CN108827799A - 一种动态加载的光弹-数字图像相关法同步实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于动态加载的光弹‑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，第二LED闪光灯光源，电容充电器，第一超高速摄影仪，第二超高速摄影仪，数字散斑图像计算模块，光弹条纹测定模块，试件，落锤，冲击头，实验加载台，光弹性光路，延迟信号控制器，电源充电线，信号线；该系统综合了两种实验方法的优点，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；该系统既能够对试件施加动态载荷，也能对试件施加准静态载荷，应用范围灵活广泛。

Description

一种动态加载的光弹-数字图像相关法同步实验系统及方法
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裂纹扩展机理的实验和方法。
背景技术
岩石是自然界常见的材料之一，也是人类建造工程较常用的材料，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热点。研究动荷载作用下岩体内运动裂纹尖端的应力应变水平，分析、总结裂纹尖端能量积累、释放过程及裂纹扩展过程中裂纹尖端应力应变的变化规律，能够为改进施工方案、提高施工效率提供指导。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准脆性材料的动态断裂机理进行实验研究显得十分必要。
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中的力学机理进行了研究，并取得了一定的研究成果，但是利用动态光弹性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。
目前市面上的数字图像相关(DIC)实验系统，只能应用于宏观的、低速的实验情况下测定试件的应变，测试对象一般为汽车外壳、笔记本外壳、钢筋、钢板等等在外力作用下应变非常明显的实验材料，并且材料发生变形的整个过程十分缓慢。而岩石是典型的脆性材料，在冲击荷载作用下，发生的应变非常微小，几乎难以观测。同时，岩石的断裂过程非常迅速，只有几微秒，到目前为止，从来没有数字图像相关(DIC)实验系统能够观测岩石材料在冲击荷载作用下的断裂行为。目前的光弹性实验系统，几乎都是透射式光弹性实验系统以及静态光弹性实验系统，尚未有学者利用超高速的、动态的、反射式光弹性实验系统对岩石类材料的动态断裂行为和裂纹扩展机理进行研究。
发明内容
本发明提供了一种可同步利用反射式动态光弹性方法和数字图像相关法研究岩石材料中运动裂纹起裂和扩展机理的实验系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
用于动态加载的光弹-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，光弹条纹测定模块7，试件8，落锤9，冲击头10，实验加载台11，光弹性光路，延迟信号控制器20，电源充电线，信号线；其中，落锤9和冲击头10位于实验加载台11中；实验开始时，落锤9下落击中冲击头10，冲击头10对试件8施加荷载，使试件8产生运动裂纹；由于落锤9和冲击头10均为金属制品，落锤9击中冲击头10的瞬间，落锤9、冲击头10、信号线25-27形成闭合通路，使延迟信号控制器20接到断通信号，延迟信号控制器20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动态光弹性实验数据，从而实现了动态光弹性法和数字图像相关法的同步测试。
所述的同步实验系统，光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源12，扩束镜13，第一凸透镜14，第一偏振片15，第一四分之一波片16，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19；其中，激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16五者中心点在同一条直线上，并且该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12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16；第二超高速摄影仪5镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪5、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17；第一偏振片15与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片15、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜13位于第一凸透镜14的焦点处，第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源12直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤9、冲击头10和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器20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。
所述的同步实验系统，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，将第一超高速摄影仪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20与第一超高速摄影仪4连接，用信号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。
所述的同步实验系统，设置第一超高速摄影仪4与第二超高速摄影仪5至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，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，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)。
所述的同步实验系统，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；
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；
具体步骤如下：
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。
所述的同步实验系统，通过延迟信号控制器20可以第一调节超高速摄影仪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。
所述的同步实验系统，通过改变试件8中预制裂纹的数量，研究试件8中一条或多条裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件8中预制裂纹的预制角度，在试件8中产生不同类型的裂纹并能够研究试件8中不同类型裂纹的扩展断裂机理。
