CN108827798A - 一种焦散线-数字图像相关法同步实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦散线‑数字图像相关法同步实验系统及方法，包括第一LED闪光灯光源(1)，第二LED闪光灯光源(2)，电容充电器(3)，第一超高速摄影仪(4)，第二超高速摄影仪(5)，数字散斑图像计算模块(6)，焦散斑计算模块(7)，冲击头(8)，落锤(9)，实验加载台(10)，激光光源(11)及焦散线光路系统延迟信号控制器(15)，试件(26)；该系统综合了两种实验方法的优点，能够测得运动裂纹的扩展长度、扩展速度、扩展加速度等各项力学参数，通过综合对比分析两种方法测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究运动裂纹的扩展机理。
Description
技术领域
本发明涉及实验力学研究领域的动态断裂力学实验研究方法，尤其涉及一种研究岩石材料断裂过程中运动裂纹扩展机理的实验和方法。
背景技术
岩石是自然界最常见的材料之一，同时也是人类建造工程最常用的材料。因此研究并了解岩石材料在不同外界条件下的物理和力学性质对工程结构的安全性设计具有非常重要的意义。其中，岩石的动态断裂问题一直是该领域的研究热点。岩石的动态断裂现象广泛地存在于矿业工程、环境工程和土木工程施工之中，且是大部分地质灾害现象(如地震、山体滑坡及岩爆等)的起因之一，这使得研究岩石类材料在动态荷载作用下，裂纹起裂及扩展过程中的断裂机理具有重要的实际意义。但是，岩石介质由于其内部存在的大量微裂隙、节理及断层，使得其动态断裂行为变得极为复杂且具有较高的随机性。因此，选取合理的测试方法对岩石类材料的动态断裂机理进行实验研究已显得十分必要。
目前，国内外学者已采取不同的测试方法对岩石材料动态断裂过程中裂纹起裂和扩展过程的力学机理进行了广泛研究，并取得了一定的研究成果，但是利用焦散线方法和数字图像相关方法同步研究分析岩石材料中运动裂纹起裂和扩展过程中断裂力学机理的研究尚未进行。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供了一种焦散线-数字图像相关法同步实验系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
焦散线-数字图像相关法同步实验系统，包括第一LED闪光灯光源1，第二LED闪光灯光源2，电容充电器3，第一超高速摄影仪4，第二超高速摄影仪5，数字散斑图像计算模块6，焦散斑计算模块7，冲击头8，落锤9，实验加载台10，激光光源11及焦散线光路系统延迟信号控制器15，试件26；其中，冲击头8、落锤9位于实验加载台10中；焦散线光路系统呈“V”字形，包括激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13、第二凸透镜14、第二超高速摄影仪5；其中，激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13三者中心点在同一条水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13；第二超高速摄影仪5的镜头中心点和第二凸透镜14中心点在同一水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件26由远及近依次为第二超高速摄影仪5和第二凸透镜14；第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜14的焦点处。扩束镜12中心点位于第一凸透镜13焦点处。用信号线将第二超高速摄影仪5与焦散斑计算模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至焦散斑成像平面上，调节激光光源11直至试件区域清晰可见。用信号线分别将冲击头8、落锤9和延迟信号控制器15连接，并调节延迟信号控制器15触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器15与第二超高速摄影仪5，设定第二超高速摄影仪5为外触发模式；第一超高速摄影仪4置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影仪4的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源1与第二LED闪光灯光源2对称地置于试件喷斑表面的斜前方，保证光源发出的光线与试件表面的法线呈45°角；用电源充电线连接第一LED闪光灯光源1、第二LED闪光灯光源2与电容充电器3连接，充电三十秒；用信号线将延迟信号控制器与第一超高速摄影仪4连接，用电源充电线将第一超高速摄影仪4与电容充电器3连接，用信号线将第一超高速摄影仪4与数字散斑图像计算模块6连接。将第一超高速摄影仪4的触发方式设置为外触发；实验开始时，落锤9下落击中冲击头8，冲击头8对试件26施加荷载，使试件26产生运动裂纹；冲击头8和落锤9均为金属制品，落锤9击中冲击头8的瞬间，冲击头8、落锤9、信号线21-23形成闭合通路，使延迟信号控制器15接到断通信号，延迟信号控制器15接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5，第一超高速摄影仪4通过信号线18传递信号至电容充电器3，电容充电器3控制第一LED闪光灯光源1和第二LED闪光灯光源2开始工作；同时，第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5开始工作，分别采集数字图像相关实验数据和焦散线实验数据，从而实现了焦散线法和数字图像相关法的同步测试。
所述的实验系统，将实验加载台10上的冲击头8和落锤9更换为伺服液压机，对试件26施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，所述的数字散斑图像计算模块6通过采集到的散斑变形图片分析计算得出包括试件的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度的各项参数；
