CN105737970A - 测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应力波传播规律的测试技术，特别是一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置。本发明提出了近似梯度静应力加载方法，设计了对固体材料施加梯度静荷载的装置，该装置可以得到不同大小和形式的静应力梯度形式，如一次函数式梯度静应力、二次函数式梯度静应力，进而借助于应力波测试设备实现了近似梯度静应力下应力波传播规律的测试。与现有技术相比，无论从与实际工程应力环境的仿真度，还是动力扰动的形式上，都有较大的提升，能够为工程实践提供更加准确的理论指导。

Description

测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置

技术领域

本发明涉及测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置。

背景技术

近年来，由于地震自然灾害的频繁发生、爆破拆除大型建(构)筑物和各类岩土体工程爆破开挖导致围岩稳定性研究的需要，应力波在各类岩土体或混凝土介质中的传播特性一直是研究的热点领域之一。研究应力波在岩土体中的传播特性，对地下岩土体工作面超前应力探测、围岩体在动载荷作用下的稳定性分析、地球物理和资源勘探、地震预报以及改善岩土体爆破效果等都具有重要的理论和实用价值。

目前对应力波在岩石(体)中的传播衰减研究，主要集中在岩体孔隙、不同岩性、不同尺度的节理以及岩体的多相性对应力波传播衰减的影响。然而，随着各类工程建设的开展，越来越多的工程结构(或介质)是在一定的梯度静应力下承受动力扰动，在承受动载荷之前构件不同横截面上的静应力大小不相等，其大小沿构件的轴向具有一定的变化，即所谓的梯度应力。比如框架结构高层建筑的混凝土柱，若其横截面面积相同，其承受的轴力从上往下逐渐增大，导致其横截面上的轴向压应力也逐渐增大，呈梯度应力状态。地下工程岩体(特别是深部工程岩体)开挖时，围岩体承受的静应力也属于梯度应力状态，这主要有以下两方面引起的：一是原岩应力大小本身随空间的变化而变化，在仅考虑自重应力时，原岩应力大小在竖直方向呈线性变化，围岩的位置越深，自重地应力值越大；二是地下工程岩体开挖卸荷导致附近围岩体中的应力场发生较大变化，例对深埋圆形巷道开挖的理论分析表明，开挖后围岩径向应力为(p₀为原岩应力大小，R₀为巷道半径，r为围岩到巷道圆心的距离)。目前学术界有一个共识，在研究材料或构件力学特性时，应考虑构件的实际静应力环境。根据现有研究结果，介质中应力波传播波速与承受的静应力大小关系密切，在一定静应力范围内，静应力越大，纵波波速越大，且波速值的大小与介质的密度呈正向相关。波阻抗是反应介质动力特性的基本物理量，其值是波速与密度的乘积，即介质的波阻抗与其静应力的大小也呈正相关性。因此具有梯度静应力构件中的应力波传播衰减规律必然与具有均匀静应力时的情况不同。然而，如何对试件施加轴向梯度静应力并测试其应力波传播规律，目前尚且没有一种可行的方法和试验装置。基于此，本发明提出一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法和装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法及装置，本发明实现了对测试对象施加近似梯度静应力，以模拟研究工程结构或构件所处的梯度静应力环境及其应力波传播规律。

本发明的技术方案：

一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，包括近似梯度静应力加载装置和应力波信号激发及采集部分；

所述的近似梯度静应力加载装置包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上(轴线)；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中，顶部布置有激振器；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁；加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的长度，防止下一加载梁影响上一加载梁上砝码的悬挂；在试件的同一侧面上均匀地布置有应变片，另一相邻的试件侧面上均匀地布置有加速度传感器；

所述的应力波信号激发及采集部分包括信号发生器、激振器、应变片和加速度传感器、超动态应变仪、示波器和振动采集系统；其中信号发生器控制激振器，超动态应变仪连接到试件侧面上的应变片，振动采集系统连接到试件侧面上的加速度传感器，示波器与超动态应变仪和振动采集系统连接。

所述的试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，即在试件上端前后侧面上安装第一级加载梁，紧挨第一级加载梁下边缘的左右侧面上安装第二级加载梁；紧挨第二级加载梁下边缘的前后侧面上安装第三级加载梁，紧挨第三级加载梁下边缘的左右侧面上安装第四级加载梁，以此类推安装所有加载梁。