所述的同步实验系统，所述的实验系统，可将实验加载台11上的落锤9和冲击头10更换为伺服液压机，对试件8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。
所述的同步实验系统，所述的实验系统，将超高速摄影仪B记录的光弹条纹系列图片导入光弹条纹测定模块，能够判断光弹条纹类型(I型、II型、混合型)，从而自动得出裂纹类型(I型、II型、混合型)，然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；
裂纹尖端荷载的基本形式共有三种，即拉伸荷载(I型)、面内剪切荷载(II型)、离面剪切荷载(混合型)，相应的裂纹分别为I型裂纹、II型裂纹、混合型裂纹；
裂纹尖端承受混合型荷载时，可表示为：
x方向正应力：
y方向正应力：
切应力：
又由于
将式(1)(2)(3)代入式(4)中，可得裂纹尖端附近等差条纹图的关系式：
其中混合模式指数m＝KII/KI；
混合型等差条纹图最为突出的一个特征是裂纹尖端条纹具有不对称性；对于II型裂纹，混合模式指数m-1→0，裂尖条纹图仍为对称图形；当混合模式指数m从0增加到0.1时，裂纹尖端的等差条纹图形即逐步转变为非对称图形；
确定裂尖动态应力强度因子K值的工程方法如下：在A1和A2点上，根据距离rmj和倾角θmj即可确定裂纹尖端的应力强度因子KI和KII以及应力场参数σox；对于A1、A2中的任何一个点而言，满足：
由式(6)可以得到一个关于σox的关系式作为混合模式指数m的一个函数；对于点A1、A2而言，即j＝1和j＝2时，σox是相同的，因此可以得到一个关于混合模式指数m的三元方程，该三元方程的解为：
KII＝mKI,m＝Hm(rm1,rm2；θm1,θm2) (7)
其中，Hm为四个几何参数的函数；函数Hm与θm的关系可用图5表示；因此，KI可以表示为：
式中：N为条纹级数，h为试件厚度，fσ为试件材料的动态条纹值；
具体步骤如下：
A1、读取设置的各项计算参数：试件厚度h，试件材料的动态条纹值fσ；
A2、识别、处理一张光弹性条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型；
A3、测定计算所需的各个参数：条纹级数N、距离rm、倾角θ以及H(θm)；
A4、根据上述公式计算应力强度因子K；
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，裂纹尖端的移动距离；
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；
A5、识别、处理下一张光弹条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型；重复步骤A3到A4，直到处理完所有光弹条纹图片为止；
A6、导出得到的数据。
根据任一所述实验系统的实验方法，具体操作方法是：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑；将试件置于白纸之上，所需喷斑的表面向上，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光弹性实验反射贴片；
其次，调试动态光弹性光路系统；光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源12，扩束镜13，第一凸透镜14，第一偏振片15，第一四分之一波片16，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19；其中，激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16五者中心点在同一条直线上，并且该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12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16；第二超高速摄影仪5镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪5、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17；第一偏振片15与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片15、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜13位于第一凸透镜14的焦点处，第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源12直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤9、冲击头10和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器20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，调试数字散斑图像相关实验系统；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，将第一超高速摄影仪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20与第一超高速摄影仪4连接，用信号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至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，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)；
最后，使落锤9下落，撞击冲击头10，对试件8施加荷载，在试件8中产生运动裂纹，同时产生“断通”触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据和数字图像相关实验数据。
本发明所述的用于动态加载的光弹-数字图像相关实验系统及方法的优点在于：(1)能够实现动态光弹性方法和数字图像相关法的同步测试；(2)通过改变落锤的重量和下落高度，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)根据实验需要，通过适当调整试件表面斑点大小，从而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方法的运算区域大小，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为光弹条纹测定模块算法流程；
图3为数字散斑图像计算模块算法流程；
图4为裂纹尖端等差条纹图形示意图；
图5为H(θm,c)与倾角θm关系图；
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、光弹条纹测定模块，8、试件，9、落锤，10、冲击头，11、实验加载台，12、激光光源，13、扩束镜，14、第一凸透镜，15、第一偏振片，16、第一四分之一波片，17、第二四分之一波片，18、第二偏振片，19、第二凸透镜，20延迟信号控制器，21-22电源充电线，23-30信号线。
