霍普金森桿實驗技術簡介

　　1 ．材料動態力學性能實驗簡史

　　在各類工程技術、軍事技術和科學研究等廣泛領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響應往往與靜載荷下的有顯著不同。了解材料在沖擊加載條件下的力學響應必將大大有助于這些材料的工程應用和工程設計。此外，數值模擬已在工程設計中發揮看重要作用，而進行數值模擬的前提是必須首先建立一個基于材料在各種應變率下（尤其是在動態應變率下）的精確應力一應變曲線基礎上的本構模型。所以，獲得一套材料在高應變率下的應力一應變曲線則成為首要任務。盡管人們已經研制了多種動態實驗技術，但是，與準靜態實驗相比，進行有效并準確的高應變率下的動態實驗依然是一個很大的挑戰。因此，為得到有效并準確的材料的應變率相關的應力-應變曲線，研制高效的、精確的高應變率實驗裝置是非常重要的。

　　首先，人們知道，固體力學的靜力學理論所研究的是處于靜力平衡狀態下的固體介質，以忽略介質微元體的．慣性作用為前提。這只是在載荷強度隨時間不發生顯著變化的時候，才是允許和正確的。而爆炸/沖擊裁荷以載荷作用的短歷時為其特征，在以毫秒（ms）、微秒（us）甚至納秒（ns ) 計的短暫時間尺度上發生了運動參量（位移、速度、加速度）的顯著變化。在這樣的動載荷條件，介質的微元體處于隨時間迅速變化著的動態過程中，這是一個動力學問題。對此必須計及介質微元體的慣性，從而就導致了對應力波傳播的研究。

　　一切固體材料都具有．饋性和可變形性，當受到隨時間變化看的外載荷的作用時，它的運動過程總是一個應力波傳播、反射和相互作用的過程。在忽略了介質慣性的可變形固休的靜力學問題中，只是允許忽略或沒有必要去研究這一在達到靜力平衡前的應力波的傳播和相互作用的過程，而著眼于研究達到應力平衡后的結果而已。在忽略了介質可變形性的剛體力學問題中，則相當于應力波傳播速度趨于無限大，因而不必再予以考慮。對于爆炸沖擊載荷條件下的可變形固體，由于在與應力波傳過物體特征長度所需時間相比是同量級或更低量級的時間尺度上，載荷已經發生了顯著變化，甚至已作用完畢，而這種條件下可變形固體的運動過程常常正是我們關心所在，因此就必須考慮應力波的傳播過程。其次，強沖擊載荷所具有的在短哲時間尺度上發生載荷顯看變化的特點，必定同時意味著高加載率或高應變率。一般常規靜態試驗中的應變率為 0 - 5 一 10 一 1s - 1 量級．而在必須計及應力波傳播的沖擊試驗中的應變率則徹 102～104s-1 ，甚至可高達 107s - 1 ，即比靜態試驗中的高多個量級。大量實驗表明，在不同應變率下，材料的力學行為往往是不同的。從材料變形機理來說，除了理想彈性變形可看作噴態響應外，各種類型的非彈性變形和斷裂都是以有限速率發展、進行的非瞬態響應（如位錯的運動過程，應力引起的擴散過程，損傷的演化過程，裂紋的擴展和傳播過程等等，因而材料的力學性能本質上是與應變率相關的。通常表現為：隨看應變率的提高，材料的屬服極限提高，強度極限提高，延伸率降低，以及屬服滯后和斷裂滯后等現象變得明顯起來等等。因此，除了上述的介質質點的慣性作用外，物體在爆炸中擊載荷下力學響應之所以不同于靜載荷下的另一個重要原因，是材料本身在高應變率下的動態力學性能與靜態力學性能的不同，即由于材料本構關系對應變率的相關性。從熱力學的角度來說，靜態下的應力應變過程接近于等溫過程，相應的應力應變曲線可近似視為等溫曲線；而高應變率下的動態應力應變過程則接近于絕熱過程，因而是一個伴有溫度變化的熱力學禍合過程，相應的應力應變曲線可近似視為絕熱曲線。這樣，如果將一個結構物在爆炸沖擊載荷下的動態響應與靜態響應相區別的話，則實際上既包含了介質質點的．饋性效應，也包含著材料本構關系的應變率效應。然而從 19 世紀開始人們才逐步認識到了材料在動載下的力學性能與其在靜載下的力學性能不同。 ThomasYoung 是分析彈性沖擊效應的先驅，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果。