所述的加载梁由等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁(即一级加载梁)，通过螺栓连接夹紧在试件的两相对侧面上，角钢上对称地布置有加载孔。

加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度为2mm～5mm。

本发明的应力波信号激发及采集部分：

信号发生器主要用来配合激振器对试件产生应力脉冲，可以对激振器输入不同频率和幅值的正弦波，三角波，方波和任意函数的波，选用现有常规的信号发生器。

激振器主要用来对试件产生应力脉冲，当信号发生器对激振器输入了一定幅值一定频率的信号之后，激振器对试件产生相应的应力脉冲(也称为入射波)，选用现有常规的激振器。

应变片和加速度传感器分别用来测试试件中的应变波和加速度波，应变片和加速度传感器分别黏贴在试件的的两相邻侧面上，选用现有常规的应变片和加速度传感器即可。

超动态应变仪用来采集应变波。将每个应变片连接到超动态应变仪相应的通道上，应力脉冲在试件中传播过程中，超动态应变仪可以采集每个应变片处的应变波随时间变化的数据，进而反映黏贴应变片位置处应变的变化情况。选用现有常规的超动态应变仪即可。

振动采集系统用来采集加速度波。将每个加速度传感器连接到振动采集系统相应的通道上，应力脉冲在试件中传播过程中，振动采集系统可以采集每个加速度传感器处的加速度波随时间变化的数据，进而反映黏贴加速度传感器位置处加速度波的变化情况。选用现有常规的振动采集系统即可。

示波器用来控制超动态应变仪和振动采集系统的开始触发记录时间、记录显示数据以及记录采集数据时间长短。选用现有常规的示波器即可。

本发明的近似梯度静应力加载装置：

试件是由拟研究材料加工而成的、横截面为矩形的长方体，具体尺寸根据需要确定。一般可选取为：长×宽×高为30mm～100mm×30mm～100mm×1000mm～3000mm，试件竖直放置在混凝土基座上。

砝码的规格根据加载的需要选取，当所需静应力梯度较小时，砝码可为高密度合金钢预制成不同质量的正方体，规格为0.5kg、1kg、2kg、3kg、4kg等依次增加；当所需静应力梯度较大时，砝码用密度更大的材料铅预制，以节约有限的操作空间。但考虑到安全性和可操作性，单个砝码的质量不宜超过25kg。每个砝码的上下表面设有悬挂钩，以便于砝码和加载梁、砝码和砝码之间的连接。

加载梁由相同型号、不同长度的等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁(构成一级加载梁)，通过螺栓连接夹在试件的两相对侧面上(前后侧面或左右侧面)。每根角钢上预留两个对称螺栓孔和若干个对称的加载孔，通过螺栓孔用螺栓将一对加载梁固定在试件的两相对侧面上，将相应的砝码左右对称悬挂在加载孔上，进而对试件施加轴向载荷。为保证施加载荷的合力作用线与试件的轴线平行，进而消除偏心压缩现象，两螺栓孔中心的连线与角钢的轴线必须平行，且螺栓孔和加载孔在加载梁上必须左右对称分布。在保证加载梁刚度和稳定性的前提下，等边角钢的边宽应尽量小，对同一试件，边宽越小应力梯度越精确，边宽越大应力梯度越接近阶跃突变应力，根据材料力学中集中力和分布力的知识，当边宽与试件长度之比小于等于0.05时，即可认为不同横截面上的应力沿试件轴向方向呈梯度形式变化。

为便于在试件上布置其他测试件，以及最大程度消除安装加载梁旋紧螺栓时对试件的挤压影响，沿试件轴线方向从上往下安装的加载梁分别交替布置在试件的两组不同相对侧面上(前后侧面固定一对加载梁，再在左右侧面固定一对加载梁)，即前后相对侧面上加载梁的安装方向与左右相对侧面上加载梁的安装方向垂直。为消除加载梁对试件产生的不利影响，加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度以2mm～5mm为宜。螺栓孔到试件表面的距离应根据测试设备的尺寸确定，且应尽可能小，以增大加载梁、橡胶垫和试件之间的摩擦，防止相对滑动。