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，用于动态加载的光弹-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，光弹条纹测定模块7，试件8，落锤9，冲击头10，实验加载台11，光弹性光路，延迟信号控制器20，电源充电线，信号线；其中，落锤9和冲击头10位于实验加载台11中。
光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源12，扩束镜13，第一凸透镜14，第一偏振片15，第一四分之一波片16，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19。其中，激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16五者中心点在同一条直线上，并且该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12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16；第二超高速摄影仪5镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪5、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17。第一偏振片15与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片15、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角。扩束镜13位于第一凸透镜14的焦点处，第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处。用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源12直至试件区域清晰可见。用信号线将落锤9、冲击头10和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器20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。
所述的实验系统，实验开始时，落锤9下落击中冲击头10，冲击头10对试件8施加荷载，使试件8产生运动裂纹。由于落锤9和冲击头10均为金属制品，落锤9击中冲击头10的瞬间，落锤9、冲击头10、信号线25-27形成闭合通路，使延迟信号控制器20接到断通信号，延迟信号控制器20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动态光弹性实验数据，从而实现了动态光弹性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20可以调节超高速摄影仪A4、超高速摄影仪B5、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10对试件8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10对试件8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适当调整试件8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8中预制裂纹的数量，可以研究试件8中一条或多条裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件8中预制裂纹的预制角度，可以在试件8中产生不同类型的裂纹并能够研究试件8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11上的落锤9和冲击头10更换为伺服液压机，对试件8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8全场的位移、应力和应变进行观测。
所述的实验系统，通过数字散斑图像计算模块6自动计算得出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，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，利用反射式动态光弹性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。
所述的实验系统，将超高速摄影仪B记录的光弹条纹系列图片导入光弹条纹测定模块，能够判断光弹条纹类型(I型、II型、混合型)，从而自动得出裂纹类型(I型、II型、混合型)，然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。
参考图2，具体计算方法如下：
裂纹尖端荷载的基本形式共有三种，即拉伸荷载(I型)、面内剪切荷载(II型)、离面剪切荷载(混合型)，相应的裂纹分别为I型裂纹、II型裂纹、混合型裂纹。
裂纹尖端承受混合型荷载时，可表示为：
x方向正应力：
y方向正应力：
切应力：
又由于
将式(1)(2)(3)代入式(4)中，可得裂纹尖端附近等差条纹图的关系式：
其中混合模式指数m＝KII/KI。
混合型等差条纹图最为突出的一个特征是裂纹尖端条纹具有不对称性。对于II型裂纹，混合模式指数m-1→0，裂尖条纹图仍为对称图形。当混合模式指数m从0增加到0.1时，裂纹尖端的等差条纹图形即逐步转变为非对称图形。
确定裂尖动态应力强度因子K值的工程方法如下：如图4所示，在图中A1和A2点上，根据距离rmj和倾角θmj即可确定裂纹尖端的应力强度因子KI和KII以及应力场参数σox。对于A1、A2中的任何一个点而言，满足：
由式(6)可以得到一个关于σox的关系式作为混合模式指数m的一个函数。对于点A1、A2而言，即j＝1和j＝2时，σox是相同的，因此可以得到一个关于混合模式指数m的三元方程，该三元方程的解为：
KII＝mKI,m＝Hm(rm1,rm2；θm1,θm2) (7)
其中，Hm为四个几何参数的函数。函数Hm与θm的关系可用图5表示。因此，KI可以表示为：
式中：N为条纹级数，h为试件厚度，fσ为试件材料的动态条纹值。
具体步骤如下：
A1、读取设置的各项计算参数：试件厚度h，试件材料的动态条纹值fσ。
A2、识别、处理一张光弹性条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型。
A3、测定计算所需的各个参数：条纹级数N、距离rm、倾角θ以及H(θm)。
A4、根据上述公式计算应力强度因子K。
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，裂纹尖端的移动距离。
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。
A5、识别、处理下一张光弹条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型。重复步骤A3到A4，直到处理完所有光弹条纹图片为止。
A6、导出得到的数据。
所述的实验系统，能够根据设定自动导出裂纹扩展速度、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光弹条纹，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光弹条纹。
