CN105738228B - 用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统及方法，利用延时控制器发出触发信号控制多通道脉冲点火器，多通道脉冲点火器收到触发信号后引爆导管药包中的炸药，通过炸药爆炸产生冲击力作用于冲击头，冲击头在爆炸荷载作用下冲击试件，使试件起裂产生运动裂纹。延时控制器可以同时或先后发出多个触发信号，控制多通道脉冲点火器同时或先后引爆多个药包，使试件中同时或先后产生两条或多条运动裂纹。所述实验加载系统可以通过改变冲击头和试件的相对位置来改变试件中产生运动裂纹的位置和裂纹的初始扩展方向，具有很大灵活性，能够满足不同实验要求。
Description
技术领域
本发明涉及断裂力学研究领域的爆破测试实验系统，尤其涉及一种研究两条或多条运动裂纹相互作用机理的实验加载系统及方法。
背景技术
光面爆破、定向断裂控制爆破技术在道路建设、露天矿和深部矿井、隧道和立井开挖中有着广泛的应用。在实际工程中，由于延时起爆技术的应用和火工品的精度问题，不同炮孔的起爆时间必定存在微小的误差，这样就必然存在先爆炮孔产生的运动裂纹与后爆炮孔产生的运动裂纹相互作用以及运动裂纹相互贯通等问题。
近几年来，随着科学技术的不断进步，国外一些科研工作者通过先进的实验设备如高速摄影仪等运动裂纹的扩展及相互影响规律进行了一些研究并研究取得了一定的成果，对实际工程应用具有一定指导意义和实用价值。但是目前国内关于运动裂纹相互作用的实验和研究相对较少。因此，有必要对运动裂纹之间相互作用的过程和机理等问题进行深入研究，这对工程实践以及断裂动力学理论的发展等都具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种可研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统。该系统能在实验试件中同时或先后产生两条或多条沿相同或不同方向扩展的运动裂纹，从而研究相向扩展的运动裂纹互相贯通的机理，扩展轨迹互相平行或呈一定夹角的运动裂纹之间的相互影响作用，研究运动裂纹在相互影响的情况下裂纹的扩展轨迹、扩展速度、扩展加速度、裂纹尖端应力场分布情况、裂尖应力强度因子等的变化规律。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统，利用延时控制器发出触发信号控制多通道脉冲点火器，多通道脉冲点火器收到触发信号后引爆导管药包中的炸药，通过炸药爆炸产生冲击力作用于冲击头，冲击头在爆炸荷载作用下冲击试件，使试件起裂产生运动裂纹；延时控制器同时或先后发出至少两个触发信号，控制多通道脉冲点火器同时或先后引爆多个药包，使试件中同时或先后产生两条或多条运动裂纹；多通道脉冲点火器接到触发信号后立即放电，在起爆线连接的起爆探针尖端放电，引爆药包中的炸药，使冲击头冲击试件。
所述的实验加载系统，冲击头和试件的相对位置可以改变，进而改变试件中产生运动裂纹的位置和裂纹的初始扩展方向。
所述的实验加载系统，所述实验加载系统包括支架(12)、冲击头(8)、导管(6)、试件(11)、导管支架(9)、试件支架(10)、炸药药包(7)，导管(6)一端不封闭，另一端封闭，封闭的一端有小孔，起爆探针(5)从所述小孔穿过，冲击头(8)一端带有尖锐部，另一端为圆柱形，圆柱部分的直径与导管(6)的内径相同，冲击头(8)的尖锐部与试件(11)接触，圆柱部分位于导管(6)内；炸药药包(7)的外径与导管(6)的内径相同，炸药药包(7)位于冲击头(8)和导管(6)封闭端之间，炸药药包(7)起爆后对冲击头(8)进行冲击，在试件(11)上制造运动裂纹；试件支架(10)底部固定在支架(12)上，试件支架(10)顶部设置稍大于试件(11)厚度的凹下，将试件(11)放在试件支架(10)凹下处，将试件(11)调整到与冲击头(8)合适的相对位置并拧紧螺栓固定试件(11)。
所述的实验加载系统，起爆探针(5)的尖端插入炸药药包(7)，末端穿过导管(6)末端的小孔；将起爆探针(5)末端与信号线b(4)连接；利用延时控制器(1)发出触发信号，控制多通道脉冲点火器(3)按照设定的时间放电引爆炸药药包(7)。
