CN109164038A - 动态载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统 - Google Patents

Abstract

一种粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，包括：测试模型垂直加载系统，用于对测试模型施加垂向加载及控制冲击滑移导向，测试模型内嵌有粗糙裂隙面；光学实验系统，用于捕捉测试模型在粗糙裂隙面剪切滑移过程中的光弹条纹图像；水平轻气炮冲击系统，用于通过向测试模型发射预设冲击速度值的弹丸的方式对测试模型施加动态应力波作用；数字信号控制系统，用于控制的光学实验系统、水平轻气炮冲击系统及测试模型垂直加载系统的协同工作，还用于控制弹丸冲击被测试模型时的脉冲激光发射及高速相机拍摄的同步。实现了对裂隙面剪切滑移动态应力场的透明显示，能够透明显示并定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播以及剪切滑移动态应力场演化规律。

Description

动态载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统

技术领域

本发明涉及动态应力场测量技术领域，特别涉及一种动态载荷作用下作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统。

背景技术

煤矿采掘一般在地下进行，煤矿地下采掘活动必然导致巷硐围岩裂隙发育，在覆岩断裂、开采扰动、工程爆破、矿井灾害等因素产生的动态应力波作用下，裂隙围岩力学特性会发生显著改变，影响着巷硐围岩及巷硐支护结构的稳定性。同时，由于自然裂隙面具有一定粗糙度，通过研究应力波作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场演化规律，可定量表征应力波作用下粗糙裂隙面滑移破裂规律及应力波传播与衰减规律，从而为确定相邻巷硐安全距离设计及施工提供参考，具有重要工程意义。

传统实验研究主要集中于对应力波作用下断层、节理、裂隙面动态滑移应力场演化规律及应力波传播过程的定性描述，至今尚未有一种实验方法去透明显示并定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播以及剪切滑移动态应力场演化规律。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，以实现透明显示并定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播以及剪切滑移动态应力场演化规律。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，包括：

测试模型垂直加载系统，用于对测试模型施加垂向加载及控制冲击滑移导向，所述测试模型内嵌有粗糙裂隙面；

光学实验系统，用于捕捉测试模型在所述粗糙裂隙面剪切滑移过程中的光弹条纹图像；

水平轻气炮冲击系统，用于通过向测试模型发射预设冲击速度值的弹丸的方式对测试模型施加动态应力波作用；

数字信号控制系统，用于控制所述的光学实验系统、水平轻气炮冲击系统及测试模型垂直加载系统的协同工作，还用于控制弹丸冲击被测试模型时的脉冲激光发射及光学实验系统中的高速相机拍摄的同步。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，所述测试模型的粗糙裂隙面的剖面曲线为拼接巴顿曲线。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，所述拼接巴顿曲线的生成过程为：

所需使用的曲线中选用一段巴顿曲线AD，所需使用的曲线指的是预设置的粗糙裂隙对应的曲线，从选用的巴顿曲线右端点D引出一条水平实线至左端点A的垂直位置，测量得到曲线AD的水平距离L1，所述水平实线与所述巴顿曲线AD相交于B，如果BD长度大于X-L1，则沿着B点向右框选水平长度为X-L1的区域BC，获取区域BC内所包含的曲线BC；如果BD长度小于X-L1，则沿着B点向左框选水平长度为X-L1的区域CB，获取区域CB内所包含的曲线CB，将曲线CB沿着垂直方向镜像，得到曲线BC，将所述曲线BC拼接到所述巴顿曲线AD的右端点D上，得到拼接巴顿曲线AE，其中，所述X为所述粗糙裂隙水平长度。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，粗糙裂隙面为借助CT扫描与三维重构技术，对裂隙煤岩体结构进行扫描，将扫描切片进行三维重构，获取的真实裂隙面，将所述真实裂隙面作为测试模型的粗糙裂隙面。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，所述测试模型内还设置有用于对粗糙曲面进行检测的多个参考测点，以使得高速相机通过检测所述参考测点位置的变化，捕捉相同水平位置处测试模型的剪切滑移错动情况，每个粗糙裂隙面匹配有对应的参考测点，并且，不同粗糙裂隙面所对应的参考测点配置不同的标识。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，高压气室，与所述高压气室相连的炮管，以可拆卸方式设置在所述炮管的自由端的弹丸，所述弹丸用于冲击测试模型。

