分離式Hopkinson(霍普金森)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是目前實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究最多的材料動(dòng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)。要講霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，就要先從材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)開始講起。
圖源—洛陽道生精密
材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)
在各類工程技術(shù)、和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實(shí)際問題中，甚至就在日常生活中，人們都會(huì)遇到各種各樣的爆炸/沖擊載荷問題，并且可以觀察到，物體在爆炸/沖擊載荷下的力學(xué)響應(yīng)往往與靜載荷下的有顯著不同。
19世紀(jì)開始，人們才逐步認(rèn)識(shí)到了材料在動(dòng)載下的力學(xué)性能與其在靜載下的力學(xué)性能不同。
Thomas Young是分析彈性沖擊效應(yīng)的先*，他(1807)提出了彈性波的概念，指出桿受軸向沖擊力以及梁受橫向沖擊力時(shí)可從能量進(jìn)行分析而得出定量的結(jié)果。J. Hopkinson 1872完成了第一個(gè)動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)，觀察到鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端，而是固定端；并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度，即取決于撞擊速度，而與落重質(zhì)量的大小基本無關(guān)。Pochhammer，1876；Chree，1886；Rayleigh，Lord 1887分別研究了一維桿中的橫向慣性運(yùn)動(dòng)。1897年Dunn 設(shè)計(jì)了第一臺(tái)高應(yīng)變率試驗(yàn)。1914年B.Hopkinson想出了一個(gè)巧妙的方法，用以測(cè)定和研究爆炸或彈丸射擊桿端時(shí)的壓力～時(shí)間關(guān)系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿（Pressure Bar），有時(shí)縮寫為HPB。
二戰(zhàn)之前，很少有人研究動(dòng)態(tài)壓縮加載問題，只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個(gè)方法來測(cè)量材料的動(dòng)態(tài)壓縮強(qiáng)度。Taylor方法主要是假設(shè)材料是剛性——理想塑性，運(yùn)用一維波傳播的基本概念，用一個(gè)圓柱撞擊剛性靶，然后測(cè)出其變形，最后得到材料動(dòng)態(tài)壓縮屈服應(yīng)力。
高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展史
1807 固體中的彈性波與斷裂強(qiáng)度；
1800s 關(guān)注剛軌道的動(dòng)態(tài)斷裂前度；
1872 Hopkinson實(shí)現(xiàn)金屬絲的動(dòng)態(tài)加載；
1870s-1880s Pochhammer和Chree發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)桿中彈性波的耗散；
1897 Dunn 設(shè)計(jì)了第一臺(tái)高應(yīng)變率試驗(yàn)機(jī)；
1905 Hopkinson實(shí)現(xiàn)金屬試件的動(dòng)態(tài)加速加載；
1914 利用Hopkinson壓桿測(cè)定彈丸撞擊和爆炸的脈沖波形；
1920s-1930s 致力于高溫下鋼的拉伸和扭轉(zhuǎn)沖擊加載的技術(shù)研究；
1940s Carrington and Gayle等發(fā)展Taylor試驗(yàn)技術(shù)；
1940s Fehr 和 Parker等在動(dòng)態(tài)拉伸試驗(yàn)中開始使用應(yīng)變片技術(shù)；
1948 Davies分析了波在Hopkinson壓桿中的傳播，并發(fā)展了電容方法測(cè)量桿中應(yīng)力脈沖；
1948- 9 Volterra and Kolsky發(fā)明分離式SHPB
1950s Loizou and Sims發(fā)展了凸輪塑性儀；
1950s Davies等確定采用表面應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力波傳播的合理性。
目前，已能對(duì)材料進(jìn)行不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究。常規(guī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率在0.1/s以下；凸輪塑性機(jī)和落錘實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變率到500/s；輕氣炮和平面波發(fā)生器可以獲得10000/s 以上的超高應(yīng)變率加載，核爆炸產(chǎn)生的應(yīng)變率比108/s 大；分離式Hopkinson壓桿裝置被認(rèn)為是獲得材料在100/s- 10000/s高應(yīng)變率范圍內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的最主要實(shí)驗(yàn)手段。分離式Hopkinson實(shí)驗(yàn)技術(shù)完善了準(zhǔn)靜態(tài)加載與超高應(yīng)變率加載之間的部分空缺應(yīng)變率范圍，這個(gè)范圍恰好包括了流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率，所以對(duì)它的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和應(yīng)用情況研究也最多。
