分離式Hopkinson(霍普金森)實驗技術(shù)是目前實驗技術(shù)和應(yīng)用情況研究最多的材料動力學(xué)性能實驗。要講霍普金森壓桿實驗，就要先從材料動態(tài)力學(xué)性能實驗開始講起。

　　材料動態(tài)力學(xué)性能實驗

　　在各類工程技術(shù)、和科學(xué)研究等廣泛領(lǐng)域的一系列實際問題中，甚至就在日常生活中，人們都會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)識到了材料在動載下的力學(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)的先驅(qū)，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可從能量進行分析而得出定量的結(jié)果。J. Hopkinson 1872完成了第一個動態(tài)演示實驗，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動。1897年Dunn 設(shè)計了第一臺高應(yīng)變率試驗。1914年B.Hopkinson想出了一個巧妙的方法，用以測定和研究爆炸或彈丸射擊桿端時的壓力～時間關(guān)系。所采用的裝置被稱為Hopkinson壓桿（Pressure Bar），有時縮寫為HPB。

　　二戰(zhàn)之前，很少有人研究動態(tài)壓縮加載問題，只是G..I.Taylor 在三十年代末想出了一個方法來測量材料的動態(tài)壓縮強度。Taylor方法主要是假設(shè)材料是剛性——理想塑性，運用一維波傳播的基本概念，用一個圓柱撞擊剛性靶，然后測出其變形，最后得到材料動態(tài)壓縮屈服應(yīng)力。

　　高應(yīng)變率實驗技術(shù)的發(fā)展史

　　1807 固體中的彈性波與斷裂強度；

　　1800s 關(guān)注剛軌道的動態(tài)斷裂前度；

　　1872 Hopkinson實現(xiàn)金屬絲的動態(tài)加載；

　　1870s-1880s Pochhammer和Chree發(fā)現(xiàn)長桿中彈性波的耗散；

　　1897 Dunn 設(shè)計了第一臺高應(yīng)變率試驗機；

　　1905 Hopkinson實現(xiàn)金屬試件的動態(tài)加速加載；

　　1914 利用Hopkinson壓桿測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試驗技術(shù)；

　　1940s Fehr 和 Parker等在動態(tài)拉伸試驗中開始使用應(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)變片測量應(yīng)力波傳播的合理性。

　　目前，已能對材料進行不同應(yīng)變率下的力學(xué)性能實驗研究。常規(guī)的實驗設(shè)備只能實現(xiàn)應(yīng)變率在0.1/s以下；凸輪塑性機和落錘實驗裝置可以實現(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)系的最主要實驗手段。分離式Hopkinson實驗技術(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，這個范圍恰好包括了流動應(yīng)力隨應(yīng)變率變化發(fā)生轉(zhuǎn)折的應(yīng)變率，所以對它的實驗技術(shù)和應(yīng)用情況研究也最多。
      霍普金森壓桿實驗

　　Kolsky證實了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變與壓桿位移之間的關(guān)系。利用超動態(tài)應(yīng)變放大器+數(shù)字示波器，記錄存儲入射桿和透射桿的應(yīng)變-時間波形。

　　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，主要原因是該測試技術(shù)的優(yōu)點十分突出，主要表現(xiàn)在：

　　測量方法巧妙，成功的避開了要在試樣同一位置上同時測量隨時間變化的應(yīng)力和應(yīng)變的難題；

　　SHPB試驗所涉及的應(yīng)變率范圍包括了流動應(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。

　　霍普金森壓桿實驗的應(yīng)用

　　霍普金森壓桿實驗主要用于研究材料在沖擊荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和破壞機理，包括：

　　巖石、混凝土、陶瓷材料試驗;

　　塑料、復(fù)合材料、泡沫材料、減震材料等材料試驗;

　　高聚物、固體推動劑材料試驗等。

　　1 動態(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ε·楊氏模量E。

　　而在動態(tài)荷載下，材料力學(xué)性能會與加載率（應(yīng)變率）顯著相關(guān)。高幅值短持續(xù)時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)，對于抗動載的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析是非常重要的。這些動載來自常規(guī)兵器爆炸、偶然爆炸和高速撞擊等許多軍民事。

　　當(dāng)驅(qū)動撞擊桿撞擊入射桿時，通過采集入射桿和透射桿的應(yīng)變脈沖-時間波形，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。下圖是鋁在一個測試結(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

　　對不同的試樣進行試驗，得到其波阻抗特性并進行能量耗散分析。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 試樣破壞機理研究

　　試樣在不同沖擊速度下呈現(xiàn)不同的應(yīng)變時程曲線，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。

　　霍普金森壓桿實驗數(shù)據(jù)采集

　　霍普金森壓桿試驗，需要非常快速（數(shù)MHz）的采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

　　數(shù)字示波器是我們實驗室常用的設(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級別甚至μV級別。而超動態(tài)應(yīng)變放大器可以將橋路的輸出電壓進行無失真的放大到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個或多個超動態(tài)應(yīng)變放大器，即可以較低的成本高規(guī)格的滿足試驗要求。