CN108827767A - 一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法 - Google Patents

一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，特点是使用数字图像相关法（DIC技术）计算超高速摄像机记录的图片，得到杆状试件在所有图片上的所有像素点的位移、应变历史，形成位移、应变数据库；根据位移、应变数据库分析得到一个杆状试件上所有层裂位置的层裂起始时刻和断裂应变。优点是通过上述方法不仅能准确确定脆性材料在霍普金森压杆实验中发生多个层裂的断裂应变及应变率，也能够确定每个层裂发生的时间和位置等数据，有效地利用了投入的人力物力以及测得的大量且可贵的实验数据，有效的解决了以往方法中在高加载率实验中不能同时获得所有断裂位置的层裂强度的问题。

Description

一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法
技术领域
本发明涉及一种脆性材料一维层裂实验的分析方法，尤其是涉及一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法。
背景技术
脆性材料(如混凝土、岩石、玻璃和陶瓷等)的损伤演化的动态本构特性研究，已经成为当前力学、材料学界和工程界共同关注的跨学科前沿性研究热点。以工程界最广泛应用的混凝土为代表，因其低密度、高压缩强度的性能优势，被广泛应用于桥梁、大坝、核设施、军事建筑及防护工程。但是，混凝土性能也有其显著的劣势，比如严重的拉压不对称，即极低的拉伸断裂强度，低的断裂韧性。因此，混凝土主要应用在静态压缩工况下。而在其工作过程中，除了承受静态载荷的作用外，还要承受动态载荷的作用，如地震、车辆撞击混凝土结构、轮船撞击大桥桥墩、恐怖袭击等导致的爆炸载荷，这些动态载荷将在结构中产生与准静态载荷不同的效应。与受准静态压缩载荷不同，混凝土结构受爆炸等动态载荷，其内部将产生一个压缩波，当压缩波到达结构的自由面后，将反射生成拉伸波，当拉伸波与压缩波叠加之后的载荷超过混凝土材料的层裂强度时，混凝土将发生层裂破坏，造成结构物的失效甚至垮塌。上述现象表明，在爆炸等动态载荷作用下，必须重点关注脆性材料的动态抗拉性能，因此全面了解混凝土在动态载荷作用下的力学响应，对设计混凝土结构具有重要意义。目前，针对混凝土在静态压缩载荷作用下的力学行为响应已有了广泛的研究，而获得混凝土在高应变率下的力学特征量，如拉伸强度，断裂能等，仍然是一个复杂且迫切的任务。
目前关于脆性材料的动态拉伸性能的实验研究，为了获得高加载率下的层裂强度，普遍选用霍普金森压杆实验技术，即用一个金属子弹(钢或者铝合金)在正方向撞击长金属入射杆，在入射杆中产生一个压缩波，压缩波传递到脆性材料杆状试样并在杆的自由端发生反射，在此过程中，压缩波反射变成拉伸波，从自由端向撞击端传播，当拉伸波与压缩波叠加后的强度达到测试材料的拉伸强度时，试样发生层裂破坏。在一次实验中，由于脆性材料较低的动态抗拉强度，一个试件往往发生多次层裂，然而，目前现有的针对脆性材料一维层裂拉伸强度的实验分析方法通常包括以下两种：一种是通过设计特殊的入射波的形状来使层裂的裂纹按顺序发生，并且在杆状试件上贴应变片来记录杆中压缩波的信号，通过假设压缩波和拉伸波相同来计算分析第一个发生层裂位置的层裂强度，其缺点是应变率不高；另一种是在杆状试件的自由端测量端面的自由速度，来分析计算最靠近自由端的层裂位置的层裂强度，其缺点是只能计算单个层裂位置的层裂强度，不得不放弃对剩余层裂位置的测量分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，该方法不仅能准确确定脆性材料在霍普金森压杆实验中发生多个层裂的断裂应变及应变率，也能够确定每个层裂发生的时间和位置等数据，有效地利用了投入的人力物力以及测得的大量且可贵的实验数据。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种脆性材料一维层裂拉伸强度的计算方法，包括如下步骤：