　　J.Hopkinsonl872 完成了第一個動態演示實驗（如圖 1 所示），鐵絲受沖擊而被拉斷的位置不是沖擊端 A ，而是固定端 B ；并且沖擊拉斷的控制因素是落重的高度，即職決于撞擊速度，而與落重質量的大小基本無關。

　　Pochhammer,1876; chree,1886Rayleigh,Lord1887 分別研究了一維桿中的橫向慣性運動。

　　1897 年 Dunn 設計了第一臺高應變率試驗。

　　1914 年，B.Hopkinson想出了一個巧妙的方法，用以測定和研究炸藥爆炸或子彈射擊桿端時的壓力～時間關系。所采用的裝置被稱為 Hopkinson壓桿（ PressureBar ) ，有時縮寫為 HPB。

　　二戰之前，很少有人研究動態壓縮加載問題，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壓縮強度。 Taylor方法主要是假設材料是剛性一一理想塑性，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，最后得到材料動態壓縮屈服應力。

　　1948年Davies 分析了 Hopkinson 桿中的應力波傳播并發明了用電容方法測量桿中的應力脈沖。Kolsky(l949）把 Hopkinson 壓桿首先變成分離式并用以研究材料在高應變率下的動態力學行為及其數學模型-材料動態本構關系，成功地發展了分離力切 Hopkinson 壓桿（簡稱 SHPB ，有時也稱 Kolsky 桿）技術。

　　50 年代，人們用實驗檢驗了St.Venant原理，這樣便可以用貼在桿表面的應變片來測量桿中的應變脈沖。

　　在動態實驗設備方面還先后發展了落錘和輕氣炮。落錘裝置主要由一個落錘和一個大質量的基礎組成。它可以完成中等應變率的壓縮實驗。它的一個突出缺點是在這種實驗中既不能實驗恒定載荷，也不能實現恒應變率。利用輕氣炮可以進行平板正撞實驗和斜板撞擊實驗，可以研究一維應變狀態和高應變率下的材料動態性能，方便研究一維縱波（壓力波）和一維橫波（剪切波）在試件材料中的傳播特性以及材料在這兩種應力波作用下的變形和破壞規律。其缺點是設備復雜，運行成本高。

　　2．分離式霍普金森桿實驗技術的產生

　　2．1 1872 年 J.Hopkinson 鐵絲沖擊拉伸試驗

　　1872 年 J . Hopkinson 完成了彈性波研究方面的一個看名實淦一一一端固定的鐵絲沖擊拉伸實驗。 圖 1 是其實驗裝置草圖。鐵絲上端固定，下端接一托盤，一空心質量塊套在該鐵絲上，由上向下運動，當其運動到鐵絲的下端，被托盤接住，形成對鐵絲的沖擊拉伸。 J . Hopkinson 研究了桿（絲）中應力波傳播的理論，得到了不同加載條件下鐵絲斷裂強度的實驗結果。J.Hopkinson 通過變化落體的質量和速度來研究鐵絲究竟加載端（下端）還是在反射端（上端）斷裂。結果表明能沖斷下端鐵絲的沖擊速度的一半就足以沖斷上端鐵絲，沖擊拉斷的主要控制因素是落體的高度，即取決于撞擊速度，而不是落體的質量。這項研究從理論和實驗兩方面增強了人們對波在桿中傳播規律及其在界面透、反射規律的理解。