为确保加载梁和砝码的重量施加在试件上，安装加载梁的顺序自上至下，上级加载梁和砝码安装牢固之后，才能安装下一级加载梁和砝码，避免由于加载梁往下滑动而出现上一级加载梁上的载荷传递到下一级加载梁上。

螺栓用于固定一对加载梁，其规格依据施加砝码的质量采用普通螺栓或高强度螺栓。

基座固定于平台上，其作用有两个，一是使试件最下端距地面有一段距离，以使最下一级加载梁上的砝码不接触地面；二是基座上表面水平，使试件最大限度保持竖直。基座采用高强度混凝土制备，其形状为长方体，其长×宽×高为150mm—200mm×150mm—200mm×200mm—500mm，具体尺寸由试件横截面尺寸和加载级数确定。

平台上固定有立柱，由四根直径为50mm、高度为3500mm—4000mm的40Cr合金钢制作。立柱上套有可升降的水平框架，水平框架的中央设有矩形框，矩形框的尺寸与试件的横截面相同，矩形框无间隙套在试件上端外侧，使试件在实验过程中保持稳定竖直状态的作用，但其仅对试件产生水平向的约束，对试件没有竖直方向的约束，即试验过程中，试件可以自由产生竖直方向的变形。

升降装置采用电动葫芦，根据不同试件的高度，使用升降装置调整水平框架的高度，以固定试件，并使激振器始终能正常对试件产生脉冲应力波。

一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，包括下述步骤：

(1)根据所需应力梯度选择加载梁尺寸并计算砝码规格和数量，对确定的试件尺寸并结合需要加载的应力梯度，计算加载梁尺寸。如试件的横截面尺寸长×宽为30mm×30mm时，宜选择边宽为30mm的3号角钢制备加载梁。在此基础上，计算每级加载需要的砝码规格和数量。比如，拟实现线性梯度时，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A为关于x的线性函数，也即σ(x)＝Kx，K称为应力梯度，单位为MPa/m，x为试件横截面的坐标，以第一级加载梁的上边缘为起点x＝0，单位为m。式中，A为试件横截面面积；G₁(x)为x横截面(包含x截面)以上所有加载级砝码的重量之和；G₂(x)为x横截面(包含x截面)以上所有加载级横梁的重量之和；G₃(x)为x横截面(包含x截面)以上试件的自重；G₄(x)为x横截面(包含x截面)以上所有螺栓的重量之和。在忽略试件自重G₃(x)和螺栓重G₄(x)的前提下，砝码重G₁(x)和加载梁重G₂(x)之和为x的线性函数，依据选择的每级加载梁的规格计算其重量，进而可以确定对应加载级的砝码重量和所需规格及个数。

(2)试件上标注出加载梁、应变片和加速度传感器所占的位置；两根角钢组成一对加载梁，两角钢交替安装在试件相对的两侧面上；同水平位置的另两个侧面可以布置应变片或加速度传感器。根据加载梁、应变片和加速度传感器的尺寸，用铅笔在试件的侧面上标出矩形框和各级加载梁所占用的位置。应变片和加速度传感器分别布置在试件上相邻的两个侧面上，且分别沿着所在试件侧面的轴线均匀布置，比如应变片布置在前侧面上，加速度传感器就布置在右侧面上。

(3)黏贴应变片、加速度传感器和橡胶垫；根据标注出的加载梁、应变片和加速度传感器所占的位置，分别将橡胶垫、应变片和加速度传感器黏贴到各自的位置上。应变片的黏贴方法：用砂纸在已确定好的黏贴应变片的区域，沿着与试件轴线成45°的方向轻轻打磨试件表面，用丙酮溶液擦拭掉被打磨区域的污物，晾干后均匀涂抹一层胶水，最后黏贴应变片，并注意应变片和试件表面间不能有气泡，并检查黏贴是否牢固。加速度传感器的黏贴方法：先在相应区域均匀涂抹厚度为3mm～7mm的石膏，将加速度传感器贴到石膏涂层上，轻轻按压至石膏凝固。在加载梁的角钢与试件侧面接触部位黏贴橡胶垫。