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)
Kolsky證實(shí)了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變與壓桿位移之間的關(guān)系。利用超動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器+數(shù)字示波器，記錄存儲(chǔ)入射桿和透射桿的應(yīng)變-時(shí)間波形。
該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一維應(yīng)力波理論，通過測(cè)定壓桿上的應(yīng)變來推導(dǎo)試樣材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。SHPB技術(shù)之所以能受到人們的重視，主要原因是該測(cè)試技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)十分突出，主要表現(xiàn)在：
測(cè)量方法巧妙，成功的避開了要在試樣同一位置上同時(shí)測(cè)量隨時(shí)間變化的應(yīng)力和應(yīng)變的難題；
SHPB試驗(yàn)所涉及的應(yīng)變率范圍包括了流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率（100～10000/s）；
入射波形易于控制，改變彈丸(撞擊桿)的撞擊速度及形狀，即可調(diào)節(jié)入射脈沖波形，從而也調(diào)節(jié)了作用于試樣上的波形。
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)主要用于研究材料在沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞機(jī)理，包括：
巖石、混凝土、陶瓷材料試驗(yàn);
塑料、復(fù)合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗(yàn);
高聚物、固體推動(dòng)劑材料試驗(yàn)等。
1 動(dòng)態(tài)荷載下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
靜態(tài)荷載下，材料應(yīng)力σ=應(yīng)變?chǔ)拧钍夏Ａ縀。
而在動(dòng)態(tài)荷載下，材料力學(xué)性能會(huì)與加載率（應(yīng)變率）顯著相關(guān)。高幅值短持續(xù)時(shí)間脈沖荷載所引起的材料力學(xué)性質(zhì)的應(yīng)變率效應(yīng)，對(duì)于抗動(dòng)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析是非常重要的。這些動(dòng)載來自常規(guī)兵器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍民事。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)撞擊桿撞擊入射桿時(shí)，通過采集入射桿和透射桿的應(yīng)變脈沖-時(shí)間波形，就可得到作用于試件的沖擊荷載。而改變撞擊速度就可以改變作用于試件的沖擊荷載和試件的應(yīng)變率。通過多次測(cè)試，就能得到試樣在不同應(yīng)變率下表現(xiàn)出的不一樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。下圖是鋁在一個(gè)測(cè)試結(jié)果，在較高的應(yīng)變率下，試件發(fā)生了較大的變形。
2 應(yīng)力波傳播特性和能量耗散分析
對(duì)不同的試樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到其波阻抗特性并進(jìn)行能量耗散分析。在一定波阻抗匹配系數(shù)范圍內(nèi)，演示波阻抗匹配效果的改善，有利于提高能量利用率，降低巖石大塊率，改善破巖效果。
3 試樣破壞機(jī)理研究
試樣在不同沖擊速度下呈現(xiàn)不同的應(yīng)變時(shí)程曲線，且破壞形態(tài)也不一樣。以復(fù)合巖體為例，隨著沖擊速度的增大，巖體破壞逐漸加劇，碎塊數(shù)量增多、體積減小。
霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集
霍普金森壓桿試驗(yàn)，需要非常快速（數(shù)MHz）的采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。
數(shù)字示波器是我們實(shí)驗(yàn)室常用的設(shè)備，采樣頻率很高，但是應(yīng)變片在經(jīng)過橋路轉(zhuǎn)換后的輸出電壓非常小，在mV級(jí)別甚至μV級(jí)別。而超動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器可以將橋路的輸出電壓進(jìn)行無失真的放大到1-10V，放大后示波器可以很輕易的采集，而且信噪比高。
在擁有數(shù)字示波器的前提下，我們只需要再配備2個(gè)或多個(gè)超動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器，即可以較低的成本高規(guī)格的滿足試驗(yàn)要求。
