CN102313674A - 爆炸加载反射式焦散线实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爆炸加载反射式焦散线实验方法，通过对非透明材料进行镜面处理和切槽炮孔设计，实现了爆生裂纹的扩展方向的精确控制，进而便于裂纹扩展路径的观测和记录；同时，通过反射式焦散线实验爆炸加载架使试件的固定和爆炸加载更稳定，光路调节更方便，实现了试件的多角度、多方向调节，爆炸载荷下非透明固体介质反射式焦散线实验方法可直接记录下爆生裂纹尖端的应力集中区和裂纹扩展的行为参数等信息，为材料的爆炸致裂机理和动态力学性能参数的测试提供了有利依据。
Description
技术领域
本发明涉及动态断裂力学领域的一种光测力学实验方法，特别涉及一种爆炸加载反射式焦散线实验方法。
背景技术
动态断裂力学是在考虑受载物体各处惯性的基础上，用连续介质力学的方法研究固体在高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展和断裂规律的学科。固体材料在冲击载荷下的断裂和破坏，尤其是爆炸这种超动态载荷下固体材料中裂纹的扩展规律，属于动态断裂力学的研究范畴。
爆破技术是土木建设行业中重要的施工作业技术手段，在爆炸载荷的作用下，被爆破物体(岩石、混凝土、金属等)的动态断裂问题也是工程爆破施工过程中最重要的核心问题。
近年来，随着科学技术的迅速发展，国内外针对断裂问题的研究，从各方面开展了大量的实验研究。光测断裂力学是动态断裂研究中首选的实验方法，它主要包括动态光弹、动态焦散线、云纹及云纹干涉法、CGS(相干梯度传感方法)等。对于以上实验方法，除了焦散线实验方法，在遇到裂纹尖端附近区域应力的急剧变化导致了裂纹尖端应力奇异性问题时，都遇到许多具体困难。而在焦散线实验方法中，焦散斑的特征长度为裂纹尖端的应力强化程度提供了一种定量的度量，测试技术简单、精度高，可以确定关于时间、裂纹长度、裂纹传播速度和裂纹尖端的动态应力强度因子等参数，成为宏观断裂参数测量的有效手段，在动态断裂力学研究中得到了广泛应用，形成了独特的光测断裂力学测试技术。
对于爆炸载荷在透明试件中产生的裂纹扩展问题，如玻璃、有机玻璃、环氧树脂等透明材料，可以采用透射式光路系统的焦散线实验。但是，实际工程中更多是非透明材料，比如岩石等，对于爆生裂纹在非透明材料中的扩展问题的焦散线实验方法的研究，至今尚未见相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对爆炸载荷下非透明固体材料中裂纹的扩展问题，提供一种实验方法，直观测量爆生裂纹的速度、加速度等行为参数和裂纹尖端的动态应力强度因子力学参数，为研究非透明固体介质的爆炸致裂机理和固体材料的动态断裂力学参数提供科学实验方法。
爆炸加载反射式焦散线实验方法，具体步骤包括：
步骤一把非透明固体实验模型材料加工成平板试件，在平板试件表面适当位置加工镜面。
步骤二在平板试件中间位置布置切槽炮孔，炮孔切槽延长线需穿过平板试件的镜面区。
步骤三在炮孔内装填炸药并布置起爆线和信号线，然后，将平板试件固定在反射式焦散线实验爆炸加载架上，调节实验光路及高速相机位置，确保镜面反射区落在高速相机的镜头上。
步骤四设置相应控制参数，通过起爆器起爆炸药，并利用实验光路和高速相机进行高速拍照记录，得到不同时刻爆生裂纹的尖端位置和裂纹尖端的焦散斑，完成胶片冲洗后分析实验数据，计算得出裂纹的扩展速度、加速度和裂纹尖端的应力强度因子等参量。
所述加工镜面包括：对于材质均匀、表面光滑无瑕疵的非透明固体平板试件直接进行真空蒸镀，在试件表面镀上一层铝膜作为反射镜面；或，对不符合上述要求的试件，通过在试件表面进行全息干板的镜面移植，把铝膜转贴到试件表面形成反射镜面。