(4)调整水平框架高度固定试件；将试件竖直放在基座的中心位置，升降电动葫芦调整水平框架的高度，使其中的矩形框正好套在试件的最上端；调节激振器的上下和左右位置，使激振器冲头接触对准试件的轴线方向。接着通过固定电动葫芦高度保持水平框架固定，保证试验过程中试件始终保持竖直状态以及激振器能正常对试件产生应力脉冲。

(5)加载梁和砝码的安装；紧贴矩形框的下边缘，用螺栓将第一级的一对加载梁水平安装到试件上两相对侧面的已标示区域，调整加载梁的位置，使其与试件的轴线对称布置并且垂直后，拧紧螺栓，固定加载梁的位置，然后在加载梁的对称加载孔上悬挂相应砝码。待第一级加载梁安装和砝码悬挂完毕并稳定后，在另一相对的两侧面上，紧贴着第一级加载梁的下边缘，用螺栓将第二级加载梁安装到试件上，方法与第一级加载梁相同，完成第二级加载梁的安装和相应砝码悬挂。依次重复上述步骤，完成所有加载梁的安装和相应砝码的悬挂。

(6)应力波采集；将应变片的引线与超动态应变仪的相应通道连接，加速度传感器的引线与振动采集系统的相应通道连接，示波器与超动态应变仪和振动采集系统连接。接着使超动态应变仪和振动采集系统处于采集触发状态，在信号发生器上设定激励脉冲信号的形式，如正弦波、矩形波、三角形波、任意函数应力波，开启激振器对试件施加脉冲应力波，采集试件不同横截面上的应变波和加速度波。

(7)应力波传播规律分析；利用采集的试件不同横截面上的应变波和加速度波，结合小波理论或小波包理论，分别在时域和频域内对应力波信号进行分析研究，进而得到应力波在具有一定梯度静应力试件中的时空衰减传播规律。

本发明提出了近似梯度静应力加载方法，设计了对固体材料施加梯度静荷载的装置，该装置可以得到不同大小和形式的静应力梯度形式，如一次函数式梯度静应力、二次函数式梯度静应力，进而借助于应力波测试设备实现了近似梯度静应力下应力波传播规律的测试。与现有技术相比，无论从与实际工程应力环境的仿真度，还是动力扰动的形式上，都有较大的提升，能够为工程实践提供更加准确的理论指导。

附图说明

图1为本发明的近似梯度静应力加载装置的主视图(后视图同主视图)；

图2为本发明的近似梯度静应力加载装置的左视图(右视图同左视图)；

图3为本发明的近似梯度静应力加载装置中水平框架的示意图；

图4为本发明的近似梯度静应力加载装置中一对加载梁的示意图；

图5为本发明的近似梯度静应力加载装置中应变片和加速度传感器布置示意图。

图中：1—试件，2—加载梁，3—砝码，4—基座，5—立柱，6—水平框架，7—矩形框，8—平台，9—激振器，10—升降装置(电动葫芦)，11—螺栓，12—加载孔，16—应变片，17—加速度传感器。

具体实施方式

本发明包括近似梯度静应力加载装置和应力波信号激发及采集部分；

本发明的近似梯度静应力加载装置：

(1)根据所需应力梯度选择加载梁2尺寸并计算砝码3规格和数量；对确定的试件1尺寸并结合需要加载的应力梯度，选取所需的加载梁2尺寸，如试件1的横截面尺寸：长×宽为30mm×30mm时，宜选择边宽为30mm的3号角钢制备加载梁2；在此基础上，计算得到每级加载需要的砝码3规格和数量，比如拟实现线性梯度时，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A，也即σ(x)＝Kx，K称为应力梯度，单位为MPa/m，x为与试件1轴线重合的坐标，以第一级加载梁2的上边缘为起点，单位为m，方向竖直向下。A为试件1横截面面积；忽略试件1自重G₃(x)和螺栓重G₄(x)，则要求砝码3和加载梁2重量之和为x的线性函数，依据选择的每级加载梁2的规格计算其重量，进而可以确定对应加载砝码3重量和所需规格及个数。

(2)调整水平框架6高度并固定试件1；升降电动葫芦10调整水平框架6的高度，使其中的矩形框7正好套在试件1的最上端。通过固定电动葫芦10高度保持水平框架6固定，保证实验过程中试件1始终保持竖直状态。