所述的实验加载系统，导管(6)的一侧有一带圆孔的矩形构件用来固定导管(6)，矩形构件上圆孔的直径与导管支架(9)的直径相同。
所述的实验加载系统，导管(6)的固定高度可根据实验需要自由调整，每个导管支架(9)上可以固定多个导管(6)。
所述的实验加载系统，如果需要在试件中产生多条运动裂纹，需要设置相应数量的导管、药包以及冲击头。
所述的实验加载系统，延时控制器有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间。
根据任一所述的实验加载系统研究运动裂纹相互作用机理的方法，包括以下步骤：
首先，用相应数量的信号线连接延时控制器和多通道脉冲点火器，并在多通道脉冲点火器对应的放电通道接上信号线；
然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，末端穿过导管末端的圆孔，将炸药药包装入导管中，再将冲击头装入导管；
之后，设置延时控制器各控制通道延时的时间，把试件固定在夹具上，把导管固定在支架上；
最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，操作延时控制器引爆炸药。
本发明的用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统，能够研究两条运动裂纹或多条运动裂纹相互作用的情况，扩展方向夹角不同的运动裂纹之间扩展速度、扩展轨迹、扩展加速度、裂尖应力分布互相影响的效果，以及运动裂纹之间应力场的变化情况，运动裂纹在裂纹扩展不同阶段互相作用的结果，并在此基础上对断裂动力学理论进行更深入的研究。
系统利用延时控制器触发多通道脉冲点火器引爆炸药，操作简便，可靠性高。运动裂纹的扩展速度一般可达300m/s左右，冲击头使试件受到冲击荷载作用到试件起裂也仅仅需要数十微秒时间，必须严格控制不同运动裂纹起裂的时间，使它们能够按照实验要求同时起裂或在极短的试件内先后起裂。因此系统采用延时控制器作为延时控制设备，延时控制器有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间，完全满足实验的精度要求，而且抗干扰能力强，操作方便，能够保证系统的可靠性和实验的成功率。系统利用多通道脉冲点火器放电引爆药包，可以在一次实验中引爆至少两个药包，产生至少两条运动裂纹。并且可以通过改变冲击头和试件的相对位置来改变试件中产生运动裂纹的位置和裂纹初始扩展方向，具有很大灵活性，能够满足不同实验要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构原理图；
图2为本发明的试件固定支架侧视图；
图3为本发明的导管固定示意图；
图4为本发明的冲击头示意图；
图中：1延时控制器2信号线a、3多通道脉冲点火器、4信号线b、5起爆探针、6导管、7炸药药包、8冲击头、9导管支架、10试件支架、11试件、12支架、13螺栓a、14螺栓b。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1-4，研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统包括支架12、冲击头8、导管6、试件11、导管支架9、试件支架10、螺栓a13、螺栓b14、炸药药包7，导管6主体为圆柱形的钢管，一端不封闭，另一端封闭，封闭的一端有一个圆形的小孔，起爆探针5可从这个小孔穿过，圆柱的一侧有一带圆孔的矩形构件用来固定导管6，矩形构件上圆孔的直径与导管支架9的直径相同，矩形构件的圆孔穿过导管支架9，通过螺栓b14将导管6固定，导管支架9底部固定在支架12上；冲击头8一端带有尖锐部，另一端为圆柱部，圆柱部的直径与导管6的内径相同，冲击头8的尖锐部与试件11接触，圆柱部插入导管6内；炸药药包7的外径与导管6的内径相同，炸药药包7位于导管6最里面，位于冲击头8和导管6封闭端之间，起爆后对冲击头8进行冲击，在试件11上制造运动裂纹；试件支架10上配有螺栓a13用来固定试件11，保证试件11的稳定性；起爆探针5的尖端插入炸药药包7，末端穿过导管6末端的小孔，炸药药包7位于导管6中。
