Метод Кольского (разрезной стержень Гопкинсона) - это основной экспериментальный метод (далее КСГ) высокоскоростных испытаний материалов, позволяющий определять их механические свойства (напряжение, деформацию, механику разрушения) при скоростях деформации от 10² до 10⁴ с⁻¹, и критически важен для моделирования процессов взрыва, удара, пробивания преград и автомобильных аварий.
Метод КСГ реализуется с помощью пневматической или электромагнитной пушки и ударника (снаряда, который разгоняется до высокой скорости и ударяет по торцу первого нагружающего стержня. Ударный стержень передает ударную волну на нагружающий стрежени и далее на образец, который помещается между двумя длинными упругими стержнями (нагружающим и опорным).
Опорный стержень - принимает прошедшую через образец волну деформации, часть волны отражается назад, а часть проходит через образец. На стрежни наклеиваются датчики (тензорезисторы) для записи параметров упругих волн, они регистрируют продольную волну сжатия (падающую), отраженную волну и прошедшую волну.
По формулам волновой динамики рассчитывают мгновенные значения напряжения, деформации и скорости деформации в образце.
Основные виды испытаний
Метод Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона (КСГ) разделяется на несколько основных видов в зависимости от направления нагрузки и типа напряженного состояния, которое необходимо создать в образце.
- Динамическое сжатие (Split-Hopkinson Pressure Bar — SHPB):
Самый распространенный и классический вид испытаний. Образец в форме небольшого цилиндра или шайбы зажимается между торцами нагружающего и опорного стержней. Ударник бьет по свободному торцу, создавая волну сжатия. Применяется для исследования прочности бетона, металлов, керамики и грунтов. - Динамическое растяжение (Tensile SHPB / SHTB):
Используется для определения пластичности и прочности материалов при растягивающих нагрузках. Требует надежного крепления образца к стержням (обычно на резьбе или специальном клее). Волна растяжения формируется либо с помощью полого ударника, бьющего по фланцу, либо путем быстрого освобождения предварительно зажатого участка стержня. - Динамическое кручение (Torsional SHPB):
Применяется для изучения чистого сдвига без сопутствующих объемных деформаций. Нагружающий стержень предварительно закручивают (накапливают крутящий момент), а затем резко освобождают с помощью быстродействующего зажима. Волна кручения переходит на трубчатый образец. - Динамический сдвиг (Punch / Shear SHPB):
Модификация метода сжатия, где используются специальные пуансоны или образцы особой формы (например, с надрезами или в виде двойного сдвига). Это позволяет моделировать процессы высокоскоростного резания, пробивания преград и образование полос локализованной пластической деформации (полос сдвига).
Специальные и комбинированные модификации:
- Высокотемпературные испытания: оснащаются системами быстрого локального нагрева образца непосредственно перед ударом, чтобы стержни не успели нагреться и изменить свои упругие свойства.
- Низкотемпературные испытания: Образец охлаждается в жидком азоте или криокамере для изучения хладноломкости материалов при ударе.
- Испытания мягких материалов: для полимеров, биологических тканей и резин классические металлические стержни заменяют на полимерные (из плексигласа или нейлона), чтобы улучшить качество сигнала и согласовать акустический импеданс.
Статья: Технология электромагнитного нагружения. Системы разрезных стержней Гопкинсона.
