霍普金森试验下沙柳顺纹动态力学特性分析

段明泽，刘志刚，李国良，裴承慧，张少勇，冀振

(内蒙古工业大学机械工程学院，呼和浩特 010051)

沙柳(Salixpsammophila)作为典型沙生灌木，主要生长在我国西北干旱地区，其根系十分发达，生长速度快，一般4～5年就能成材，且易于繁殖，是我国北方防风固沙的首选植物之一。由于沙柳具有平茬复壮的生长特性，所以需要定期对成材的沙柳进行平茬，否则就会出现沙柳枯死等现象，而平茬后的沙柳会在第2年重新发芽，并且生长旺盛[1]。平茬收获的沙柳不仅是优质的生物质燃料，还可在加工后作为牛羊的饲料，也可作为造纸和建材的原料，有巨大的经济效益[2]。现有的割灌机在平茬过程中会出现刀具寿命短、功率消耗大以及平茬后茬口质量低等问题，影响沙柳翌年的萌发率。为了解决这些问题，国内外出现了利用有限元模拟仿真优化圆锯片的结构和工作参数的需求。而沙柳动态力学本构模型的建立是进行动态力学仿真的基础，但目前国内外学者大多局限于通过准静态试验测定木材的静态基本物理力学性能[3-7]，而鲜见有关沙柳的动态力学性能测定。

目前，对于木材准静态力学性能的测定方法已十分成熟，而对于木材动态力学性能则可通过霍普金森压杆试验技术进行测定[8-11]。其基本原理是基于弹性一维应力波理论，根据试验杆中所接收到的应力波数据求解杆件与试样端面的应力-位移-时间关系，从而得到试样的应力-应变关系。目前，利用霍普金森压杆试验测定各种材料的动态力学特性已成为一个热点。Vural等[12]对轻质木材的准静态压缩试验和霍普金森压杆试验表明，木材有明显的应变率效应，即木材在较高的应变率条件下会使其强度获得提升。窦金龙等[13]利用霍普金森压杆试验对杨木的动态力学特性进行了测定，并对其破坏机制进行了分析。许威等[14]利用霍普金森压杆试验对桦木的动态力学特性行进了研究，通过使用弹性模量较低的铝杆作为试验用杆，并在透射杆上改用半导体应变片，获得了具有较高信噪比的透射波信号。马文龙[15]通过霍普金森压杆试验对樟子松的顺纹、横纹干材和湿材的动态力学性能进行了测定，并分析了木材含水率对其动态屈服应力的影响。在此基础上，笔者以沙柳顺纹材为研究对象，对沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材在霍普金森压杆试验冲击载荷下的动态力学特性进行研究，以期获得沙柳顺纹材在动态压缩过程中的应力-应变响应特性，为建立沙柳顺纹方向的动态力学本构模型提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沙柳试样参照GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》，于2018年1月中旬在内蒙古自治区鄂尔多斯市采集。该地区地势平坦，属北温带半干旱大陆性气候区，干旱少雨，年均降雨量为362 mm，全年日照充足，冬夏寒暑变化大，年均气温7.3 ℃。

试验选取25株5年生，平均高度为3.5 m的沙柳，每株选择靠近根部平均直径50 mm的沙柳枝条进行采集，选取距离地面70～100 mm的部分制成顺纹试件，共160个。由于在霍普金森压杆试验中，较薄的试件具有更好的穿透性，可以减小弥散效应[3]，而为了获得准确的沙柳动态力学特性，试件的尺寸一般至少为木材管胞孔径的10倍以上[14]，并且由于沙柳属于小径级灌木，试件尺寸受到限制。综合考虑以上因素，将沙柳试件的尺寸确定为15 mm×15 mm×15 mm。

选取表面质量较好的120个试件并均分为3组。第1组为40个顺纹生材试件，从中选取10个试件，参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》，利用DYSF-8000W型微波自动水分测定仪测得其平均含水率为37.62%，并将其余试件在进行霍普金森压杆试验前密封保存。第2组为40个顺纹浸泡材试件，将试件在干燥环境晾制7 d制成气干材后，再将气干材试件在室温下用水浸泡50 min，从中选取10个试件测得其平均含水率为37.36%，接近生材的平均含水率状态，并将其余试件在进行试验前密封保存。第3组为40个顺纹气干材试件，从中选取10个试件测得其平均含水率为10.41%，接近GB/T 1928—2009《木材物理力学试验方法总则》规定的气干材平均含水率12%，并将其余试件在进行试验前密封保存。

1.2 试验设备与方法

分离式霍普金森压杆试验示意图如图1所示。为满足弹性一维应力波理论的前提假设，并获得较好的透射波信号，试验中入射杆、透射杆和撞击杆均选用40 mm(直径)×1 800 mm的铝杆。在入射杆上距离试样900 mm处使用普通应变片测量入射波和反射波信号，在透射杆上距离试样900 mm处使用半导体应变片测量透射波信号。实验室中分离式霍普金森压杆试验装置如图2所示。

图1 分离式霍普金森压杆试验示意图Fig. 1 Schematic diagram of the split Hopkinson pressure bar test

图2 分离式霍普金森压杆试验装置Fig. 2 Split Hopkinson pressure bar test device

试验在室温下进行，参照文献[8]的试验方法，将3组沙柳顺纹试件分别在平均应变率为300，500和800 s-1的条件下重复10次试验，舍去波形不完整和试件内部出现严重缺陷的结果，再对数据进行处理和分析。

