CN106093194B - 爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法 - Google Patents

爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法，包括依次首尾相连且水平放置的入射杆(1)、试件杆(2)和吸能杆(3)，所述入射杆(1)的入口处正对子弹(4)，所述子弹(4)与气源(5)相连，所述气源(5)与入射杆(1)之间设置有测速计(6)，所述入射杆(1)和试件杆(2)上均设置有应变片(7)，所述应变片(7)均与数据采集仪(10)相连，所述数据采集仪(10)与示波器(11)相连。本发明提供的一种爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法，用应变来描述应力波衰减规律，并且应变波形的衰减可以通过该实验完整的表现出来，操作简便，应用灵活，应用领域较广。

Description

爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法
技术领域
本发明涉及一种爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法，尤其涉及一种基于霍普金森原理的爆炸作用下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法，属于应力波衰减规律测试技术领域。
背景技术
在爆炸源处会产生应力波，应力波在混凝土中传播时会依次经过破坏区，损伤区，过渡区和振动区。目前，在爆破工程领域中，通常采用一种控制爆破的理论，该理论是为了爆炸过程中不造成损害预期的距离外的岩石(地下结构、岩体等)/混凝土(混凝土结构)类准脆性材料的损伤。通常用来完善爆破控制理论的试验方法是测量距离爆炸点不同距离处的质点峰值速度，该速度与质点的峰值应变和峰值应力有直接的关系。但是，在保证仪器不破坏的情况下，通常只能测得振动区的速度。因此，对于破坏区的试验也不能很好的实施。霍普金森杆装置通过撞击杆(子弹)撞击入射杆产生应力波，当试件足够长时，即可获取应力波的衰减规律，当知道材料的动态弹模时，就可以得到应力波。由此本发明设计了一种基于经典SHPB试验装置进行等效控制爆破理论的试验装置，并提出了其量征方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于霍普金森原理的爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置，该装置可以与控制爆破理论相结合，能有效预测破坏位置，适用范围广，试验可行性好；进一步地，本发明提供一种可减小应力波的弥散，测试结果精确的爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置；更进一步地，本发明提供一种爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的量征方法，该法用应变来描述应力波衰减规律，简化了传统的测应力来描述应力波衰减；并且应变波形的衰减可以通过该实验完整的表现出来，分别是破坏区，传播区和振动区；该方法操作简便，应用灵活，应用领域较广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置，包括依次首尾相连且水平放置的入射杆、试件杆和吸能杆，所述入射杆的入口处正对子弹，所述子弹与气源相连，所述气源与入射杆之间设置有测速计，所述入射杆和试件杆内均设置有应变片，所述应变片包括设置于所述入射杆内的两组第一应变片和设置于所述试件杆内的且沿其轴向排布的若干组第二应变片，所述应变片均与数据采集仪相连，所述数据采集仪与示波器相连。
所述入射杆的入口处设置有整形片。
所述入射杆和子弹的材质相同且均包括铝，所述试件杆和吸能杆的材质相同且均包括混凝土材料，所述子弹、入射杆、试件杆和吸能杆的直径均相同；所述子弹的长度至少为其直径的2倍；所述试件杆和吸能杆的长度相同且均至少为所述子弹直径的27倍。
所述第一应变片的组数包括2组；所述第一应变片位于所述入射杆的中间位置。
所述第二应变片的组数包括14组，所述第二应变片分别距离所述入射杆与试件杆接触端0.5，1，1.5，2，3，4，5，6，7，9，11，13，15，17倍的杆直径大小位置。