　　2.2  1914年 B . Hopkinson在霍普金森壓桿方面的杰出工作

　　1905年 B .Hopkinson 繼續他父親 J . Hopkinson 的研究工作。他加長了鐵絲的長度，給出了波在其中傳播的分析表達式。進而他設計了一個實驗，用一接觸塊和彈道計（擺）來測量鐵絲的瞬間伸長，通過多次試驗就可以準確確定鐵絲的伸長量。這個試驗為后來的霍普金森壓桿的研制奠定了基礎。 1914 年， B . Hopkinson 完成了霍普金森壓桿的實驗設計，并用以測定和研究了炸藥爆炸或子彈射擊桿端時的壓力一時間關系。 Hopkinson 觀察到“如果用來復槍（rifle）發射一子彈撞擊一圓往形鋼桿的端部，則在撞擊期間，有一確定的壓力作用在桿的端部，形成一個壓力脈沖。這個撞擊引起的壓力脈沖沿看桿傳播，在自由端發生反射產生一個拉伸脈沖”。他還指出如何用一與壓桿（主桿）材料相同，直徑相同的短桿捕捉入射波的動量，而飛離主桿。如圖2所示，飛片（短桿）的動量由彈道擺測得，而留在桿內的動量則可由桿的擺動振幅來確定。顯然，當飛片長（厚度）度等于或大于壓力脈沖長度的一半時，壓力脈沖的動量將全部陷入飛片中，從而當飛片飛離時，桿將保持靜止。因此，變化飛片的長度，求得其飛離時而桿能保持靜止的最小長度I0，就可求得壓力脈沖的長度？= 210 ，或壓力脈沖的持續時間？＝？/c0=210/c0 。這種測量壓力脈沖的方式迅速在一戰中得到了廣泛的應用。

　　2.3 1948年 Davies 在霍普金森壓桿壓力波形檢測與分析方面的杰出工作

　　在霍普金森壓桿發明后三十多年中，這項實驗技術并沒有得到更多的關注。直到1948年 Davics 首次用平行板電容器和圓往形電容器測量壓桿的抽向位移和徑向位移（圖3所示），這項實驗技術才又取得了關鍵性進展。除了測量壓桿的軸向和徑向位移之外， Davies 還首次詳盡討論了霍普金森壓桿的一些局限性，如彌散問題。另外原始的霍普金森壓桿還存在兩個主要缺陷：（1）壓桿與飛片之間的粘附力的存在限制了對最小壓力值的精確測量；（ 2 ）無法得到壓力時間曲線（歷史）。 Davies 指出桿端的質點速度和位移之間的關系，通過測量位移時間關系，可以計算出桿中的壓力時間關系。 Davies強調了幾個重要的問題： ( 1 ）桿材料是均勻的，桿中所受應力均不超過材料的比例極限； ( 2 ）桿的直徑是均勻的； ( 3 ）撞擊端可以被一短的硬的砧墊保護； ( 4 ）少許油脂粘住砧墊； ( 5 ）所用桿長范圍為 2 至 22 英尺； ( 6 ）通常情況下桿直徑為 0 . 5-1.5 英寸。（ 7 ）桿中縱波速度由振動技術測得。由圓柱形電容器測得的向位移，由平行板電容器測得桿端的軸向位移，由它們分別計算出桿中的軸向和徑向壓力時間曲線。