本发明的用于动态加载的光弹-数字图像相关实验系统，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。将试件置于白纸之上，所需喷斑的表面向上，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光弹性实验反射贴片。
其次，调试动态光弹性光路系统。光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源12，扩束镜13，第一凸透镜14，第一偏振片15，第一四分之一波片16，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19。其中，激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16五者中心点在同一条直线上，并且该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12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16；第二超高速摄影仪5镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪5、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17。第一偏振片15与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片15、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角。扩束镜13位于第一凸透镜14的焦点处，第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处。用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源12直至试件区域清晰可见。用信号线将落锤9、冲击头10和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器20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，调试数字散斑图像相关实验系统。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，将第一超高速摄影仪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20与第一超高速摄影仪4连接，用信号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至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，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)。
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。
参考图3，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；
具体步骤如下：
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。
最后，使落锤9下落，撞击冲击头10，对试件8施加荷载，在试件8中产生运动裂纹，同时产生“断通”触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据和数字图像相关实验数据。
所述的落锤9可根据实验改变下落高度或重量，对模型进行冲击加载。
所述的试件8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。
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。
如图1所示，具体步骤包括：
首先，根据实验要求对试件8进行人工喷斑。将试件8置于白纸之上，所需喷斑的表面向上，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8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8置于阴凉通风处干燥48小时。待黑斑完全干燥后，在试件8另一表面贴上光弹性实验反射贴片。
其次，调试动态光弹性光路系统。
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至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域。
最后，使落锤9下落，撞击冲击头10，对试件8施加荷载，在试件8中产生运动裂纹，同时产生“断通”触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据和数字图像相关实验数据。
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.用于动态加载的光弹-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，第二LED闪光灯光源，电容充电器，第一超高速摄影仪，第二超高速摄影仪，数字散斑图像计算模块，光弹条纹测定模块，试件，落锤，冲击头，实验加载台，光弹性光路，延迟信号控制器，电源充电线，信号线；实验开始时，落锤下落击中冲击头，冲击头对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹；落锤和冲击头均为金属制品，落锤击中冲击头的瞬间，落锤、冲击头、信号线形成闭合通路，使延迟信号控制器接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪，第一超高速摄影仪通过信号线传递信号至电容充电器，电容充电器控制第一LED闪光灯光源和第二LED闪光灯光源开始工作；同时，第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪开始工作，分别采集数字图像相关实验数据和动态光弹性实验数据，从而实现了动态光弹性法和数字图像相关法的同步测试。
2.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源，扩束镜，第一凸透镜，第一偏振片，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第二偏振片，第二凸透镜；其中，激光光源、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片五者中心点在同一条直线上，并且该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、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片；第二超高速摄影仪镜头中心点与第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪、第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片；第一偏振片与第二偏振片的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴均与第一偏振片、第二偏振片的偏振轴呈45°夹角；扩束镜位于第一凸透镜的焦点处，第二超高速摄影仪镜头中心点位于第二凸透镜的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块连接，调节第二超高速摄影仪镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器与第二超高速摄影仪，设定第二超高速摄影仪为外触发模式。