(3)加载梁2和砝码3的安装；紧贴水平框架6中矩形框7的下边缘，用螺栓将第一级加载梁2水平安装到试件1的前后两个侧面(加载梁2与试件1接触面之间加一块橡胶垫，以消除加载梁2对试件1的不利影响)，调整加载梁2的位置，使其与试件1的轴线对称布置后，拧紧螺栓固定加载梁2，然后在加载梁2对称加载孔12上悬挂相应地砝码3。待第一级加载梁2安装和砝码3悬挂完成并稳定后，紧贴第一级加载梁2的下边缘，用第一级加载梁2安装和悬挂砝码3相同的方法，用螺栓将第二级加载梁2固定在试件1的左右两侧面上，并悬挂相应的砝码3。依次交替重复上述步骤，完成所有加载静荷载的施加。

本发明的应力波信号激发及采集部分：

(1)黏贴应变片16和加速度传感器17；将试件1水平放置在平整地面上，依据矩形框7和加载梁2的尺寸，用铅笔在试件1的侧表面上标出矩形框7嵌套区域和各级加载梁2安装区域。依照应变片16和加速度传感器17的尺寸，自第一级加载梁2位置开始，在试件1的同一侧面没有加载梁2角钢占据的区域中心，沿着试件1轴线等间距地标示出应变片16(或加速度传感器17)的位置。然后用砂纸在已确定好的黏贴应变片16的区域，沿着与试件1轴线成45°的方向轻轻打磨试件表面，并用纱布蘸取丙酮溶液擦拭掉被打磨区域的污物；接着在相应位置均匀涂抹一层胶水，待胶水即将晾干时即可黏贴应变片16；对于加速度传感器17的黏贴，应先在相应位置均匀涂抹厚度为3mm～7mm的石膏，并立刻将加速度传感器17贴到石膏涂层上，轻轻按压至石膏凝固。

(2)应力波产生和采集；将应变片16的引线与超动态应变仪的相应通道连接，超动态应变仪再与示波器连接，以实时采集到的应变波形；加速度传感器17的引线与振动采集系统的相应通道连接，以采集加速度波。示波器与超动态应变仪和振动采集系统相连，通过示波器控制使超动态应变仪、振动采集系统处于采集触发状态，在信号发生器上设定激励信号的形式，如正弦波、矩形波、三角形波、任意函数应力波，开启激振器9对试件1施加脉冲应力波，采集试件1不同横截面上的应变波和加速度波。

(3)应力波传播规律分析；利用采集的试件1不同横截面上的应变波和加速度波，结合小波或小波包分析工具，分别在时域和频域内对应力波信号进行分析研究，进而得到应力波在具有一定梯度静应力试件中的时空衰减传播规律。

下面将结合图和具体实施过程对本发明做进一步说明：

本实施例将详述线性梯度应力的加载及应力波采集分析过程。近似梯度静应力加载装置中试件1为花岗岩，尺寸为50mm×50mm×1500mm，密度为2500kg/m³。实现的加载梯度K为2MPa/m。

所用激振器9的型号为QJQ6、信号发生器的型号为AFG-3015、超动态应变仪的型号为SDY2107A、示波器的型号为GDS-2204A、振动采集系统为INV306、加速度传感器17的型号为KXCJK-1013(仅用x轴向的数据)，应变片16为KFG-20mm。

表1实施例加载方案

本实施例测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，包括以下步骤：

(1)根据所需应力梯度选择加载梁2尺寸及计算砝码3规格和数量。根据本例花岗岩试件1尺寸并结合需要加载的应力梯度，确定加载梁2由厚度为3mm的3号角钢制备，同一侧面上相邻两级加载梁2长度差值为50mm；在此基础上，计算得到每级加载需要的砝码3规格和数量，计算结果列于表1。

(2)试件1上标注出加载梁2、应变片16和加速度传感器17所占的位置。两根角钢组成一对加载梁2，两根角钢安装在试件1相对的两侧面(前后面或左右面)，同一水平另两个相对侧面(左右面或前后面)没有加载梁2的角钢占据的位置可以布置应变片16或加速度传感器17。根据加载梁2、应变片16和加速度传感器17的尺寸，用铅笔在试件1的侧面上标出矩形框7和各级加载梁2所占用的位置。应变片16布置在右侧面上，加速度传感器17布置在前侧面上，且分别沿着所在侧面轴线均匀布置。