起爆探针5的尖端插入炸药药包7，用砂纸打磨起爆探针5的末端。然后将起爆探针5末端穿过导管6封闭端的小圆孔，将炸药药包7放入导管6，再将冲击头8放入导管6，冲击头8尖锐部朝外。
试件支架10底部固定在支架12上，试件支架10顶部设置稍大于试件厚度的凹下，将试件11放在试件支架10凹下处，调整到与冲击头8合适的相对位置，拧动螺栓a13对试件11进行固定，以保证试件11的稳定性。
将导管支架9穿过导管6矩形构件的圆孔，根据实验需要将导管6调整到合适位置，拧紧螺栓b14固定导管6，使冲击头8尖锐部恰好与试件11接触。
如果需要在试件中产生多条运动裂纹，需要设置相应数量的导管、药包以及冲击头。
延时控制器按照预先设定的延时时间同时或先后向多通道脉冲点火器的对应放电通道发出脉冲信号，多通道脉冲点火器放电引爆炸药药包。
延时控制器有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间，完全满足实验的精度要求，并且抗干扰能力强，操作方便，能够保证系统的可靠性和实验的成功率。
本发明的用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统，其具体操作方法是：
首先，用相应数量的信号线连接延时控制器和多通道脉冲点火器，并在多通道脉冲点火器对应的放电通道接上信号线；
然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，末端穿过导管末端的圆孔，将炸药药包装入导管中，再将冲击头装入导管；
之后，设置延时控制器各控制通道延时的时间，把试件固定在夹具上，把导管固定在支架上；
最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，操作延时控制器引爆炸药。
所述的延时控制器能以μs级的精度设置延时时间间隔，满足实验的精度要求。
所述的多通道脉冲点火器可以一次引爆至少两个药包。
以同时产生两条相向扩展的运动裂纹为例进行说明。
如图1、2、3、4所示，具体步骤包括：
步骤一、在炸药药包7中装药。根据需要的装药密度、装药质量等，用天平称量适量的炸药，装入圆柱形的炸药药包7。炸药药包7外径与导管6内径相同。将起爆探针5的尖端插入炸药药包7，用砂纸打磨起爆探针5的末端，将起爆探针5末端穿过导管6封闭端的小圆孔。然后将炸药药包7放入导管6中，再将冲击头8放入导管6，冲击头8的尖锐部朝外。
步骤二、固定试件11。参照图2，将试件11放在试件支架10凹下处，调整到合适的位置，拧动螺栓13对试件11进行固定，以保证试件11的稳定性。
步骤三、参照图1、3，将导管支架9穿过导管6矩形构件的圆孔，根据实验需要将导管6调整到合适位置，拧紧螺栓14固定导管6，使冲击头8尖锐部恰好与试件11接触。再按照同样方式固定另一个导管6，使两个导管6高度相同，冲击头8方向正好相对。
步骤四、将信号线a2一端连接延时控制器1的一号信号输出端口，另一端连接多通道脉冲点火器3的一号信号输入端口。将另一根信号线a2一端连接延时控制器1的二号信号输出端口，另一端连接多通道脉冲点火器3的二号信号输入端口。在多通道脉冲点火器3相应的一号、二号放电通道端口分别接上信号线b4。信号线b4的另一端分别与起爆探针5的末端连接。
步骤五、打开延时控制器1，将一号、二号信号输出端口的延时时间设置为0μs。然后打开多通道脉冲点火器3，接着打开一号、二号放电通道的开关。