3.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，第一超高速摄影仪置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将第一超高速摄影仪的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源与第二LED闪光灯光源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、第二LED闪光灯光源与电容充电器连接，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连接，用信号线将第一超高速摄影仪与电容充电器连接，用信号线将第一超高速摄影仪与数字散斑图像计算模块连接；将第一超高速摄影仪的触发方式设置为外触发。
4.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，设置第一超高速摄影仪与第二超高速摄影仪至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，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将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，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)。
5.根据权利要求4所述的同步实验系统，其特征在于，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；
数字散斑图像计算模块中具体方法如下：
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；
具体步骤如下：
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*＝arg minxF(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。
6.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，通过延迟信号控制器20调节第一超高速摄影仪、第二超高速摄影仪、电容充电器开始工作的时间，从而满足不同岩石材料起裂时刻不同的实验要求。
7.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，通过改变试件中预制裂纹的数量，研究试件中一条或多条裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件中预制裂纹的预制角度，在试件中产生不同类型的裂纹并能够研究试件中不同类型裂纹的扩展断裂机理。
8.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，所述的实验系统，可将实验加载台上的落锤和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。
9.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，所述的实验系统，将超高速摄影仪B记录的光弹条纹系列图片导入光弹条纹测定模块，能够判断光弹条纹类型(I型、II型、混合型)，从而自动得出裂纹类型(I型、II型、混合型)，然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；
裂纹尖端荷载的基本形式共有三种，即拉伸荷载(I型)、面内剪切荷载(II型)、离面剪切荷载(混合型)，相应的裂纹分别为I型裂纹、II型裂纹、混合型裂纹；
裂纹尖端承受混合型荷载时，可表示为：
x方向正应力：
y方向正应力：
切应力：
又由于
将式(1)(2)(3)代入式(4)中，可得裂纹尖端附近等差条纹图的关系式：
其中混合模式指数m＝KII/KI；
混合型等差条纹图最为突出的一个特征是裂纹尖端条纹具有不对称性；对于II型裂纹，混合模式指数m-1→0，裂尖条纹图仍为对称图形；当混合模式指数m从0增加到0.1时，裂纹尖端的等差条纹图形即逐步转变为非对称图形；
确定裂尖动态应力强度因子K值的工程方法如下：在A1和A2点上，根据距离rmj和倾角θmj即可确定裂纹尖端的应力强度因子KI和KII以及应力场参数σox；对于A1、A2中的任何一个点而言，满足：
由式(6)可以得到一个关于σox的关系式作为混合模式指数m的一个函数；对于点A1、A2而言，即j＝1和j＝2时，σox是相同的，因此可以得到一个关于混合模式指数m的三元方程，该三元方程的解为：
KII＝mKI,m＝Hm(rm1,rm2；θm1,θm2) (7)
其中，Hm为四个几何参数的函数；函数Hm与θm的关系可用图5表示；因此，KI可以表示为：
式中：N为条纹级数，h为试件厚度，fσ为试件材料的动态条纹值；
具体步骤如下：
A1、读取设置的各项计算参数：试件厚度h，试件材料的动态条纹值fσ；
A2、识别、处理一张光弹性条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型；
A3、测定计算所需的各个参数：条纹级数N、距离rm、倾角θ以及H(θm)；
A4、根据上述公式计算应力强度因子K；
裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，裂纹尖端的移动距离；
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；
A5、识别、处理下一张光弹条纹图片，过滤条纹图片中的杂波，使光弹条纹更加清晰，根据光弹条纹形状确定确定条纹类型，从而判断裂纹类型；重复步骤A3到A4，直到处理完所有光弹条纹图片为止；
A6、导出得到的数据。
10.根据权利要求1-9任一所述实验系统的实验方法，其特征在于，具体操作方法是：
首先，根据实验要求对试件进行人工喷斑；将试件置于白纸之上，所需喷斑的表面向上，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光弹性实验反射贴片；