所述镜面移植方法包括：(a)对全息干板进行超声波清洗，彻底清洗掉干板上的污物；待干板晾干后，进行脱膜处理，在一侧表面上涂光刻胶，并用离心机甩平；最后，用真空镀膜机将铝蒸镀到干板胶层表面上，在全息干板一侧表面形成一层均匀的铝膜作为反射镜面；(b)用脱脂棉沾取有机溶剂彻底清洗平板试件表面，在清洗后试件表面涂一层均匀的环氧树脂胶，将全息干板镀膜的一面覆盖并粘贴在试件涂胶处，在全息干板的另一面粘结分离用玻璃板条，使三者压紧并充分接触后，粘结在一起；(c)待环氧树脂胶完全固化后，揭取玻璃板条，铝膜从全息干板上被移植到试件表面形成反射镜面，玻璃板条带动全息干板与试件表面分离。
所述反射式焦散线实验爆炸加载架包括支架、连接在支架上的可上、下旋转的横梁和一连接在横梁上可左右旋转的试件夹具，所述平板试件固定在试件夹具上。
本发明所述爆炸加载反射式焦散线实验方法的效果和优点在于：(1)采用切槽炮孔与镜面移植的组合技术，实现了爆生裂纹的扩展方向的精确控制，进而便于裂纹扩展路径的观测和记录；(2)对于大面积的镜面移植问题，采用在全息干板后面黏贴较厚的玻璃条，用于全息干板和试件板的分离，操作简单、移植方便；(3)采用反射式焦散线实验爆炸加载架，便于试件的固定和爆炸加载，使结构更稳定，同时，使光路调节更容易，实现了试件的多角度、多方向调节；(4)实现了爆炸载荷下非透明固体介质中裂纹扩展的焦散线实验，可以直接记录下爆生裂纹尖端的应力集中区和裂纹扩展的行为参数等信息，为材料的爆炸致裂机理和动态力学性能参数的测试提供了有利地科学实验方法。
附图说明
图1为本发明所述镜面移植过程中平板试件的结构示意图；
图2为图1的A向结构示意图；
图3为本发明所述平板试件的立体结构示意图；
图4为本发明所述反射式焦散线实验爆炸加载架的结构示意图；
图5为本发明所述实验光路的结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的爆炸加载反射式焦散线实验方法，主要针对爆炸载荷下非透明固体材料中裂纹扩展情况进行研究的一种方法。主要包括实验前的准备阶段、实验中的操控采集阶段和实验后的图像处理阶段。其中：实验前准备阶段主要包括试件加工、切槽炮孔、装填炸药等，而试件加工主要针对非透明固体材料表面进行镜面加工，是此阶段的主要任务；实验中的操控采集阶段主要包括安装试件、光路调试、控制参数设置、起爆和高速相机拍照等，其中，光路调试作为成像的关键，决定了最后的拍摄结果。实验后的图像处理阶段主要包括胶片冲洗和数据分析等，从而最终得出实验结论。
下面结合附图对本发明做进一步的描述：
本发明所述的爆炸加载反射式焦散线实验方法，具体实验过程为：
步骤一把非透明固体实验模型材料加工成平板试件，在平板试件表面适当位置加工镜面。
其中，平板试件的厚度宜为5-10mm，长宽宜为200-400mm。加工的镜面通常位于中心靠上的位置上。
加工镜面根据材料不同分为两种情况：1、对于材质均匀、表面光滑无瑕疵的非透明固体平板试件可直接进行真空蒸镀，在试件表面镀上一层铝膜作为反射镜面使用。2、对不符合上述要求的试件，通过在试件表面进行全息干板的镜面移植，才能把铝膜转贴到试件表面形成反射镜面。
如图1、图2所示，镜面移植方法包括：(a)对全息干板16进行超声波清洗，彻底清洗掉干板上的灰尘等污物；待干板晾干后，进行脱膜处理，在一侧表面上涂光刻胶，并用离心机甩平；最后，用真空镀膜机将铝蒸镀到干板胶层表面上，从而在全息干板16一侧表面形成一层均匀的铝膜作为反射镜面待用。(b)用脱脂棉沾取丙酮或酒精等有机溶剂彻底清洗平板试件4表面，在清洗后试件表面涂一层均匀的环氧树脂胶，平板试件4水平放置，将全息干板16镀膜的一面覆盖并粘贴在试件涂胶处，接着，在全息干板16的另一面粘结分离用玻璃板条15，加一定重量的砝码将三者压紧并充分接触后，粘结在一起。其中，光刻胶与滤膜的粘结力小于滤膜与环氧树脂胶的粘结力，以便于后期进行分离。(c)待环氧树脂胶完全固化后，揭取玻璃板条15，受粘接力的影响，玻璃板条15带动全息干板16从平板试件4表面分离后，铝膜从全息干板16上被移植到试件表面形成反射镜面，至此，镜面移植完成。