(1)在由脆性材料制成的杆状试件上，刷白色底漆；
(2)待白色底漆干燥后，在白色底漆上喷涂小的黑色斑点；
上述步骤(1)和(2)为获得清晰的高对比度的图像做准备；
(3)待杆状试件上的黑色斑点干燥后，将杆状试件的一端作为固定端，与固定端相对的另一端为杆状试件的自由端，将杆状试件安装在霍普金森压杆装置上，使固定端的端面与霍普金森压杆装置上的入射杆的端面相接触；
(4)沿杆状试件的径向架设超高速摄像机，并使超高速摄像机的镜头垂直于杆状试件的轴向；
(5)设霍普金森压杆装置所采用的子弹的长度为一个单位特征长度，调节超高速摄像机的位置，使超高速摄像机的中心位置在位于自杆状试件的自由端到固定端方向的一个单位特征长度到两个单位特征长度之间，并对超高速摄像机设定一个拍摄延迟时间Δt，由公式得到，其中c入射杆为入射杆的弹性波速，l杆状试样杆状试样的长度，c杆状试样为杆状试样的弹性波速；
该步骤(5)的设定，确保杆状试件从其自由端的端头起算的两倍的单位特征长度到四倍的单位特征长度均在超高速摄像机的镜头的拍摄范围内；
(6)将杆状试件的固定端的端面定义为撞击面，在霍普金森压杆装置的入射杆上距撞击面四个单位特征长度到六个单位特征长度的位置范围内贴应变片；
(7)用金属子弹正向撞击入射杆的端部，将应变片上测得的压缩波电信号的上升沿信号作为超高速摄像机的触发信号，超高速摄像机接收到该触发信号的时间点记为t0，当时间点为t0+Δt时，超高速摄像机开始拍摄，将杆状试件从其自由端的端头起算的两倍的单位特征长度到四倍的单位特征长度的位置范围在实验过程中的状态用图片的形式拍摄下来，拍摄完成，用电脑下载超高速摄像机所拍摄的图片；
用示波器观测应变片的压缩波信号，并将示波器与超高速摄像机连接起来，通过示波器将应变片上测得的压缩波的上升沿信号发送给超高速摄像机，当超高速摄像机接收到该触发信号时，波的传导实际上并未真正到达杆状试件上，因此需要设定一个拍摄延时时间，当时间点为t0+Δt时，超高速摄像机拍摄到的图片才为杆状试件在实验中的真实状态图；
(8)使用数字图像相关法(DIC技术)计算超高速摄像机记录的图片，得到杆状试件在所有图片上的所有像素点的位移、应变历史，形成位移、应变数据库；
(9)根据位移数据库得到超高速摄像机拍摄的最后一张图片的位移等高线云图，通过颜色的连续性判定，将颜色发生突变的起始区域定义为杆状试件发生层裂的位置，得到至少一个层裂位置；
当杆状试样发生层裂(即杆状试样发生了断裂)时，新生成的断裂面就成为了新的自由面，新的自由面将向层裂处左右两边不断发射反射波，从而使其中一边的质点速度不断增大，而另一边的质点速度不断减小，反映在等高线云图上就会有不同的颜色区块，因此，我们讲颜色发生突变的起始区域定义为杆状试件发生层裂的位置；
(10)在一个层裂位置的两边分别取一像素点，从位移数据库中取出这两个像素点的位移历史，用8阶傅里叶函数拟合，得到这两个像素点的位移函数，将位移函数按时间微分，得到这两个像素点的速度函数，根据得到的速度函数画出这两个像素点的速度时间曲线，读取两条速度时间曲线趋势发生分叉的起始时间点，定义该起始时间点为层裂起始时刻tspalling；
(11)从应变数据库中取出步骤(9)中层裂位置的应变历史，通过该应变历史画出层裂位置的应变时间曲线；根据(10)中确定的层裂起始时刻tspalling，在层裂位置的应变时间曲线上读取该层裂位置在该层裂起始时刻tspalling的断裂应变εspalling；
(12)对步骤(9)中的所有层裂位置重复(10)～(11)步骤的操作可以得到一个杆状试件上所有层裂位置的层裂起始时刻和断裂应变。
在步骤(3)中，杆状试件安装前，在杆状试件的固定端的端面涂抹均匀的凡士林，安装时使杆状试件的固定端的端面与入射杆紧密接触。在杆状试件的固定端的端面上均匀地涂抹上凡士林，可使杆状试件的固定端与入射杆进一步紧密接触。
从步骤(11)中得到的应变时间曲线上读取层裂位置在压缩应变转化为拉伸应变过程中应变值为0的时刻，将该时刻记为ttensile，按公式得到层裂位置的应变率数据。