其次，调试动态光弹性光路系统；光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源，扩束镜，第一凸透镜，第一偏振片，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第二偏振片，第二凸透镜；其中，激光光源、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片五者中心点在同一条直线上，并且该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、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片；第二超高速摄影仪镜头中心点与第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片的中心点在同一直线上，并且该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第二超高速摄影仪、第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片；第一偏振片与第二偏振片的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴均与第一偏振片、第二偏振片的偏振轴呈45°夹角；扩束镜位于第一凸透镜的焦点处，第二超高速摄影仪镜头中心点位于第二凸透镜的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块连接，调节第二超高速摄影仪镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器与第二超高速摄影仪，设定第二超高速摄影仪为外触发模式；
再次，调试数字散斑图像相关实验系统；第一超高速摄影仪置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将第一超高速摄影仪的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源与第二LED闪光灯光源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、第二LED闪光灯光源与电容充电器连接，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连接，用信号线将第一超高速摄影仪与电容充电器连接，用信号线将第一超高速摄影仪与数字散斑图像计算模块连接；将第一超高速摄影仪的触发方式设置为外触发；
然后，设置第一超高速摄影仪与第二超高速摄影仪至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，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)；
最后，使落锤下落，撞击冲击头，对试件施加荷载，在试件中产生运动裂纹，同时产生“断通”触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据和数字图像相关实验数据。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109975138A (zh) * 2019-04-16 2019-07-05 中国矿业大学(北京) 一种动态加载的光弹-shpb同步实验系统及方法
CN110186783A (zh) * 2019-05-01 2019-08-30 郑州大学 落锤压剪冲击试验装置
CN110954253A (zh) * 2019-10-25 2020-04-03 华南理工大学 一种应力测量方法及应力测量光路装置
CN117740203A (zh) * 2023-11-27 2024-03-22 中国矿业大学(北京) 基于内嵌光栅光弹模型的动态多物理场测量实验系统
CN117739844A (zh) * 2023-11-27 2024-03-22 中国矿业大学(北京) 动态扰动下应力应变场同步测量方法和系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090310121A1 (en) * 2008-06-16 2009-12-17 Duhane Lam Photoelastic coating for structural monitoring
CN201662507U (zh) * 2009-09-21 2010-12-01 同济大学 一种新型数字式动态光弹性仪试验系统
CN202453129U (zh) * 2011-12-30 2012-09-26 中国矿业大学(北京) 数字激光爆炸加载动光弹实验系统
CN104657955A (zh) * 2015-03-06 2015-05-27 南京大树智能科技股份有限公司 基于核函数的数字图像相关方法的位移场迭代平滑方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090310121A1 (en) * 2008-06-16 2009-12-17 Duhane Lam Photoelastic coating for structural monitoring
CN201662507U (zh) * 2009-09-21 2010-12-01 同济大学 一种新型数字式动态光弹性仪试验系统
CN202453129U (zh) * 2011-12-30 2012-09-26 中国矿业大学(北京) 数字激光爆炸加载动光弹实验系统
CN104657955A (zh) * 2015-03-06 2015-05-27 南京大树智能科技股份有限公司 基于核函数的数字图像相关方法的位移场迭代平滑方法

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PENG QIU 等: "An in situ simultaneous measurement system combining photoelasticity and caustics methods for blast-induced dynamic fracture", 《REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS》 *
代树红 等: "数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力", 《岩土工程学报》 *
华国柱 等: "《当代农机实用新技术》", 31 October 1987, 农业出版社 *
岳中文 等: "冲击荷载下深梁动态断裂行为的光弹性实验", 《振动与冲击》 *
李斌 等: "光弹性－数字散斑相关混合法", 《实验力学》 *
李斌 等: "光弹性－数字散斑相关混合法在光弹条纹主应力分解中的应用", 《实验力学》 *
杨立云 等: "数字激光高速摄影系统及其在爆炸光测力学实验中的应用", 《科技导报》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109975138A (zh) * 2019-04-16 2019-07-05 中国矿业大学(北京) 一种动态加载的光弹-shpb同步实验系统及方法
CN110186783A (zh) * 2019-05-01 2019-08-30 郑州大学 落锤压剪冲击试验装置
CN110954253A (zh) * 2019-10-25 2020-04-03 华南理工大学 一种应力测量方法及应力测量光路装置
CN117740203A (zh) * 2023-11-27 2024-03-22 中国矿业大学(北京) 基于内嵌光栅光弹模型的动态多物理场测量实验系统
CN117739844A (zh) * 2023-11-27 2024-03-22 中国矿业大学(北京) 动态扰动下应力应变场同步测量方法和系统

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