步骤二在平板试件中心位置布置切槽炮孔，炮孔切槽延长线需能有效穿过平板试件的镜面区。
如图3所示，炮孔13通常位于平板试件4的中心位置上，由于镜面区14为平板试件4爆炸加载的观测区，故切槽5的角度和深度以实现对爆生裂纹在镜面区14的控制定向效果为宜，炮孔13的切槽角度通常为60°，切槽深度为炮孔半径的1/2。
步骤三在炮孔内装填炸药并布置起爆线和信号线，然后，将平板试件固定在反射式焦散线实验爆炸加载架上，调节实验光路及高速相机位置，确保镜面反射区落在高速相机的镜头上。
反射式焦散线实验爆炸加载架主要用于固定和支撑平板试件，并对平板试件进行前后倾角和左右转角的角度调整，保证使用角度和使用效果。如图4所示，加载架包括支架12、连接在支架12上的可上、下旋转的横梁9和一连接在横梁9上可左右旋转的试件夹具10，平板试件4固定在试件夹具10上。其中，横梁9和试件夹具10的空间位置相互垂直，横梁9和试件夹具10分别通过其上的调节螺母11进行相应的角度旋转和调整，横梁9旋转实现前后倾角的角度调整，试件夹具10的旋转实现平板试件4的左右角度调整。
如图5所示，实验光路主要由点光源2、延迟与控制器7、直角透镜组合3和高压电源8组成。点光源2对应于直角透镜组合3的光路输入端，高速相机1对应于直角透镜组合3的光路输出端，平板试件4位于直角透镜组合3的图像采集端。直角透镜组合3由两个直角排列的凸透镜和一个位于两个凸透镜之间呈45度倾斜排列的半反射镜组成，两个凸透镜作为光路的输出端和输入端，半反镜的下端则作为图像采集端使用。点光源2分别与高压电源8和延迟与控制器7连接，延迟与控制器7通过信号线与炮孔13连接，信号线可将炮孔13的爆炸信息传送到延迟与控制器7中，而点光源2则接受延迟与控制器7发出的控制信号进行相应爆炸过程的点光源闪光。高压电源8为点光源2的闪光过程提供足够的电源保证，使闪光过程能顺利进行。
具体过程为：首先在预制炮孔内装填炸药，装填炸药要填塞紧密，一般选用单质起爆药，如叠氮化铅或DDNP。接着，布置起爆线和信号线，然后把试件固定在反射式焦散线实验爆炸加载架上，通过加载架上的横梁和试件夹具进行光路调节，保证点光源发出的光经透镜和试件上反射镜面反射后，正好进入高速相机的镜头，为后续闪光和拍摄过程做准备。
步骤四设置相应控制参数，通过起爆器起爆炸药，并利用实验光路和高速相机进行高速拍照记录，得到不同时刻爆生裂纹的尖端位置和裂纹尖端的焦散斑，完成胶片冲洗后分析实验数据，计算得出裂纹的扩展速度、加速度和裂纹尖端的应力强度因子等参量。
如图5所示，设置相应控制参数主要为设置延迟与控制器7的参数，并利用高压电源8对点光源2进行充电，待充电结束后，打开高速相机1的暗盒，用起爆器6引爆炸药，通过信号线传递触发信号给延迟与控制器7，再由延迟与控制器7按预置的时间输出信号启动点光源2，点光源2产生很强的脉冲光照射，脉冲光经直角透镜组合3形成的透明光路进入高速相机1的镜头；待闪光结束后立即关闭暗盒，并关掉高压电源8、点光源2的电源和延迟与控制器7的电源。这样高速相机1就记录下了爆炸荷载在试件上产生的爆生裂纹的运动情况。最后，冲洗胶片，即得到不同时刻爆生裂纹的尖端位置和裂纹尖端的焦散斑，分析实验数据，计算得裂纹的扩展速度、加速度和裂纹尖端的应力强度因子等参量，确定平板试件4在爆炸过程所产生的变化及其被影响的过程。
实施例一
以PVC板材为例进行爆炸加载的焦散线实验，对爆生裂纹在PVC板中的扩展行为和裂纹尖端的应力强度因子进行测试研究。具体步骤和过程如下：