每组所述应变片均包含2个应变片单体，2个所述应变片单体采用全桥接线的方式串联，所述应变片单体的长度方向与入射杆或试件杆轴线方向平行并贴在其表面，每组的2个所述应变片单体在同一圆截面上，并在同一直径上。
所述入射杆和试件杆紧密贴合在一起，并涂上凡士林。
爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的量征方法，包括以下步骤：
S01，在入射杆和试件杆上粘贴应变片，并将所述应变片连接在所述数据采集仪的对应通道上；
S02，将入射杆和试件杆紧密贴合在一起，并涂上凡士林；
S03，通过调节气源的气压大小，得到子弹的不同冲击速度，并通过测速计测量，示波器记录子弹冲击下应变片所测到的数据波形及峰值应变；
S04，取应变片的峰值应变，通过公式并用数据软件进行拟合，得到应变的衰减规律，即应力波的衰减规律。
所述公式为ε＝ε0e-αR，式中，ε表示沿试件杆轴向的测试点的峰值应变，ε0表示试件杆与入射杆接触处的峰值应变，R表示从测试点到试件杆与入射杆接触处的距离，α表示衰减系数。
重复S03～S04步骤，调节不同气压，即得到不同冲击速度下准脆性材料应力波衰减规律。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的一种爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置及量征方法，测试装置基于霍普金森原理，可用来模拟不同冲击速度下破坏区，传播区和振动区的应变，可精度模拟爆破条件，进而实现控制爆破和完善爆破；整形片的设置，可减小应力波的弥散，使测试结果精确；本发明的量征方法具有以下优点：(1)提出了一种用应变来描述应力波衰减规律的方法，简化了传统的测应力来描述应力波衰减；(2)应变波形的衰减可以通过该实验完整的表现出来，分别是破坏区，传播区和振动区；(3)该方法操作简便，应用灵活，应用领域较广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A部分的放大图；
图3为本发明中气源的结构示意图；
图4为本发明的爆炸示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1～图4所示，爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置，是一种基于霍普金森原理的测量应力波衰减的装置，是采用霍普金森杆技术进行试验，包括入射杆1，子弹4，气源5，测速计6，整形片12，吸能杆3，试件杆2，应变片7，数据采集仪10和示波器11等，其中，吸能杆3和试件杆2都是混凝土材料。入射杆1采用的是铝制材料，子弹4与入射杆1的材料是相同的。子弹4，入射杆1、试件杆2和吸收杆3的直径皆为37mm，子弹4长80mm，入射杆1长1000mm，试件杆2和吸能杆3长为1000mm。其中，在入射杆1上中间位置粘贴2组第一应变片8，在试件杆2上张贴14组第二应变片9，第二应变片9粘贴在试件杆2上的，分别距离入射杆1与试件杆2接触端0.5，1，1.5，2，3，4，5，6，7，9，11，13，15，17倍的杆直径大小。当子弹4以一定的速度冲击时，会在入射杆1的第一应变片8上记录一定的波形，通过示波器11显示为电压图，通过转换得到应变图。然后将试件杆2上所测得的应变取其峰值应变，取得在每一个第二应变片9粘贴位置处(即测试点)的所对应的最大应变，列在表中，通过公式ε＝ε0e-αR(其中ε表示沿试件杆2轴向的峰值应变，ε0表示试件杆2与入射杆1接触处的峰值应变，R表示从测试点到试件杆2与入射杆1接触处的距离，α表示衰减系数)进行拟合计算，即可得到应力波的衰减规律。当子弹4的冲击速度较低时，试件杆2上第二应变片9所测到的峰值应变是差不多大小的，这种情况下反应的是爆破过程中振动区的力学效应。当速度较大时，会使得试件杆2与入射杆1接触的部分损坏，而且峰值应变会由大逐渐减小最后趋于平缓。
爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的量征方法，包括以下步骤：
(1)在入射杆1和试件杆2上粘贴应变片7，用全桥接线，分别连接在数据采集仪10的16个通道上；
(2)将入射杆1与试件杆2紧密贴合在一起，并涂上凡士林；
