的曲线因为气压较小撞击杆速度较低，导致试样为发生大的变形而破坏，最终只有部分压缩曲线。从两图可以看出曲线均有抖动的现象，这是因为试验过程中，无法完全满足霍普金森试验的理论假设—一维应力波假设，出现了波弥散，使得最终曲线抖动异常。同时抖动幅度不是很大，可以近似假设波在杆中没有散射。GFRP材料两种尺寸的应力应变关系曲线都经历了弹性阶段、强化阶段和最后的应变软化阶段，因此同样可用弹性模量、屈服强度、压缩强度及最大强度对应的应变等参数来表征GFRP的动态压缩性能。

图2 试样φ5.6mm*5mm应力-应变曲线

图3 试样φ5.6mm*10mm应力-应变曲线

表3是两种尺寸试样的不同应变率下的压缩强度对比，可以看出GFRP材料的压缩强度随着应变率的增大而增加，说明了常温20℃下GFRP材料对应变率敏感，在高应变率下表现为应变强化效应。

表3不同应变率压缩强度对比

03应变率分析

霍普金森试验的另一个假设是试验过程中恒应变率。从φ5.6mm*5mm和φ5.6mm*10mm两种尺寸的应变率曲线可以看出，试验过程中应变率均为达到恒定。其中图4试样尺寸的长径比小于1，试验过程中应变率波动大，但平均来说保持在一个水平上。而图5试样尺寸的长径比大于1，试验过程中应变率总体是下降趋势。试验无法实现恒应变率假设，原因是GFRP材料的阻抗小，与钢质杆系的弹性模量差距很大。因此，测试阻抗低的材料，需要选择弹性模量更低的杆系，比如铝杆或者尼龙杆。同时在选择试样尺寸时，首选圆柱形试样，且试样的长径比在0.5~1之间最佳。

图4试样φ5.6mm*5mm应变率-时间曲线

图5试样φ5.6mm*10mm应变率-时间曲线

观察两种尺寸的应变率曲线，上升阶段均很抖，而且异常冲高后才回落。应变率上升较缓更容易实现恒应变率假设，如图4的900/s曲线。测试低阻抗材料时，为了试验过程中应变率达到近似恒定，有文献指出在撞击杆和入射杆之间增加缓冲部件，该部件称为“波形整形器”，如图6。根据测试材料的不同，选择波形整形器的材料和尺寸均有所不同，需要试验验证选择。常用的波形整形器材料有紫铜等。

图6波形整形器

04结论

本文利用霍普金森试验技术测试GFRP材料的动态压缩性能。试验表明，GFRP材料具有应变率敏感性和应变强化效应。高阻抗的SHPB测试系统，测试GFRP材料时阻抗差异过大，导致无法实现恒应变率假设，最终得出的测试结果缺乏可靠性。在测试低阻抗材料时，钢不适合作为杆系材料，需要选择更低阻抗的材料作为波导杆，比如铝材或者尼龙材料。同时可在SHPB测试系统中增加波形整形器部件，以确保恒应变率假设。

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