将上述步骤(11)中得到的断裂应变εspalling乘以杆状试件所采用的脆性材料的弹性模量得到该杆状试件的一维层裂拉伸强度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过上述方法不仅能准确确定脆性材料在霍普金森压杆实验中发生多个层裂的断裂应变及应变率，也能够确定每个层裂发生的时间和位置等数据，有效地利用了投入的人力物力以及测得的大量且可贵的实验数据，有效的解决了以往方法中在高加载率实验中不能同时获得所有断裂位置的层裂强度的问题。
附图说明
图1为本发明中的超高速摄像机的安装示意图；
图2为本发明中根据位移数据库得到的超高速摄像机拍摄的最后一张图片的位移等高线云图；
图3为本发明实施例中Area#1左右两边所取的像素点a和像素点b的速度时间曲线；
图4为本发明实施例中Area#1层裂位置的应变时间曲线。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，包括如下步骤：
(1)在由脆性材料制成的杆状试件4上，刷白色底漆；
(2)待白色底漆干燥后，在白色底漆上喷涂小的黑色斑点；
(3)待杆状试件4上的黑色斑点干燥后，将杆状试件4的一端作为固定端，与固定端相对的另一端为杆状试件4的自由端，在杆状试件4的固定端的端面涂抹均匀的凡士林，将杆状试件4安装在霍普金森压杆装置上，使固定端的端面与霍普金森压杆装置上的入射杆2的端面紧密接触；
(4)沿杆状试件4的径向架设超高速摄像机5，并使超高速摄像机5的镜头51垂直于杆状试件的轴向；
(5)设霍普金森压杆装置所采用的子弹1的长度为一个单位特征长度，调节超高速摄像机5的位置，使超高速摄像机5的中心位置在位于自杆状试件4的自由端到固定端方向的一个单位特征长度到两个单位特征长度之间，同时在超高速摄像机5的两边设置聚光灯6，以确保拍摄效果；并对超高速摄像机5设定一个拍摄延迟时间Δt，由公式得到，其中c入射杆为入射杆2的弹性波速，l杆状试样杆状试样4的长度，c杆状试样为杆状试样4的弹性波速；
(6)将杆状试件4的固定端的端面定义为撞击面，在霍普金森压杆装置的入射杆2上距撞击面四个单位特征长度到六个单位特征长度的位置范围内贴应变片3；
(7)用金属子弹正向撞击入射杆2的端部，用霍普金森压杆装置上的超动态应变仪对应变片3的高频应变进行测量，通过与之相连的示波器观测应变片3的压缩波信号，并将示波器与超高速摄像机5连接起来，通过示波器将应变片3上测得的压缩波的上升沿信号作为超高速摄像机的触发信号发送给超高速摄像机5，超高速摄像机5接收到该触发信号的时间点记为t0，当时间点为t0+Δt时，超高速摄像机5开始拍摄，将杆状试件4从其自由端的端头起算的两倍的单位特征长度到四倍的单位特征长度的位置范围在实验过程中的状态用图片的形式拍摄下来，拍摄完成，用电脑下载超高速摄像机5所拍摄的图片；
(8)使用数字图像相关法(DIC技术)计算超高速摄像机5记录的图片，得到杆状试件4在所有图片上的所有像素点的位移、应变历史，形成位移、应变数据库；
(9)根据位移数据库得到超高速摄像机5拍摄的最后一张图片的位移等高线云图，通过颜色的连续性判定，将颜色发生突变的起始区域(如图2中Area#0、Area#1)定义为杆状试件4发生层裂的位置，得到至少一个层裂位置L；
(10)针对其中一个层裂位置L，在该层裂位置L的两边分别取像素点a和像素点b，从位移数据库中取出这两个像素点的位移历史，用8阶傅里叶函数拟合，得到这两个像素点的位移函数，将位移函数按时间微分，得到这两个像素点的速度函数，根据得到的速度函数画出这两个像素点的速度时间曲线，读取两条速度时间曲线趋势发生分叉的起始时间点，定义该起始时间点为层裂起始时刻tspalling；
(11)从应变数据库中取出步骤(9)中层裂位置L的应变历史，通过该应变历史画出层裂位置L的应变时间曲线；根据(10)中确定的层裂起始时刻tspalling，在层裂位置L的应变时间曲线上读取该层裂位置L在该层裂起始时刻tspalling的断裂应变εspalling；
(12)从步骤(11)中得到的应变时间曲线上读取层裂位置L在压缩应变转化为拉伸应变过程中应变值为0的时刻，将该时刻记为ttensile，按公式得到层裂位置L的应变率数据；
(13)将上述步骤(11)中得到的断裂应变εspalling乘以杆状试件所采用的脆性材料的弹性模量得到该杆状试件的一维层裂拉伸强度；
