在实际工程应用中,材料和结构在受载时通常不是简单的一维拉伸或压缩,剪切加载下的破坏也起着重要作用,因此研究材料在动态剪切加载下的剪切力学性能和结构响应成为是一种现实需求。Hopkinson扭杆采用纯扭转加载,是研究材料在高应变率下剪切性能的重要手段。由于Hopkinson扭杆试验技术复杂,目前对扭杆系统的研究相对较少,本文采用步进电机设计了一套Hopkinson扭杆,并以扭杆加载装置为原型,研制了一套扭转试验机,选取了Ti53311S钛合金为材料,进行了动态和静态剪切加载试验。本文对简化后的Hopkinson扭杆进行了数值模拟,根据一维应力波和Hopkinson扭杆试验装置原理,对扭杆提出了整体方案设计,设计的扭杆包含加载部分、夹具部分、杆支架部分、试样连接部分。加载装置选用了混合式步进电机加行星减速器,通过计算,详细介绍了步进电机和减速器的选型。夹具部分采用对称式夹紧及释放,波导杆支撑架装有深沟球轴承,保证了波导杆在试验过程中能够自由转动。提出了带法兰试样粘接和带凹槽试样粘接两种方法。对夹具中主要构件进行了有限元强度分析,分析结果显示设计的构件满足强度要求。所设计的扭杆最大加载扭矩为500 N·m,旋转角度精度为0.1°,应变率范围为10²～4×10^3-1。以Hopkinson扭杆加载装置为原型,对扭转试验机进行了机械结构设计,加载速率在4.85×10^-5 rad/s～2.9×10^-1 rad/s。对控制和测量系统进行了设计,Hopkinson扭杆测量系统由超动态应变仪、示波器、扭矩应变片和电脑四部分组成,分析了扭矩应变片测量原理分析,对扭矩应变片的粘贴进行了阐述。选用中空角度编码器测量试验机扭转角度,动态扭矩传感器测量扭矩,基于LabVIEW编写了扭转试验机的数据采集软件。对试验中常见的几种波形进行了分析,并以1100-O铝和LY12铝为试样,对Hopkinson扭杆和扭转试验机进行了测试试验,得到了应力-应变曲线。选用了Ti53311S合金为试验材料,分别进行了高应变率剪切和准静态剪切试验。当应变率增加时,其屈服应力与流动应力也相应的增加。低应变率时的剪切破坏与高应变率时的剪切破坏有着相似之处,当应变率提高时,剪切破坏应变明显降低。