(3)通过调节气压大小，得到不同的冲击速度，并通过测速计6测量，并记录应变片7所测到的数据波形；
(4)取峰值应变，通过公式ε＝ε0e-αR(其中ε表示沿试件杆2轴向的峰值应变，ε0表示试件杆2与入射杆1接触处的峰值应变，R表示从测试点到试件杆2与入射杆1接触处的距离，α表示衰减系数)并用数据软件进行拟合，得到应变的衰减规律，即应力波的衰减规律。
重复(3)，(4)步骤，调节不同气压，即可得到不同冲击速度下产生的不同效果。
第二应变片9的贴合位置不是固定值，根据衰减规律，试件杆2刚开始时很短的一段距离衰减规律是不明显的，所以第二应变片9贴的密一点，随着距离的增大，其衰减规律变得越来越明显，所以第二应变片9贴的越来越稀疏即可。
ε0的获得方法为：在入射杆1上面贴2组第一应变片8是为了测得入射波和反射波的大小，入射波等于反射波加上透射到试件杆2中的波，因此可以得到透射波的大小，从而推出试件杆2和入射杆1接触处的应变值，即透射波的大小。由于入射杆1是弹性杆，杆上每点的应变都是相同的，即波的大小是相同的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置，其特征在于，包括依次首尾相连且水平放置的入射杆(1)、试件杆(2)和吸能杆(3)，所述入射杆(1)的入口处正对子弹(4)，所述子弹(4)与气源(5)相连，所述气源(5)与入射杆(1)之间设置有测速计(6)，所述入射杆(1)和试件杆(2)内均设置有应变片(7)，所述应变片(7)包括设置于所述入射杆(1)内的两组第一应变片(8)和设置于所述试件杆(2)内的且沿其轴向排布的若干组第二应变片(9)，所述应变片(7)均与数据采集仪(10)相连，所述数据采集仪(10)与示波器(11)相连；
所述入射杆(1)和子弹(4)的材质相同且均包括铝，所述试件杆(2)和吸能杆(3)的材质相同且均包括混凝土材料，所述子弹(4)、入射杆(1)、试件杆(2)和吸能杆(3)的直径均相同；所述子弹(4)的长度至少为其直径的2倍；所述试件杆(2)和吸能杆(3)的长度相同且均至少为所述子弹(4)直径的27倍；
所述入射杆(1)和试件杆(2)紧密贴合在一起，并涂上凡士林；
所述入射杆(1)的入口处设置有整形片(12)；
所述第一应变片(8)位于所述入射杆(1)的中间位置；
所述第二应变片(9)的组数包括14组，所述第二应变片(9)分别距离所述入射杆(1)与试件杆(2)接触端0.5，1，1.5，2，3，4，5，6，7，9，11，13，15，17倍的杆直径大小位置；
每组所述应变片(7)均包含2个应变片单体，2个所述应变片单体采用全桥接线的方式串联，所述应变片单体的长度方向与入射杆(1)或试件杆(2)轴线方向平行并贴在其表面，每组的2个所述应变片单体在同一圆截面上。
2.根据权利要求1所述的爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置的量征方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01，在入射杆(1)和试件杆(2)上粘贴应变片(7)，并将所述应变片(7)连接在所述数据采集仪(10)的对应通道上；
S02，将入射杆(1)和试件杆(2)紧密贴合在一起，并涂上凡士林；
S03，通过调节气源(5)的气压大小，得到子弹(4)的不同冲击速度，并通过测速计(6)测量，示波器(11)记录子弹(4)冲击下应变片(7)所测到的数据波形及峰值应变；
S04，取应变片(7)的峰值应变，通过公式并用数据软件进行拟合，得到应变的衰减规律，即应力波的衰减规律。
3.根据权利要求2所述的爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置的量征方法，其特征在于：所述公式为ε＝ε0e-αR，式中，ε表示沿试件杆(2)轴向的测试点的峰值应变，ε0表示试件杆(2)与入射杆(1)接触处的峰值应变，R表示从测试点到试件杆(2)与入射杆(1)接触处的距离，α表示衰减系数。
4.采用权利要求2所述的爆炸下准脆性材料应力波衰减规律的测试装置的量征方法，其特征在于：重复S03～S04步骤，调节不同气压，即得到不同冲击速度下准脆性材料应力波衰减规律。
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