(13)对步骤(9)中的所有层裂位置L重复(10)～(13)步骤的操作可以得到一个杆状试件4上所有层裂位置L的层裂起始时刻、断裂应变、应变率数据和一维层裂拉伸强度。

Claims (4)

1.一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在由脆性材料制成的杆状试件上，刷白色底漆；
(2)待白色底漆干燥后，在白色底漆上喷涂小的黑色斑点；
(3)待杆状试件上的黑色斑点干燥后，将杆状试件的一端作为固定端，与固定端相对的另一端为杆状试件的自由端，将杆状试件安装在霍普金森压杆装置上，使固定端的端面与霍普金森压杆装置上的入射杆的端面相接触；
(4)沿杆状试件的径向架设超高速摄像机，并使超高速摄像机的镜头垂直于杆状试件的轴向；
(5)设霍普金森压杆装置所采用的子弹的长度为一个单位特征长度，调节超高速摄像机的位置，使超高速摄像机的中心位置在位于自杆状试件的自由端到固定端方向的一个单位特征长度到两个单位特征长度之间，并对超高速摄像机设定一个拍摄延迟时间Δt，由公式得到，其中c入射杆为入射杆的弹性波速，l杆状试样杆状试样的长度，c杆状试样为杆状试样的弹性波速；
(6)将杆状试件的固定端的端面定义为撞击面，在霍普金森压杆装置的入射杆上距撞击面四个单位特征长度到六个单位特征长度的位置范围内贴应变片；
(7)用金属子弹正向撞击入射杆的端部，将应变片上测得的压缩波电信号的上升沿信号作为超高速摄像机的触发信号，超高速摄像机接收到该触发信号的时间点记为t0，当时间点t0+Δt时，超高速摄像机开始拍摄，将杆状试件从其自由端的端头起算的两倍的单位特征长度到四倍的单位特征长度的位置范围在实验过程中的状态用图片的形式拍摄下来，拍摄完成，用电脑下载超高速摄像机所拍摄的图片；
(8)使用数字图像相关法(DIC技术)计算超高速摄像机记录的图片，得到杆状试件在所有图片上的所有像素点的位移、应变历史，形成位移、应变数据库；
(9)根据位移数据库得到超高速摄像机拍摄的最后一张图片的位移等高线云图，通过颜色的连续性判定，将颜色发生突变的起始区域定义为杆状试件发生层裂的位置，得到至少一个层裂位置；
(10)针对其中一个层裂位置，在该层裂位置的两边分别取一像素点，从位移数据库中取出这两个像素点的位移历史，用8阶傅里叶函数拟合，得到这两个像素点的位移函数，将位移函数按时间微分，得到这两个像素点的速度函数，根据得到的速度函数画出这两个像素点的速度时间曲线，读取两条速度时间曲线趋势发生分叉的起始时间点，定义该起始时间点为层裂起始时刻tspalling；
(11)从应变数据库中取出步骤(9)中层裂位置的应变历史，通过该应变历史画出层裂位置的应变时间曲线；根据(10)中确定的层裂起始时刻tspalling，在层裂位置的应变时间曲线上读取该层裂位置在该层裂起始时刻tspalling的断裂应变εspalling；
(12)对步骤(9)中的所有层裂位置重复(10)～(11)步骤的操作可以得到一个杆状试件上所有层裂位置的层裂起始时刻和断裂应变。
2.如权利要求1所述的一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，其特征在于在步骤(3)中，杆状试件安装前，在杆状试件的固定端的端面涂抹均匀的凡士林，安装时使杆状试件的固定端的端面与入射杆紧密接触。
3.如权利要求1所述的一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，其特征在于从步骤(11)中得到的应变时间曲线上读取层裂位置在压缩应变转化为拉伸应变过程中应变值为0的时刻，将该时刻记为ttensile，按公式得到层裂位置的应变率数据。
4.如权利要求1所述的一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，其特征在于将上述步骤(11)中得到的断裂应变εspalling乘以杆状试件所采用的脆性材料的弹性模量得到该杆状试件的一维层裂拉伸强度。
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