(a)首先选取5mm厚的PVC板，切割成200mm*200mm的平板试件，在切割后的PVC平板的中心用钻头加工出一炮孔，炮孔直径为8mm，采用三角锉加工一切槽深度为2mm、切槽角度为60°的三角槽。
(b)在切槽方向上方，距炮孔中心4mm区域外进行镜面移植，移植用全息干板尺寸为60mm*60mm，分离用玻璃板条厚12mm，长20mm，宽度6mm。镜面移植过程中，为了防止全息干板在试件上的滑动，还可在全息干板四周黏贴胶带，以约束和防止干板滑动。实验中采用流动性较好的KH2243型环氧树脂胶，为加快环氧树脂胶的固化速度，可采用简易的室内加热灯进行加热以便固化。
(c)在炮孔内装400mg的叠氮化铅炸药，布置起爆线和信号线，并堵塞密实。
(d)把平板试件固定于加载架上，通过横梁和试件夹具进行光路调节，保证点光源发出的光经过透镜和镜面反射后，进入高速相机镜头。
(e)连接起爆线和信号线，设置延迟与控制器，并对点光源和起爆器进行充电。
(f)打开相机暗盒，起爆炸药，点光源发出脉冲光照射，待闪光结束立即关闭暗盒，并关掉高压直流电源、然后关掉点光源发生器和延迟与控制器的电源。
(g)冲洗胶片，并整理实验，经过爆炸实验后的PVC试件在炮孔的切槽方向上出现了一条爆生裂纹，并穿过镜面区。实验照片记录下了不同时刻爆生裂纹尖端的位置和裂纹尖端的焦散斑的形状和大小。
(h)对实验结果做进一步的分析处理，即可以得到裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律和裂纹的扩展速度和加速度等行为参数。
Claims (4)
1.爆炸加载反射式焦散线实验方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤一把非透明固体实验模型材料加工成平板试件，在平板试件表面适当位置加工镜面；
步骤二在平板试件中间位置布置切槽炮孔，炮孔切槽延长线需穿过平板试件的镜面区；
步骤三在炮孔内装填炸药并布置起爆线和信号线，然后，将平板试件固定在反射式焦散线实验爆炸加载架上，调节实验光路及高速相机位置，确保镜面反射区落在高速相机的镜头上；
步骤四设置相应控制参数，通过起爆器起爆炸药，并利用实验光路和高速相机进行高速拍照记录，得到不同时刻爆生裂纹的尖端位置和裂纹尖端的焦散斑，完成胶片冲洗后分析实验数据，计算得出裂纹的扩展速度、加速度和裂纹尖端的应力强度因子等参量。
2.根据权利要求1所述的爆炸加载反射式焦散线实验方法，其特征在于，所述加工镜面包括：对于材质均匀、表面光滑无瑕疵的非透明固体平板试件直接进行真空蒸镀，在试件表面镀上一层铝膜作为反射镜面；
或，对不符合上述要求的试件，通过在试件表面进行全息干板的镜面移植，把铝膜转贴到试件表面形成反射镜面。
3.根据权利要求2所述的爆炸加载反射式焦散线实验方法，其特征在于，所述镜面移植方法包括：
(a)对全息干板进行超声波清洗，彻底清洗掉干板上的污物；待干板晾干后，进行脱膜处理，在一侧表面上涂光刻胶，并用离心机甩平；最后，用真空镀膜机将铝蒸镀到干板胶层表面上，在全息干板一侧表面形成一层均匀的铝膜作为反射镜面；
(b)用脱脂棉沾取有机溶剂彻底清洗平板试件表面，在清洗后试件表面涂一层均匀的环氧树脂胶，将全息干板镀膜的一面覆盖并粘贴在试件涂胶处，在全息干板的另一面粘结分离用玻璃板条，使三者压紧并充分接触后，粘结在一起；
(c)待环氧树脂胶完全固化后，揭取玻璃板条，铝膜从全息干板上被移植到试件表面形成反射镜面，玻璃板条带动全息干板与试件表面分离。
4.根据权利要求1所述的爆炸加载反射式焦散线实验方法，其特征在于，所述反射式焦散线实验爆炸加载架包括支架、连接在支架上的可上、下旋转的横梁和一连接在横梁上可左右旋转的试件夹具，所述平板试件固定在试件夹具上。
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