　　2．4 1949年 Kolsky 在分離式霍普金森壓桿方面的奠基性工作

　　1949年，即在 Davies 發表關于霍普金森壓桿的重要文章后一年， Kolsky 發表了他關于分離式霍普金森壓桿的奠基性文章。他將霍普金森壓桿實驗中的飛片加厚（加長）并稱之為擴展桿 ( Extensionbar ) （現稱為透射桿或輸出桿）。并用它首次研究了幾種材料（聚乙烯、橡膠、有機玻璃、銅、鉛）的動態力學性能。他將被試材料制成圓形薄片試件，置于壓桿與擴展桿之間，壓力脈沖在試件界面上發生透、反射，他也采用 Davies 測量桿軸向、徑向位移的方法，用平行板電容器和圓柱形電容器測量桿的軸向和徑向位移。圖4是分離式霍普金森壓桿草圖。它的主要部分與 Davies 的霍普金森壓桿相類似只是多了一根擴展桿，其長度分別為4英寸， 6 英寸， 8 英寸。試件置于壓桿與擴展桿之間，用一黃銅軸套幫助將壓桿、試件和擴展桿聯接在一起。 Kolsky 假設（ 1 ) 平面壓縮波（脈沖）在線性圓往形桿中傳播時沒有彌散，這樣它的速度為，式中桿中波傳播速度， E 為材料的彈性模量，為材料質量密度； ( 2 ）軸向壓力在每個橫截面上都均勻分布。在實際問題中徑向應力是沿半徑線性分布的，只有當所傳播的應力波長遠大于桿的半徑這個假設才能成立。在這兩個假設（一維假設）之下，桿中壓力（應力）可用下式計算；為桿中應力，桿所求點的質點速度。自由端界面上的質點速度是桿中質點速度的2倍。平行板電容器測得的是桿自由端的位移，并據此計算出自由界面上的質點速度，進而算得桿中的質點速度。在此討論基礎上，再假設試件很薄，整個試件中（沿軸向和徑向）應力、應變均勻（動態應力均勻假設） Kolsky 推導了我們現在仍在用的霍普金森壓桿實驗試件中應力、應力和應變率的計算方法。Kolsky 工作的重要性在于他改進了霍普金森壓桿，加了一根擴展桿成為我們今天所說的分離式霍普金森壓桿。擴展了霍普金森壓桿的用途，使之成為研究材料動態力學性能的一種重要手段。

　　自 Kolsky 發明分離式霍普金森壓桿（ SHPB）以來，它已被普遍認為是測試多種材料，例如金屬、陶瓷、巖石、混凝土、復合材料、橡膠等在高應變率下力學響應的一種行之有效的實驗手段。分離式霍普金森壓桿技術可以獲得材料在 102 -1041/S 應變率范圍內的應力一應變曲線。對有些材料可獲得 1011/S 應變率下的應力一應變曲線。