具体方法如下：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；
若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解。将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)......fn(x)]，n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝argminxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε此时的xk+1为所求
值，可用xk+1代替x0进行后续的计算。其中Jk为雅克比矩阵；
按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算；
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu；
A5、再由求出应力强度因子。裂纹扩展速度ΔL为
Δt在时间段中，焦散斑的移动距离。裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段
中，裂纹扩展速度的变化量；
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中
各个散斑的位置x、y。重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止；
A7、导出得到的数据。
所述的实验系统，利用反射式动态焦散线实验方法研究岩石断裂行为，和DIC仪器同步采集实验数据，得到的数据可以和DIC采集结果互相对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。
根据任一所述的系统进行焦散线-数字图像相关法同步实验的方法，包括以下步骤：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑和贴片；将试件26置于白纸上，需要喷斑的表面朝上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀的喷涂黑色散斑；喷涂黑斑完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时；待黑斑完全干燥后，在试件另一表面贴上焦散线实验反射贴片，反射贴片的大小应该和试件表面的大小是一样的；
其次，调试焦散线光路系统；
再次，调试数字图像相关实验系统；
然后，设置第一超高速摄影仪4与第二超高速摄影仪5为“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6导入散斑参考图像，并在数字散斑图像计算模块6设置各项参数，选取裂纹扩展区域；数字散斑图像计算模块6将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，就能确定试件表面的散斑发生了多少偏移，获得散斑坐标值(x、y)；再在焦散斑计算模块7设置各项参数；
最后，使落锤下落击中冲击头，对试件施加荷载，在试件中产生运动裂纹，数字散斑图像计算模块6、焦散斑计算模块7同步采集记录数字图像相关实验数据和焦散线实验数据并计算出相关结果。
所述的方法，所述的焦散斑计算模块7，将第二超高速摄影机5记录的焦散斑图片导入焦散斑计算模块7，根据焦散斑形状判断焦散斑类型分别为I型、II型、复合型，I型焦散斑是圆形，II型焦散斑是椭圆形，复合型焦散斑是椭圆形带蝌蚪状的尾巴，进而自动得出裂纹类型为I型、II型、复合型，然后测定出每张图片中焦散斑的直径Dmax、Dmin以及焦散斑中心的位移ΔL；最后计算出各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、裂尖动态应力强度因子、裂纹扩展长度；
焦散斑计算模块7中具体方法为：
式中，f焦散线数值因子，它描述了特征长度参数和初始曲线半径之间的关系，其值可根据μ来确定，μ为应力强度因子比例系数，其值可根据(Dmax-Dmin)/Dmax来确定，z0为试件与参考平面的距离；c为试件的投射焦散应力光学常数；d为试件的有效厚度；Dmax为焦散斑的最大直径。c1和c2分别为试件中纵波波速和横波波速；v为裂纹扩展速度；
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；
裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量。KI和KII都是动态应力强度因子。I型、II型、复合型都需要计算KI和KII。F(v)是裂纹扩展速度调节因子，表示惯性项对动态应力强度因子阈值的影响，当试件未起裂或者裂纹准静态扩展时，F(v)＝1；在裂纹扩展过程中，F(v)小于1。
所述的方法，所述的落锤可根据实验需要改变下落高度或重量，对模型施加冲击荷载。
所述的方法，所述的试件可根据实验需要设置一条或多条不同角度的预制裂纹，从而在实验中产生一条或多条运动裂纹及不同类型裂纹。
所述的方法，所述数字散斑图像计算模块6设置各项参数包括：子区窗口subsetsize：31～41像素长；子区间隔(subset spacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割；应变计算窗口：大小一般选择15个像素长。
所述的方法，所述焦散斑计算模块7设置各项参数包括：试件与参考平面的距离z0；试件的投射焦散应力光学常数c；试件的有效厚度d；试件中纵波波速和横波波速c1和c2。