步骤六、按下延时控制器1的触发按钮，延时控制器1同时传递脉冲信号触发多通道脉冲点火器3的一号、二号放电通道，使多通道脉冲点火器3同时放电引爆两个炸药药包7，在试件11中产生两条相向扩展的运动裂纹。然后依次关闭一号、二号放电通道、多通道脉冲点火器、延时控制器的开关。在炸药起爆的同时，可以使用高速摄影仪、高速纹影设备、超动态应变测试仪、DIC系统、动态光弹性光路系统、数字动态焦散线光路系统等设备对运动裂纹扩展过程中试件所产生的各种现象如应变、应力、破裂、裂纹运动轨迹等进行观测、记录。据此研究运动裂纹尖端区域应力强度因子、应力、应变场的变化规律，整个试件全场的应力分布、变化规律，裂纹扩展速度、加速度的变化规律，从而进一步分析运动裂纹的相互作用机理。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.用于研究运动裂纹相互作用机理的实验加载系统，其特征在于，利用延时控制器发出触发信号控制多通道脉冲点火器，多通道脉冲点火器收到触发信号后引爆导管药包中的炸药，通过炸药爆炸产生冲击力作用于冲击头，冲击头在爆炸荷载作用下冲击试件，使试件起裂产生运动裂纹；延时控制器同时或先后发出至少两个触发信号，控制多通道脉冲点火器同时或先后引爆多个药包，使试件中同时或先后产生两条或多条运动裂纹；多通道脉冲点火器接到触发信号后立即放电，在起爆线连接的起爆探针尖端放电，引爆药包中的炸药，使冲击头冲击试件；所述实验加载系统包括支架(12)、冲击头(8)、导管(6)、试件(11)、导管支架(9)、试件支架(10)、炸药药包(7)，导管(6)一端不封闭，另一端封闭，封闭的一端有小孔，起爆探针(5)从所述小孔穿过，冲击头(8)一端带有尖锐部，另一端为圆柱形，圆柱部分的直径与导管(6)的内径相同，冲击头(8)的尖锐部与试件(11)接触，圆柱部分位于导管(6)内；炸药药包(7)的外径与导管(6)的内径相同，炸药药包(7)位于冲击头(8)和导管(6)封闭端之间，炸药药包(7)起爆后对冲击头(8)进行冲击，在试件(11)上制造运动裂纹；试件支架(10)底部固定在支架(12)上，试件支架(10)顶部设置稍大于试件(11)厚度的凹下，将试件(11)放在试件支架(10)凹下处，将试件(11)调整到与冲击头(8)合适的相对位置并拧紧螺栓固定试件(11)。
2.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，冲击头和试件的相对位置可以改变，进而改变试件中产生运动裂纹的位置和裂纹的初始扩展方向。
3.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，起爆探针(5)的尖端插入炸药药包(7)，末端穿过导管(6)末端的小孔；将起爆探针(5)末端与信号线b(4)连接；利用延时控制器(1)发出触发信号，控制多通道脉冲点火器(3)按照设定的时间放电引爆炸药药包(7)。
4.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，导管(6)的一侧有一带圆孔的矩形构件用来固定导管(6)，矩形构件上圆孔的直径与导管支架(9)的直径相同。
5.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，导管(6)的固定高度可根据实验需要自由调整，每个导管支架(9)上可以固定多个导管(6)。
6.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，如果需要在试件中产生多条运动裂纹，需要设置相应数量的导管、药包以及冲击头。
7.根据权利要求1所述的实验加载系统，其特征在于，延时控制器有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间。
8.根据权利要求1-7任一所述的实验加载系统研究运动裂纹相互作用机理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，用相应数量的信号线连接延时控制器和多通道脉冲点火器，并在多通道脉冲点火器对应的放电通道接上信号线；
然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，末端穿过导管末端的圆孔，将炸药药包装入导管中，再将冲击头装入导管；
之后，设置延时控制器各控制通道延时的时间，把试件固定在夹具上，把导管固定在支架上；
最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，操作延时控制器引爆炸药。
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