　　3.分離式霍普金森桿特點及基本原理

　　特點：如前所述，結構物在爆炸沖擊載荷下的動態響應與靜態響應的區別實際上包含了介質質點的慣性效應（波傳播）和材料本構關系的應變率效應。

　　研究材料在高就變率下的動態力學行為時，與研究材料在淮靜態力學行為時不同，一般必須計及這最基本的兩類效應。問題的核心在于如何區分這兩類效應，因為就材料的動態力學行為研究本身而言，研究的目的只是材料的應變率效應。然而，這兩類效應恰好常常相互聯系，相互影響，相互搞合，從而使問題變得十分復雜。事實上，一方面，在應力波傳播的分析中，材料動態本構方程（材料動態力學行為）是建立整個問題基本控制方程組所不可缺少的組成部；瀕言之，波傳播的研究是以材料動態本構關系已知為前提的而另一方面，在進行材料高應變率下動態本構關系試驗研究時，一般又必須計及試驗裝置和試件中的應力波傳播及相互作用，換言之，在材料動態響應研究中又要依靠所試驗材料中應力波傳播的知識來分析。人們就遇到了“狗咬尾巴”或者“先有雞還是先有蛋”的怪圈。解決這個問題的核心思想之一是設法將應力波效應和應變率效應解禍?；羝战鹕瓧U實驗技術就是這個思想。在霍普金森桿裝置中，子彈（撞擊桿）輸入桿（入射桿）、輸出桿（透射桿）均要求處于彈性狀態，且一般要求具有相同的直徑和材質，即彈性模氫：，波速 CO 和波阻抗 P 叱。均相同。這種技術巧妙地解決了這個“狗咬尾巴”的問題。一方面，對于同時起到沖擊加載和動態測量雙重作用的入射桿和透射桿，由于始終處于彈性狀態，允許忽略應變率效應而只計及應力波傳播；并且只要桿徑小得足以忽略橫向慣性效應，就可用一維波理論來分析。另一方面，對于夾在兩桿之間的試件，由于長度足夠短，使得應力波在試件兩端間傳播所需時間與加載總歷時相比小得足以把試件視為處于均勻變形狀態，從而允許忽略試件中的應力波效應，只計及應變率效應。這樣這兩個效應就解禍了。對于試件而言，就相當于高應變率下的“準靜態”試驗，對于桿而言，相當于由桿中波傳播信息反推相鄰短試件材料的本構響應。這就是霍普金森桿技術的主要特點，它能使．受性效應和應變率效應解禍。主要組成及基本原理圖 5 為現代常規霍普金森壓桿示意圖它由氣槍（炮，或稱發射裝置入子彈、入射桿、透射桿、能量吸收裝置和數據采集系統組成。試件被夾在入射桿和透射桿之間。子甄一根短相受高壓氣體推動，從發射裝置中以一定速度由測速儀測島射出，撞擊入射桿，在入射桿中形成一個壓力脈沖，即入射波由貼在入射桿上的電阻應變片測局，壓力脈沖在入射桿中向前傳播，當傳至入射桿與試件界面時，由于試件材料和透射桿材料的．食性效應，整個試件將被壓縮。同時，由于桿與試件之間的波阻抗差異，入射波被部分反射為反射波重新返回入射桿，而另一部分則透過試件作為透射波進入透射桿。反射波還由貼在入射桿上的電阻應變片測得，透射波由透射桿上的電阻應變片測得，由測得的入射波、反射波和透射波就可以處理得到材料的變形和破壞情況，獲得材料的動態力學性能數據。在整個實驗中，要求試件的橫截面積總是不大于桿的橫截面積。另外，要求入射桿足夠長（大于兩倍子彈長度）以避免入射波與反射波重疊，并在實驗時保證桿材料始終處于彈性范圍內。為提高實驗精度，還要求在整個實驗中桿與試件的接觸面必須保持平整和相互平行。圖 6 是用常規霍普金森壓桿對聚膠脂泡沫材料試件實驗時的一組典型的入射波、反射波和透射波波形。依據一維應力波理論，試件的應變率、應變和應力歷史可分別用下列公式計算：式中：為試件中材料的應變率，，和分別為桿中入射、反射和透射的應變歷史（就變一時間關系） ; 為桿的橫截面積；和為桿材料的楊氏模量和彈性波波速；和分別為試件的原始橫截面積和長度。當試件中應力達到均勻時，有則公式（ 1 ）一（ 3 ）可以簡化為因此，利用公式（ 5 ）一（ 7 ）就可以方便地得到材料的應力一應變數據。但是要得到有效并精確的數據，下列霍普金森壓桿的假設必須得到滿足： 1 ）壓桿中的波傳播必須是平面一維的，因為應變片所測得的桿的表面應變通常代表壓桿整個橫截面上的軸向應變。 2 ）試件中的應力和應變均處于均勻狀態。此外，為保證得到有效的應力一應變數據，還應該使試件中的應變隨時間線性變化，即試件的變形是在恒應變率的條件下進行的。由上述公式可得到試件材料在某一應變率下的應力應變曲線。 4 ．分離式霍普金森桿實驗主要技術點 4 . 1 試件中的動態應力均勻性問題試件中的應力（應變）均勻是分離式霍普金森桿實驗技術的基本假設之一。應力（應變）均勻化受諸多因素影響。主要包括試件與桿件的波阻抗之比；試件的厚度；加載脈沖的形狀。一般認為：應力波（脈沖）至少應在試件中傳 4 個來回以后，試件中的應力基本要認為是均勻的，而相應所需的時間則由試件長度和試件材料的波速確定。只有在試件中達到應力均勻后，相應的數據才是