2 结果与分析

2.1 动态应力-应变曲线分析

通过霍普金森压杆试验及后期的数据处理，得到了沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材在平均应变率为300，500和800 s-1条件下的应力-应变曲线，如图3所示。

图3 沙柳顺纹材在不同平均应变率下的应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of Salix psammophila specimens along grain at different average strain rates

由图3分析可知，沙柳顺纹材有如下特性。

1)不同类型的沙柳顺纹试件的动态屈服应力均随着平均应变率的提高而增大。因此，沙柳顺纹方向对应变率较为敏感，有较明显的应变率效应。

2)沙柳顺纹浸泡材在不同平均应变率下的动态屈服应力低于沙柳顺纹生材在对应平均应变率条件下的动态屈服应力。分析其原因可能为，在制作沙柳浸泡材试件过程中，沙柳中的纤维素、半纤维素和木质素等会有不同程度的降解，而沙柳组织中的胶质、淀粉、糖类等可溶物质也会有部分流失。因此，在相同的平均含水率条件下，浸泡材试件的纤维聚合度和密度低于生材试件，并且由于水分的浸润和湿胀作用，使浸泡材试件组织中纤维素间的摩擦力变小，从而降低了浸泡材试件的动态屈服应力。即使在含水率相同的情况下，沙柳顺纹浸泡材的动态力学性能与沙柳顺纹生材的动态力学性能也存在较大的差异。

3)沙柳顺纹生材在不同平均应变率条件下的动态屈服应力低于沙柳顺纹气干材在对应平均应变率下的动态屈服应力。根据水对木材强度的影响规律分析其原因为，沙柳生材在变为气干材的过程中，随着水分的解吸，沙柳组织中纤维素的空间结构体积会随之缩减，引起细胞壁坍塌、起皱，使细胞腔体积变小，试件密度随之增加，导致试件组织中纤维素间的摩擦力增大，从而提高了气干材试件的动态屈服应力。

4)沙柳顺纹材的动态应力-应变响应特性可分为3个阶段：第1阶段，在试件受到压力的初始阶段，材料发生微小变形来抵抗压力，内部结构没有发生破坏，变形是可恢复的，此时材料的应力-应变关系基本成正比关系，这一阶段为弹性变形阶段；第2阶段，在材料所受应力达到材料相应的动态屈服应力后，材料内部相对较弱的区域发生纤维的屈曲和褶皱，在材料内产生局部压实，形成裂纹和应力集中，进而引发周边区域出现坍塌，在应力-应变曲线图中表现为曲线振荡，出现许多局部的应力峰值，此阶段为应力变化幅度较小但变形量却急剧增加的塑性坍塌阶段；第3阶段，随着裂纹的扩展，材料没有因为细胞壁的坍塌、挤压变得致密化，而是直接被压溃，逐渐失去其力学性能，进入失稳压溃阶段。

2.2 破坏形态分析

通过霍普金森压杆试验，得到了沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材在平均应变率为300，500和800 s-1条件下的破坏形态，如图4所示。

图4 沙柳顺纹材在不同平均应变率下的破坏形态Fig. 4 Failure mode of Salix psammophila specimens along grain at different average strain rates

由图4可看出，沙柳顺纹材在霍普金森动态加载试验中，在逐渐提高的平均应变率下，试件的破坏程度随之逐渐增大。在300 s-1的平均应变率条件下，由于加载气压比较小，子弹的发射速度较小，撞击杆所传递的动能较小，此时只有气干材试件沿着顺纹加载的方向产生了裂纹，而由于水分与纤维之间存在摩擦力，浸泡材和生材试件只被轻微压扁但并没有产生明显的裂纹。在500 s-1的平均应变率条件下，由于加载的气压逐渐增大，发射子弹的速度逐渐增大，撞击杆所产生的动能逐渐增大，3组试件均被破坏，一些块状的碎屑沿着沙柳顺纹方向剥落。在800 s-1的平均应变率条件下，由于加载的气压继续增大，发射子弹的速度继续增大，使得撞击杆所产生的动能继续增大，此时试件被压溃成大量片状碎屑，并且片状碎屑上出现褶皱现象，这些褶皱是由于载荷沿着顺纹方向加载时，木材主要通过细胞壁中微纤丝之间的滑移来耗散能量，而细胞壁中微纤丝滑移的积累最终表现为木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱[14]。同时，由于浸泡材和生材中水分与纤维之间的摩擦力作用，使这两组试件中的细小片状碎屑仍黏在一起，并未出现气干材试件中细小片状碎屑散落现象。

3 结 论

通过分离式霍普金森压杆试验获得了沙柳顺纹浸泡材、生材和气干材在300，500和800 s-1平均应变率条件下的应力-应变响应曲线和试件的破坏形态，并对其进行了分析，得到以下结论：

1)沙柳顺纹方向对应变率较为敏感，有较明显的应变率效应，因此，建立沙柳的动态力学本构模型，对利用有限元模拟仿真的方法解决在实际工作中遇到的受到动态载荷影响的问题更为可靠。

2)沙柳顺纹方向在动态压缩试验中的应力-应变响应特性可分为弹性变形、塑性坍塌和失稳压溃3个阶段。

3)在将沙柳生材试件制作成气干材试件，以及将气干材试件制作成浸泡材试件的过程中，由于水分在其中的作用是不可逆的，所以即使在同样的含水率条件下，沙柳浸泡材并不能代替生材为建立沙柳在接近工作环境下的动态力学本构模型做出参考。