7、根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，测试模型垂直加载系统，包括：

用于固定所述测试模型的L形垫块，所述L形垫块的内侧面向所述测试模型，且所述L形垫块的横向垫块位于所述测试模型的顶部；

设置于所述横向垫块外侧表面的滚珠轴承；

面向所述滚珠轴承的加载垫板；

与所述加载垫板背向滚珠轴承的面相连的加载电机压头；

设置于所述测试模型底部的模型夹具；

与所述模型夹具相连的用于控制所述模型夹具伸缩的轴向加载电机；

加载机框架，用于固定加载电机压头和轴向加载电机，并为所述模型夹具提供支撑。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，所述L形垫块301的横向垫块面向所述测试模型的一面设置有凹槽结构，用于锁死所述L形垫块301与所述测试模型接触部分。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，光学实验系统，包括：

脉冲激光光源；

依次设置在所述脉冲激光光源的发射路径上的扩束镜、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、分析镜和高速相机组合。

优选的，上述粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统中，光学实验系统中，还包括：

可调节式分光镜，用于将测试模型出射光路扩展成多个不同方向的光束，分别垂直穿过所述第二1/4波片和分析镜A镜组中对应的各个可旋转波片；

第二1/4波片QA镜组和分析镜A镜组均由多个直径200mm的同种规格光学波片组成

所述第二1/4波片为可旋转调节的多个波片组成的1/4波片镜组，所述分析镜包括多个同种规格的可旋波片

基于上述技术方案，在本申请上述实施例公开的技术方案中，能够充分利用所述测试系统的光学实验系统、水平轻气炮冲击系统、测试模型垂直加载系统，以及通过数字信号控制系统控制这些系统协同作用，利用内嵌穿透粗糙裂隙面的3D打印的测试模型，对测试模型进行垂向预加载、高速弹丸冲击及高速相机拍摄并通过光学实验系统捕捉测试模型在所述粗糙裂隙面剪切滑移过程中的光弹条纹图像，实现了对裂隙面剪切滑移动态应力场的透明显示，能够透明显示并定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播以及剪切滑移动态应力场演化规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的不含分光器的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的含分光器的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的测试模型加载装置的示意图；

图5是本发明实施例提供的粗糙裂隙面生成方案图；

图6是本发明实施例提供的改进的巴顿曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的动态光弹“六步相移法”镜组布置示意图；

图8是本发明实施例提供的动态光弹“四步相移法”镜组布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

申请人经过研究发现，利用动光弹实验能很好地分析应力波作用下的内嵌结构面地质体动态滑移特征，申请人将动光弹实验结合近些年发展起来的三维重构及3D打印技术，并借助于相移数字光弹性法，提出了一种冲击载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场的透明测试系统与分析方法，该方法通过对粗糙裂隙面动态应力场演化过程的定量化和透明化，实现对巷硐围岩粗糙裂隙面动态滑移机理的研究，并能准确呈现整个滑移过程应力波的传播及衰减规律，为相邻矿井巷硐合理间距的设计及裂隙围岩在动态应力波扰动下的剪切滑移、破裂现象提供合理的解释、预测及防治的理论参考。

基于上述情况，发明一种能够更加精确、形象、简便、安全的冲击载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场的透明测试系统与分析方法具有重要的理论意义和实际应用价值。为此，本发明提供一种冲击载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场的透明测试系统与分析方法，通过高速弹丸冲击透明光敏树脂测试模型模拟外部动态应力波扰动，内嵌穿透粗糙裂隙面模拟自然巷硐围岩裂隙面，伺服电机加载的垂向预应力模拟自然垂向地应力条件，借助高速相机和光学实验系统获取动态光弹条纹图，通过光弹“四步相移法”和“六步相移法”分别获取模型各个时刻等倾角相图和等色线包裹相图，使用图像处理技术，修复单色光源入射下等倾角相图出现的明显不连续锯齿形状，然后经过解包裹处理得到第一(或第二)主应力方向角及等色线去包裹相图。最后进行应力分离，获得冲击载荷作用下粗糙裂隙面动态剪切滑移过程全场应力分布；同时，基于平面应力条件下弹性应力波动态参数与主应力差的基本关系，通过动态等色条纹图透明显示动态应力波波阵面传播轨迹，通过动态应力场的分布定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播过程。