　　有效的。

　　因此，為了盡快地達到應力平衡，得到有效的實驗結果，減小試件的厚度是必要的。但是，試件的厚度不可無限制地減小，否則由于試件端面摩擦效應等的影響將使試件中的應力狀態大大偏離一維應力假定。此外，還有一些外在因素限制了試件尺寸不能無限減小，例如，泡沫塑料材料中泡孔尺寸的限制，生物材料中細胞尺寸的限制，以及混凝土材料中骨料尺寸的限制等。此外，如果僅僅減小試件的厚度，而不控制加載率也是難以達到應力均勻的。

　　4 . 2 一維應力及幾何彌散問題

　　霍普金森壓村實驗技術的基本理論是一維應力波理論。要保證一維假設成立就要求：

　　( 1 ）桿材均勻各向同性，這可以通過合理選材可以達到。

　　( 2 ）在整個長度上，橫截面均勻，軸線無明顯彎曲。這可以通過無心磨加工做到。

　　( 3 ）加載應力小于材料的比例極限，這可以通過控制加載波的幅值做到。

　　( 4 ）橫截面上軸向應力均勻。根據 Davies 的工作，只要桿長大于 20 倍的桿徑，便可滿足這個條件。

　　( 5 ）可以忽略幾何彌散的影響。一維縱向應力波理論的核，心是桿的平截面在變形后仍保持為平截面，并在平截面上只作用看均布的軸向應力。這時實際上忽略了桿中質點橫向運動的慣性作用，即忽略了桿的橫向收縮或膨脹對動能的貢獻。橫向慣性運動導致了應力波在桿中傳播時發生幾何彌散。當波沿桿傳播時，幾何彌散是不可避免的。是否可以忽略幾何彌散效應或者在要求的精度內對彌散進行修正是是否可以將桿中傳播的應力波看作為一維縱波的關鍵。 Pochhammer 和 Chree 是這個問題的兩位最早的研究者，幾何彌散所引起的波形振蕩也稱為，P-C 振蕩。當桿的半徑 a 與波長入之比小于、等于 0 . 7 時，采用 Rayleigh修正 （） 能給出足夠好的近似，但對于波長更短的波，就必須討論更復雜的 Pocbhammcr-Ch 精確解了。新近發展起來的脈沖整形技術從物理上可以基本消除幾何彌散引起的波形振蕩。

　　需要注意的是，采用細長桿和對桿中的波的彌散進行修正不能消除或減少試件中的二維效應。在霍普金森壓桿實驗中，試件的面積通常要小于桿的面積，而這種試件與桿之間的面積失配會帶來顯看的二維效應，同時試件與桿之間的摩擦也將增加試件中的二維效應。優化試件的長徑比和改善試件與桿之間的潤渭條件可以減少試件的二維效應。因此，首先必須針對這些效應優化試件的長徑比。

　　4.3 恒應變率問題

　　在理想的霍普金森壓桿實驗中，試件應該是恒應變率變形。這樣才能研究材料力學行為對應變率的敏感性。對于那些應變率敏感材料，在整個加載過程中保持恒定應變率顯得尤為重要。但是在常規霍普金森壓桿實驗中，子彈的撞擊在入射桿中產生一個梯形的入射脈沖。由于試件在變形過程中橫截面的增加和試件材料的應變硬化，應變率則必然會隨時間減小以致于不能在整個實驗中保持為一恒定值。這是常規霍普金森壓桿實驗中的另一不足之處。最近興起的脈沖整形技術可以彌補這一不足。按照一維應力波理論及短試件假設，霍普金森桿實驗中試件發生變形的應變率與入射桿中傳播的從桿一試件界面反射的反射波的幅值成正比，因而反射波水平便可說明試件在此時間內以恒應變率變形。

　　4.4 試驗精度問題

　　霍普金桿的試驗精度是值得我們關心的問題，對于破壞變形很小的材料，精度就顯得尤為重要，這主要受子彈、桿系的同軸度、直線度、斷面平行度和垂直度的影響。我們經過多年的努力，已基本上較好的解決了上述四個問題。特別是采用高精度導軌和中心滾動支承系統，使全霍普金桿系統具有統一基淮，較好地解決了試驗精度問題，并使試驗顯得更為方便易行。