(3)黏贴应变片16、加速度传感器17和橡胶垫。根据标注出的加载梁2、应变片16和加速度传感器17所占的位置，分别将橡胶垫、应变片16和加速度传感器17黏贴到各自的位置上。应变片的黏贴方法：用砂纸在已确定好的黏贴应变片16的区域，沿着与试件1轴线成45°的方向轻轻打磨试件1表面，用丙酮溶液擦拭掉被打磨区域的污物，晾干后均匀涂抹一层胶水，最后黏贴应变片，并注意应变片16和试件1间不能有气泡，并检查黏贴是否牢固。加速度传感器17的黏贴方法：先在相应区域均匀涂抹厚度为3mm～7mm的石膏，将加速度传感器17贴到石膏涂层上，轻轻按压至石膏凝固。在加载梁的角钢与试件侧面接触部位加上橡胶垫。

(4)调整水平框架6高度固定试件1。将试件1竖直放在基座4的中心位置，升降电动葫芦10调整水平框架6的高度，使其中的矩形框7正好套在试件1的最上端；调节激振器9的上下和左右位置，使激振器9冲头接触对准试件1的轴线方向。接着通过固定电动葫芦10高度保持水平框架6固定，保证试验过程中试件1始终保持竖直状态以及激振器9能正常对试件产生应力脉冲。

(5)加载梁2和砝码3的安装。紧贴矩形框7的下边缘，用螺栓11将第一级的一对加载梁2水平安装到试件1上前后两侧面的已标示区域，调整加载梁2的位置，使其与试件1的轴线对称布置并且垂直后，拧紧螺栓11，固定加载梁2的位置，然后在加载梁2的对称加载孔12上悬挂相应砝码3。待第一级加载梁2安装和砝码3悬挂完毕并稳定后，在试件1左右的侧面上，紧贴着第一级加载梁2的下边缘，用螺栓11将第二级加载梁2安装到试件1上，方法与第一级加载梁2安装相同，完成第二级加载梁2的安装和相应砝码3悬挂。依次交替重复上述步骤，完成所有加载梁2的安装和相应砝码3的悬挂。

(6)应力波采集。将应变片16的引线与超动态应变仪的相应通道连接，超动态应变仪再与GDS-2204A示波器连接，以实时显示采集到的应变波形，加速度传感器17的引线与INV306型振动采集系统的相应通道连接，以采集和处理加速度波。设置示波器使超动态应变仪和振动采集系统处于采集触发状态，在AFG-3015任意函数信号发生器上设定激励信号的形式，如正弦波、矩形波、三角形波、任意函数应力波，开启激振器9对试件1施加脉冲应力波，采集试件1不同横截面上的应变波和加速度波。

(7)应力波传播规律分析。利用采集的试件1不同横截面上的应变波和加速度波，结合小波包理论，分别在时域和频域内对应力波信号进行分析研究，进而得到应力波在具有一定梯度静应力试件1中的时空衰减传播规律。

Claims (8)

1.一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，其特征是：包括近似梯度静应力加载装置和应力波信号激发及采集部分；

所述的近似梯度静应力加载装置包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中，顶部布置有激振器；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的加载孔间的距离；在试件的同一侧面上均匀地布置有应变片，另一相邻的试件侧面上均匀地布置有加速度传感器；

所述的应力波信号激发及采集部分包括信号发生器、激振器、应变片和加速度传感器、超动态应变仪、示波器和振动采集系统；其中信号发生器控制激振器，超动态应变仪连接到试件侧面上的应变片，振动采集系统连接到试件侧面上的加速度传感器，示波器与超动态应变仪和振动采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，其特征是：所述的试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，即在试件上端前后侧面上安装第一级加载梁，紧挨第一级加载梁下边缘的左右侧面上安装第二级加载梁；紧挨第二级加载梁下边缘的前后侧面上安装第三级加载梁，紧挨第三级加载梁下边缘的左右侧面上安装第四级加载梁，以此类推安装所有加载梁。

3.根据权利要求1所述的一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，其特征是：所述的加载梁由等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁，通过螺栓连接夹紧在试件的两相对侧面上，角钢上对称地布置有加载孔。