本发明所述的用于动态加载的焦散线-数字图像相关实验系统及方法的优点在于：(1)能够实现动态焦散线方法和数字图像相关法的同步测试；(2)通过改变冲击头的重量和下落高度，能够改变冲击头对试件施加冲击荷载的大小和速率；(3)能够自动同时开始采集两种实验方法的数据，从而减小实验误差；(4)可以根据实验需要灵活调整试件表面斑点大小，提高实验结果的测量精度；(5)根据实验需要，可通过改变试件中预制裂纹的数量和角度等方式，可以研究多条裂纹和复合型裂纹起裂扩展的断裂机理；(6)根据实验需要，可将实验加载台上的冲击头更换为伺服液压机，对试件施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。(7)根据实验需要，可以改变数字图像相关法的运算区域大小，从而实现对试件全场位移场的计算研究。本实验系统已进行了相关的实验，得到了较好的实验结果。
附图说明
图1为本发明实验系统结构图；
图2为焦散斑计算模块流程图；
图3为数字散斑图像计算模块流程图；
图中：1第一LED闪光灯光源，2第二LED闪光灯光源，3电容充电器，4第一超高速摄影仪，5第二超高速摄影仪，6数字散斑图像计算模块，7焦散斑计算模块，8冲击头，9落锤，10实验加载台，11激光光源，12扩束镜，13第一凸透镜，14第二凸透镜，15延迟信号控制器，16-17电源充电线，18-25信号线，26试件。
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，焦散线-数字图像相关法同步实验系统，包括第一LED闪光灯光源1，第二LED闪光灯光源2，电容充电器3，第一超高速摄影仪4，第二超高速摄影仪5，数字散斑图像计算模块6，焦散斑计算模块7，冲击头8，落锤9，实验加载台10，激光光源11及焦散线光路系统延迟信号控制器15，试件26；其中，冲击头8、落锤9位于实验加载台10中。
所述的实验系统，实验开始时，落锤9下落击中冲击头8，冲击头8对试件26施加荷载，使试件26产生运动裂纹。由于冲击头8和落锤9均为金属制品，落锤9击中冲击头8的瞬间，冲击头8、落锤9、信号线21-23形成闭合通路，使延迟信号控制器15接到断通信号，延迟信号控制器15接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5，第一超高速摄影仪4通过信号线18传递信号至电容充电器3，电容充电器3控制第一LED闪光灯光源1和第二LED闪光灯光源2开始工作。同时，第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5开始工作，分别采集数字图像相关实验数据和焦散线实验数据，从而实现了焦散线法和数字图像相关法的同步测试。
所述的实验系统，通过延迟信号控制器15可以调节第一超高速摄影仪4、第二超高速摄影仪5、电容充电器3开始工作的时间，从而满足不同岩石材料起裂时刻不同的实验要求，使本系统能够完整记录不同岩石材料在断裂过程中的实验数据。
所述的实验系统，通过改变落锤9的重量，可以改变冲击头8对试件26施加载荷的大小；通过改变落锤9的下落高度，可以改变冲击头8对试件26的加载率。
所述的实验系统，根据实验所需图片的分辨率可以调整试件26表面斑点大小，从而提高实验结果的测量精度。
所述的实验系统，通过改变试件26中预制裂纹的数量，可以研究试件26中一条或多条裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件26中预制裂纹的预制角度，可以在试件26中产生不同类型的裂纹并能够研究试件26中不同类型裂纹的扩展断裂机理。
所述的实验系统，可将实验加载台10上的冲击头8和落锤9更换为伺服液压机，对试件26施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，通过改变数字图像相关法中的运算区域大小，可以对试件26全场的位移、应力和应变进行测量计算。
所述的数字散斑图像计算模块6，能通过采集到的散斑变形图片分析计算得出试件的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等各项参数。
所述的实验系统，使用超高速摄影仪采集实验数据，每秒钟能够拍摄数百万张DIC图片及光弹性条纹图片，可以完整精确地观测到岩石试件的整个断裂破坏过程。
所述的实验系统，利用反射式动态焦散线实验方法研究岩石断裂行为，和DIC仪器同步采集实验数据，得到的数据可以和DIC采集结果互相对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。
参考图1和图2，以冲击荷载作用下研究花岗岩材料一条运动裂纹起裂和扩展机理的实验为例进行说明，其具体操作方法是：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑和贴片。将试件26置于白纸上，需要喷斑的表面朝上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀的喷涂黑色散斑，散斑的分布不能呈现明显的规律性，应该随意的分布在试件需要喷斑的整个表面，喷涂的散斑的大小要一样；喷涂的散斑分布要均匀，不能有的地方散斑密，有的地方散斑稀，喷涂过程需要严格控制喷涂速率，过高或过低的喷涂速率均会造成散斑大小不均匀，进而引起数字图像相关实验的数据测量偏差。喷涂黑斑完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时。待黑斑完全干燥后，在试件另一表面贴上焦散线实验反射贴片，反射贴片的大小应该和试件表面的大小是一样的。
其次，调试焦散线光路系统。焦散线光路系统呈“V”字形，包括激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13、第二凸透镜14、第二超高速摄影仪5。其中，激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13三者中心点在同一条水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为激光光源11、扩束镜12、第一凸透镜13；第二超高速摄影仪5的镜头中心点和第二凸透镜14中心点在同一水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件26由远及近依次为第二超高速摄影仪5和第二凸透镜14。第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜14的焦点处。扩束镜12中心点位于第一凸透镜13焦点处。用信号线将第二超高速摄影仪5与焦散斑计算模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至焦散斑成像平面上，调节激光光源11直至试件区域清晰可见。用信号线分别将冲击头8、落锤9和延迟信号控制器15连接，并调节延迟信号控制器15触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器15与第二超高速摄影仪5，设定第二超高速摄影仪5为外触发模式。