基于上述原理，本申请提供了一种粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，参见图1，该系统可以包括：

测试模型垂直加载系统300、光学实验系统100、水平轻气炮冲击系统200和数字信号控制系统400；

所述测试模型垂直加载系统300，用于对测试模型施加垂向加载及控制冲击滑移导向，其中，所述测试模型内嵌有粗糙裂隙面，内嵌的所述粗糙裂隙面的数量可以为多个，且每个粗糙裂隙面上设置有一条粗糙裂隙；

光学实验系统100，设置在所述测试模型垂直加载系统300相对的两侧，在这里，将这两侧指的是正对所述粗糙裂隙面的两侧，用于通过高速相机捕捉测试模型粗糙裂隙面在剪切滑移过程中的光弹条纹图像；

水平轻气炮冲击系统200，设置在所述测试模型垂直加载系统300装置的一侧，在这里，将这一侧指的是正对所述粗糙裂隙面的一侧，且这一侧不同于光绪系统100处所提到的两侧，用于发射预设冲击速度值的弹丸，对测试模型施加动态应力波作用；

数字信号控制系统400，用于控制所述的光学实验系统100、水平轻气炮冲击系统200及测试模型垂直加载系统300的协同工作，还用于控制弹丸冲击被测试模型时的脉冲激光发射及光学实验系统100中的高速相机拍摄的同步。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，能够充分利用所述测试系统的光学实验系统100、水平轻气炮冲击系统200、测试模型垂直加载系统300，以及通过数字信号控制系统400控制这些系统协同作用，利用内嵌穿透粗糙裂隙面的3D打印的测试模型，对测试模型进行垂向预加载、高速弹丸冲击及高速相机拍摄并通过光学实验系统捕捉测试模型在所述粗糙裂隙面剪切滑移过程中的光弹条纹图像，实现了对裂隙面剪切滑移动态应力场的透明显示，能够透明显示并定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播以及剪切滑移动态应力场演化规律。

为了保证测试过程的准确性及合理性，本申请上述实施例公开的技术方案中，所述测试模型垂直加载系统300中测试模型可以采用美国STRATASYS公司研发的高精度分层多材料立体成型3D打印机打印，所述测试模型基质优选Vero Clear透明光敏树脂材料，所述Vero Clear透明光敏树脂材料的静态应力条纹值f0等于33.8N/mm，弹性模量E等于3.1GPa，泊松比μ等于0.30。并且所述测试模型内嵌的穿透粗糙裂隙的可以由低强度支撑材料SUP706填充。然后在对打印完成的测试模型经过打磨、抛光处理，使其呈现加高的透明度和较好的应力敏感性，以方便光学实验系统100观察。