4.根据权利要求1所述的一种测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的装置，其特征是：加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度为2mm～5mm。

5.依据权利要求1所述的装置测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，其特征是：包括下述步骤：

(1)根据试件尺寸、所需应力梯度选择加载梁尺寸并计算砝码规格和数量；

(2)试件上标注出加载梁、应变片和加速度传感器所在的位置；加载梁交替安装在试件两相对的侧面上，同水平位置的另两个侧面可以布置应变片或加速度传感器；根据加载梁、应变片和加速度传感器的尺寸，用铅笔在试件的侧面上标出矩形框和各级加载梁所在的位置；应变片和加速度传感器分别布置在试件上相邻的两个侧面上，且分别沿着所在试件侧面的轴线均匀布置；

(3)黏贴应变片、加速度传感器和橡胶垫；根据标注出的加载梁、应变片和加速度传感器所在的位置，分别将橡胶垫、应变片和加速度传感器黏贴到各自的位置上；应变片的黏贴方法：用砂纸在已确定好的黏贴应变片的区域，沿着与试件轴线成45°的方向轻轻打磨试件表面，用丙酮溶液擦拭掉被打磨区域的污物，晾干后均匀涂抹一层胶水，最后黏贴应变片，并注意应变片和试件表面间不能有气泡，并检查黏贴是否牢固；加速度传感器的黏贴方法：先在相应区域均匀涂抹厚度为3mm～7mm的石膏，将加速度传感器贴到石膏涂层上，轻轻按压至石膏凝固；在加载梁与试件侧面接触部位加上橡胶垫；

(4)调整水平框架高度固定试件；将试件竖直放在基座的中心位置，启动升降装置调整水平框架的高度，使其中的矩形框正好套在试件的最上端；调节激振器的上下和左右位置，使激振器冲头接触对准试件的轴线方向；接着通过固定升降装置高度来保持水平框架固定；

(5)加载梁和砝码的安装；紧贴矩形框的下边缘，将第一级加载梁水平安装到试件上两相对侧面的已标示区域，调整加载梁的位置，使其与试件的轴线对称布置并且垂直后，固定加载梁，然后在加载梁的对称加载孔上悬挂相应砝码；待第一级加载梁安装和砝码悬挂完毕并稳定后，在另一相对两侧面上，紧贴着第一级加载梁的下边缘，将第二级加载梁安装到试件上，安装加载梁和悬挂砝码方法与第一级加载梁相同；依次交替重复上述步骤，完成所有加载梁的安装和相应砝码的悬挂；

(6)应力波采集；将应变片的引线与超动态应变仪的相应通道连接，加速度传感器的引线与振动采集系统的相应通道连接，示波器与超动态应变仪和振动采集系统连接；接着使超动态应变仪和振动采集系统处于采集触发状态，在信号发生器上设定激励脉冲信号的形式，开启激振器对试件施加脉冲应力波，采集试件不同横截面上的应变波和加速度波；

(7)应力波传播规律分析；利用采集的试件不同横截面上的应变波和加速度波，结合小波理论或小波包理论，分别在时域和频域内对应力波信号进行分析研究，进而得到应力波在具有一定梯度静应力试件中的时空衰减传播规律。

6.根据权利要求5所述的测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，其特征是：步骤(1)中当试件的横截面尺寸：长×宽为30mm×30mm时，选择边宽为30mm的3号角钢制备加载梁；在此基础上，计算每级加载需要的砝码规格和数量；若拟实现线性梯度时，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A为关于x的线性函数，也即σ(x)＝Kx，K称为应力梯度，单位为MPa/m，x为试件横截面的坐标，以第一级加载梁的上边缘为起点x＝0，单位为m；A为试件横截面面积；在忽略试件自重G₃(x)和螺栓重G₄(x)的前提下，砝码重G₁(x)和加载梁重G₂(x)之和为x的线性函数，依据选择的每级加载梁的规格计算其重量，进而确定对应加载级的砝码重量和所需规格及个数。

7.根据权利要求5所述的测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，其特征是：步骤(6)中信号发生器上设定激励脉冲信号的形式为正弦波、矩形波、三角形波或任意函数应力波。

8.根据权利要求6所述的测试轴向近似梯度静应力下应力波传播规律的方法，其特征是：加载参数见表1：

表1