再次，调试数字图像相关实验系统。保证第一超高速摄影仪4置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影仪4的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源1与第二LED闪光灯光源2对称地置于试件喷斑表面的斜前方，保证光源发出的光线与试件表面的法线呈45°角。用电源充电线连接第一LED闪光灯光源1、第二LED闪光灯光源2与电容充电器3连接，充电三十秒。用信号线将延迟信号控制器与第一超高速摄影仪4连接，用电源充电线将第一超高速摄影仪4与电容充电器3连接，用信号线将第一超高速摄影仪4与数字散斑图像计算模块6连接。将第一超高速摄影仪4的触发方式设置为外触发。
然后，设置第一超高速摄影仪4与第二超高速摄影仪5为“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6导入散斑参考图像，并在数字散斑图像计算模块6设置各项参数，选取裂纹扩展区域。散斑参考图像是实验开始前拍摄的试件表面散斑图片。数字散斑图像计算模块6将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，就能确定试件表面的散斑发生了多少偏移，获得散斑坐标值(x、y)。再在焦散斑计算模块7设置各项参数。
最后，使落锤下落击中冲击头，对试件施加荷载，在试件中产生运动裂纹，数字散斑图像计算模块6、焦散斑计算模块7同步采集记录数字图像相关实验数据和焦散线实验数据并计算出相关结果。
所述的落锤可根据实验需要改变下落高度或重量，对模型施加冲击荷载。
所述的试件可根据实验需要设置一条或多条不同角度的预制裂纹，从而在实验中产生一条或多条运动裂纹及不同类型裂纹。
上述数字散斑图像计算模块6设置各项参数包括：子区窗口(也称相关计算窗口)(subset size)：大小31～41像素长。子区间隔(subset spacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移。勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割。应变计算窗口：大小一般选择15个像素长。
上述焦散斑计算模块(7)设置各项参数包括：试件与参考平面的距离z0；试件的投射焦散应力光学常数c；试件的有效厚度d；试件中纵波波速和横波波速c1和c2。
数字散斑图像计算模块6中具体方法如下：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数。
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y。
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；
若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解。将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)......fn(x)]，n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝argminxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替x0进行后续的计算。其中Jk为雅克比矩阵。
按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算。
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu。
A5、再由求出应力强度因子。裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离。裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量。
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y。重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止。
A7、导出得到的数据。
动态焦散线实验进行时，利用第二超高速摄影机5记录并存储试件断裂过程的焦散斑系列图片，然后焦散斑系列图片通过信号线导入焦散斑计算模块7。开始测定每一张焦散斑图片中的焦散斑尺寸，再根据焦散斑尺寸自动计算各项力学参数，最后导出实验数据。
所述的焦散斑计算模块7，将第二超高速摄影机5记录的焦散斑图片导入焦散斑计算模块7，根据焦散斑形状判断焦散斑类型分别为I型、II型、复合型，I型焦散斑是圆形，II型焦散斑是椭圆形，复合型焦散斑是椭圆形带蝌蚪状的尾巴，进而自动得出裂纹类型为I型、II型、复合型，然后测定出每张图片中焦散斑的直径Dmax、Dmin以及焦散斑中心的位移ΔL。最后计算出各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、裂尖动态应力强度因子、裂纹扩展长度。
焦散斑计算模块7中具体方法为：
式中，f焦散线数值因子，它描述了特征长度参数和初始曲线半径之间的关系，其值可根据μ来确定，μ为应力强度因子比例系数，其值可根据(Dmax-Dmin)/Dmax来确定，z0为试件与参考平面的距离；c为试件的投射焦散应力光学常数；d为试件的有效厚度；Dmax为焦散斑的最大直径。c1和c2分别为试件中纵波波速和横波波速；v为裂纹扩展速度。