在本申请上述实施例公开的技术方案中，所述测试模型中粗糙裂隙面的剖面曲线可以选用巴顿曲线，考虑到当水平轻气炮冲击系统对测试模型的左侧施加的冲击载荷时，冲击载荷作用激发的动态应力波传播早于测试模型右边界到达模型上下边界，产生的反射波干扰原有应力波的传播，以及边界应力波的不稳定性效应，本申请可以通过设计多个测试模型尺寸梯度进行测试，选择一个测试效果最优的尺寸的模型作为所述测试模型垂直加载系统300中的测试模型，申请人经测试得到，测试模型尺寸优选为140×140×10mm，其为长方体结构。因测试模型内嵌穿透的粗糙裂隙水平长度为140mm，高于标准巴顿曲线水平长度，故采取巴顿曲线拼接的方案，通过多条巴顿曲线拼接生成水平长度140mm的拼接巴顿曲线。图5所示的巴顿曲线拼接方案仅为选用的一种示例，其他巴顿曲线的拼接方案与此类似。所需使用的曲线中选用一段巴顿曲线AD，所需使用的曲线指的是预设置的粗糙裂隙对应的曲线，从选用的巴顿曲线右端点D引出一条水平实线至左端点A的垂直位置，测量得到曲线AD的水平距离L1，所述水平实线与所述巴顿曲线AD相交于B，如果BD长度大于X-L1，则沿着B点向右框选水平长度为X-L1的区域BC，获取区域BC内所包含的曲线BC；如果BD长度小于X-L1，则沿着B点向左框选水平长度为X-L1的区域CB，获取区域CB内所包含的曲线CB，将曲线CB沿着垂直方向镜像，得到曲线BC，将所述曲线BC拼接到所述巴顿曲线AD的右端点D上，即将曲线BC的B点与曲线AD的D点重合，C点位于D点的右侧，以曲线BC的C点作为E点，得到拼接巴顿曲线AE，其中，所述X为所述粗糙裂隙水平长度。图6表示水平长度140mm的十条拼接巴顿曲线，曲线的粗糙度量化标准选用曲线的分形维数Di。

具体的，在拼接得到巴顿曲线以后，在绘图软件中(例如AUTOCAD)中以拼接巴顿曲线为基准，绘制尺寸140×140.5×10mm的内嵌穿透粗糙裂隙面的三维数字模型(测试模型)。为了提高模型打印质量，三维数字模型内的相邻粗糙裂隙面之间的水平间距为0.5mm，粗糙裂隙面上的粗糙裂隙的左端点与测试模型上下端平面垂直距离均为70mm，并在粗糙裂隙面中粗糙裂隙的上下位置处设置一系列成对存在的参考测点(底面直径0.1mm，高度0.2mm的小圆柱)，上下对应的测点为一组，用于对同一个粗糙裂隙进行检测，设置颜色一致，同一水平面上的左右测点为不同组，用于对不同的粗糙裂隙进行检测，在实际使用时，可以使用不同颜色区分不同组的参考测点，生成最终的三维数字模型。将生成的三维数字模型输入3D打印机控制软件中进行打印，设置基质材料采用Vero Clear打印，参考点依次由VeroCyan、VeroYellow、VeroMagenta、VeroPureWhite、VeroBlackPlus六种不同颜色材料交替打印，为了方便打印，粗糙裂隙由支撑材料SUP706填充，打印完成后，去除所述支撑材料SUP706，使得粗糙裂隙贴合，得到测试模型。

除了采用上述巴顿曲线构建粗糙裂隙面之外，本申请还可以采用以下方法构建粗糙裂隙面，具体的：

借助CT扫描与三维重构技术，对具有代表性的裂隙煤岩体结构进行扫描，将扫描切片进行三维重构，获取真实的裂隙面形貌数字模型。将重构获得的真实裂隙面作为所述测试模型的粗糙裂隙面。

对应的，本申请还公开了一种测试模型垂直加载系统300的具体结构，参见图4，所述测试模型垂直加载系统300包括：测试模型A、L形垫块301、滚珠轴承302、加载电机压头303、加载垫板304、加载机框架306、模型夹具307和轴向加载电机308。

具体的，所述L形垫块301用于固定测试模型305A，所述L形垫块301的内侧面向所述测试模型305，且所述L形垫块301的横向垫块位于所述测试模型305A的顶部；