　　5.霍普金森拉桿

　　材料的動態力學性能的研究煎來煎引起人們的重視。為了這種研究百年來人們相繼提出了一系列專用于測試材料動態力學性能的沖擊加載裝置其中分離式霍普金森扭(Hopkinson)壓桿（ SHPB ）因其結構簡單，運行成本低廉獲得了廣泛的應用。諸多學者利用其研究了多種材料（金屬、非金屬、巖石、陶瓷、混凝土等）在單向壓縮情況下的動態力學性能。但是，隨看拉壓性能不對稱材料的

　　廣泛使用，研究材料動態拉伸性能的需求不斷增加，人們開始看手研制類似于霍普金森壓桿的動態拉伸裝置。

　　六十年代以來曾有不少學者做過這方面的研究。其中壞桿型和間接式桿一桿型裝置是典型動態拉伸裝置，（如圖 1 、 2 所示）它包括擺錘式和旋轉圓盤式，中國科大沖擊拉伸實驗室擁有類似設備。它們是通過安裝在擺錘端部或旋轉圓盤邊緣的鉗狀打擊塊，瞬時打擊桿端的突出部位（法蘭盤）形成在桿中傳播的拉伸脈沖。圖 6 所示裝置能獲得很高的應變率，但入射脈沖不平穩，不能得到應力-應變曲線，無法進行高低溫的沖擊拉伸試驗。防所示裝置克服了上述缺點，并且增加了波形整形功能。但是無論采用擺錘還是旋轉圓盤都因其結構復雜、加工精度高，造價高不利于推廣。因此人們希望通過對已有的 SHPB 裝置進行適當改造，從而研制出簡單的動態拉伸裝置也在 60 年代 Harding 等人研制了套管式霍普金森拉桿裝置它是利用拉桿外面的套管傳播套管子彈撞擊所產生的壓縮波并通過聯結點轉換為輸入拉桿中的拉伸波直接對試件實施沖擊拉伸。由于有套筒套在拉伸桿和試件之外，因此在試驗中不能對試件狀態進行實時觀察，由于中間環節多，或多或少地影響看波形質量。 1981 年 Nicholas “提出了反射式霍普金森拉桿裝置。與壓桿類似，子彈打擊入射桿形成壓縮脈沖，試件位于入射桿與透射桿之間，外加肩套。當壓縮脈沖傳到拉伸試件時由套在試件外的肩套承受并使脈沖傳過肩套至透射桿。壓縮脈沖到達透射桿自由端時反射為拉伸脈沌回頭傳到試件處對試件進行拉伸，故稱之為反射式霍普金森拉桿裝置。這種方式除了不能實時觀察試件外，還不易準確知道試驗過程中試件是否受壓過。 1991 年 Staab 和Gilat提出了預拉式霍普金森拉桿裝置它是在輸入拉桿中間安裝一套夾具由它夾緊拉札再預拉該拉桿的一端隨后突然松開夾具使儲存在輸入桿前半段的巨大拉伸能量噴間釋放產生拉伸波。雖說這套裝置能產生比較好的拉伸波波形但它對夾具的要求很高。 2000用年 Nemat-Nasser 研制出帶有吸收桿，能實現單次加載的直接拉伸式桿一桿型霍普金森拉桿裝置，它與壓桿不同之處主要在于這種裝置是用一沿入射桿運動的管狀子彈打擊入射桿端的法蘭盤直接在入射桿中形成拉伸波，以后的傳播特性與壓桿中的壓縮波完全類似，這種方法比較簡單易行，并且可以實時觀察試件。西北工業大學、炮兵學院的霍普金森拉桿都采用了這類設計。至此，就設計思想而言，霍普金森拉桿的設計已經比較完善。但是具體結構設計還有不少問題需要解決。突出的問題是試件的連接問題和入射桿法蘭盤端下垂的問題。第一個問題現在還沒有很好的辦法，處理方式大約有三種，但沒有一種能理想地解決問題，更好的方法我們正在研究中；第二個問題我們已經很好地解決。