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离。
裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量。KI和KII都是动态应力强度因子。I型、II型、复合型都需要计算KI和KII。F(v)是裂纹扩展速度调节因子，表示惯性项对动态应力强度因子阈值的影响，当试件未起裂或者裂纹准静态扩展时，F(v)＝1；在裂纹扩展过程中，F(v)小于1。
所述的实验系统，能够根据设定自动导出裂纹扩展长度、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、动态应力强度因子随时间变化曲线，裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、动态应力强度因子随裂纹长度变化曲线等多种线性相关图表，直观、具体地反映运动裂纹从起裂到止裂全过程的各项力学参数变化情况。
所述的实验系统，不仅能够测定裂纹扩展全过程每一时刻的焦散斑尺寸，也可根据实验需要，测定裂纹扩展过程中特定时间段每一时刻的焦散斑尺寸。
应当理解的是，以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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 (10)
1.一种焦散线-数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，包括第一LED闪光灯光源(1)，第二LED闪光灯光源(2)，电容充电器(3)，第一超高速摄影仪(4)，第二超高速摄影仪(5)，数字散斑图像计算模块(6)，焦散斑计算模块(7)，冲击头(8)，落锤(9)，实验加载台(10)，激光光源(11)及焦散线光路系统延迟信号控制器(15)，试件(26)；其中，冲击头(8)、落锤(9)位于实验加载台(10)中；焦散线光路系统呈“V”字形，包括激光光源(11)、扩束镜(12)、第一凸透镜(13)、第二凸透镜(14)、第二超高速摄影仪(5)；其中，激光光源(11)、扩束镜(12)、第一凸透镜(13)三者中心点在同一条水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为激光光源(11)、扩束镜(12)、第一凸透镜(13)；第二超高速摄影仪(5)的镜头中心点和第二凸透镜(14)中心点在同一水平直线上，并且该水平直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件(26)由远及近依次为第二超高速摄影仪(5)和第二凸透镜(14)；第二超高速摄影仪(5)镜头中心点位于第二凸透镜(14)的焦点处；扩束镜(12)中心点位于第一凸透镜(13)焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪(5)与焦散斑计算模块(7)连接，调节第二超高速摄影仪(5)镜头对焦至焦散斑成像平面上，调节激光光源(11)直至试件区域清晰可见；用信号线分别将冲击头(8)、落锤(9)和延迟信号控制器(15)连接，并调节延迟信号控制器(15)触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器(15)与第二超高速摄影仪(5)，设定第二超高速摄影仪(5)为外触发模式；第一超高速摄影仪(4)置于试件喷斑表面的正前方(30)至(40)厘米处，将超高速摄影仪(4)的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源(1)与第二LED闪光灯光源(2)对称地置于试件喷斑表面的斜前方，保证光源发出的光线与试件表面的法线呈45°角；用电源充电线连接第一LED闪光灯光源(1)、第二LED闪光灯光源(2)与电容充电器(3)连接，充电三十秒；用信号线将延迟信号控制器与第一超高速摄影仪(4)连接，用电源充电线将第一超高速摄影仪(4)与电容充电器(3)连接，用信号线将第一超高速摄影仪(4)与数字散斑图像计算模块(6)连接；将第一超高速摄影仪(4)的触发方式设置为外触发；实验开始时，落锤(9)下落击中冲击头(8)，冲击头(8)对试件(26)施加荷载，使试件(26)产生运动裂纹；冲击头(8)和落锤(9)均为金属制品，落锤(9)击中冲击头(8)的瞬间，冲击头(8)、落锤(9)、信号线(21)-(23)形成闭合通路，使延迟信号控制器(15)接到断通信号，延迟信号控制器(15)接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪(4)和第二超高速摄影仪(5)，第一超高速摄影仪(4)通过信号线(18)传递信号至电容充电器(3)，电容充电器(3)控制第一LED闪光灯光源(1)和第二LED闪光灯光源(2)开始工作；同时，第一超高速摄影仪(4)和第二超高速摄影仪(5)开始工作，分别采集数字图像相关实验数据和焦散线实验数据，从而实现了焦散线法和数字图像相关法的同步测试。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，将实验加载台(10)上的冲击头(8)和落锤(9)更换为伺服液压机，对试件(26)施加准静态荷载。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，所述的数字散斑图像计算模块(6)通过采集到的散斑变形图片分析计算得出包括试件的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度的各项参数；
具体方法如下：
裂纹尖端附近位移场公式如下：
上式中：
μ为岩石材料剪切模量；
平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；
A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；
A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；
A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解；将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝argminxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替x0进行后续的计算；其中Jk为雅克比矩阵；
按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算；
A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：
即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu；
A5、再由求出应力强度因子；裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量；
A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止；
A7、导出得到的数据。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，利用反射式动态焦散线实验方法研究岩石断裂行为，和DIC仪器同步采集实验数据，得到的数据可以和DIC采集结果互相对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。
5.根据权利要求1-4任一所述的系统进行焦散线-数字图像相关法同步实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑和贴片；将试件(26)置于白纸上，需要喷斑的表面朝上，采用哑光白漆在该表面均匀喷置一层白色底层，然后将试件放于阴凉通风处静置24至36小时，待白漆底层完全干燥后，采用哑光黑漆在白色底层上随机并均匀的喷涂黑色散斑；喷涂黑斑完毕后，将试件置于阴凉通风处干燥48小时；待黑斑完全干燥后，在试件另一表面贴上焦散线实验反射贴片，反射贴片的大小应该和试件表面的大小是一样的；
其次，调试焦散线光路系统；
再次，调试数字图像相关实验系统；
然后，设置第一超高速摄影仪(4)与第二超高速摄影仪(5)为“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块(6)导入散斑参考图像，并在数字散斑图像计算模块(6)设置各项参数，选取裂纹扩展区域；数字散斑图像计算模块(6)将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，就能确定试件表面的散斑发生了多少偏移，获得散斑坐标值(x、y)；再在焦散斑计算模块(7)设置各项参数。
最后，使落锤下落击中冲击头，对试件施加荷载，在试件中产生运动裂纹，数字散斑图像计算模块(6)、焦散斑计算模块(7)同步采集记录数字图像相关实验数据和焦散线实验数据并计算出相关结果。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的焦散斑计算模块(7)，将第二超高速摄影机(5)记录的焦散斑图片导入焦散斑计算模块(7)，根据焦散斑形状判断焦散斑类型分别为I型、II型、复合型，I型焦散斑是圆形，II型焦散斑是椭圆形，复合型焦散斑是椭圆形带蝌蚪状的尾巴，进而自动得出裂纹类型为I型、II型、复合型，然后测定出每张图片中焦散斑的直径Dmax、Dmin以及焦散斑中心的位移ΔL；最后计算出各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、裂尖动态应力强度因子、裂纹扩展长度；
焦散斑计算模块(7)中具体方法为：
式中，f焦散线数值因子，它描述了特征长度参数和初始曲线半径之间的关系，其值可根据μ来确定，μ为应力强度因子比例系数，其值可根据(Dmax-Dmin)/Dmax来确定，z0为试件与参考平面的距离；c为试件的投射焦散应力光学常数；d为试件的有效厚度；Dmax为焦散斑的最大直径；βi 2＝1-(v/ci)2，i＝1,2，c1和c2分别为试件中纵波波速和横波波速；v为裂纹扩展速度；
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；
裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量；KI和KII都是动态应力强度因子；I型、II型、复合型都需要计算KI和KII；F(v)是裂纹扩展速度调节因子，表示惯性项对动态应力强度因子阈值的影响，当试件未起裂或者裂纹准静态扩展时，F(v)＝1；在裂纹扩展过程中，F(v)小于1。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的落锤可根据实验需要改变下落高度或重量，对模型施加冲击荷载。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的试件可根据实验需要设置一条或多条不同角度的预制裂纹，从而在实验中产生一条或多条运动裂纹及不同类型裂纹。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数字散斑图像计算模块(6)设置各项参数包括：子区窗口subset size：31～41像素长；子区间隔(subset spacing)：选取0，可得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割；应变计算窗口：大小一般选择15个像素长。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述焦散斑计算模块(7)设置各项参数包括：试件与参考平面的距离z0；试件的投射焦散应力光学常数c；试件的有效厚度d；试件中纵波波速和横波波速c1和c2。
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