所述滚珠轴承302设置于所述横向垫块背向测试模型305的外侧表面；

所述加载垫板304面向所述滚珠轴承302

所述加载电机压头303与所述加载垫板304背向滚珠轴承302的面相连；

所述模型夹具307设置于所述测试模型305底部；

所述轴向加载电机308与所述模型夹具307相连，用于控制所述模型夹具307伸缩；

加载机框架306，用于固定加载电机压头和轴向加载电机，并为所述模型夹具提供支撑。

进一步的，参见图4和图3，所述测试模型305以及3D打印机309也可以作为所述测试模型垂直加载系统300的一部分。

上述方案中，所述的垂直加载系统中L形垫块301可采用钢材料加工，使其与测试模型接触表面具有较高的平整度。L形垫块301与测试模型上端接触部分设计有凹槽结构，其槽深5mm，槽宽6-12mm且可调，所述凹槽结构用于锁死L形垫块301与测试模型。L形垫块301竖板与测试模型接触，例如与测试模型左端接触，且L形垫块301与测试模型左端接触部分使用高强度、高塑性胶水粘结，避免弹丸冲击直接作用测试模型表面，引起模型局部破损而导致冲击能量无法定量控制，同时，也保证了L形垫块301与测试模型表面良好接触，解决了因界面未粘结，引起应力波大量反射，导致传递到测试模型内部能量严重衰减的问题。所述的滚珠轴承302采用高强度圆柱形滚珠加工而成，可承受50MPa轴压作用，最大水平滑移距离为80mm，固定在L形垫块301上端部弧形卡槽内，大大降低了测试模型动态滑移时上端部与加载垫板304接触位置的摩擦力，实验结果更加准确可靠。同时，滚珠轴承302的结构采用特殊设计，控制了测试模型冲击滑移导向。所述的测试下端面夹具夹持厚度范围为6-12mm，主要用于锁死模型下半部分。

参见图2，其光学实验系统，包括：

脉冲激光光源102；

依次设置在所述脉冲激光光源102的发射路径上的扩束镜103、起偏镜101、第一1/4波片104、第二1/4波片105、分析镜106和高速相机组合107。

其中，高速相机组合的镜头视场范围直径超过140mm，拍摄频率超过200,000fps；脉冲激光光源发射频率与所选用的高速相机组合的拍摄频率一致，脉冲激光光源半高宽小于300ns，小于高速相机组合曝光时间的1/50，因此拍摄的动态光弹条纹图像质量较高。其中，所述起偏镜和1/4波片及分析镜的镜片直径均为300mm。

进一步的，参见图3，图3所示的光学实验系统100中增加了特制的可调节式分光镜，可将测试模型305出射的光路按设计要求分散成，例如，将测试模型出射光路均匀扩展成六个不同方向，分别垂直穿过特制的第二1/4波片Q_A镜组和分析镜A镜组中对应的各个可旋转波片，形成六个不同的偏振光场，当然也可以将测试模型射出的光路均匀扩展成四个不同方向，射出的四个不同方向的光束经第二1/4波片Q_A镜组和分析镜A镜组后形成四个不同的偏振光场。此时，将实验第二1/4波片、分析镜更换成分别由同种规格、一一对应的可旋转调节的多个波片(所述多个波片指的是与可调节式分光镜调节出的光束的数量对应的波片，例如六个波片或六个波片等)组成的第二1/4波片镜组和分析镜镜组，镜组中每个波片直径为200mm。所有镜片规格均可用于测试较大尺寸实验模型的光弹性试验，且镜片采用玻璃材质，避免了塑料材质带来的镜片老化，引起的成像误差问题。

参见图2、图3和图4，所述水平轻气炮冲击系统200，包括高压气室201，与所述高压气室201相连的炮管202，以可拆卸方式设置在所述炮管202的自由端的弹丸203，所述弹丸203用于通过301间接冲击测试模型。

所述水平轻气炮冲击系统200，内设弹丸防护装置，系统安全可靠。其中，冲击弹丸为圆柱形钢制弹丸，密度7.9g/cm³，弹丸直径20mm，长度40mm，最高发射速度220m/s。当然，在保证弹丸直径或底边直径等于20mm时，测试弹丸可更换不同样式、不同材质，此时弹丸质量、规格不尽相同，相对应的最高发射速度也有变化，此处不在一一列举。

参见图3，所述数字信号控制系统400，包括便携式笔记本401、与高压气室201相连和笔记本401的控制数据线402，与光源102和笔记本相连的控制数据线(带同步触发功能)403。

在所述数字信号控制系统400的控制下，当弹丸冲击碰触到测试模型时，所述的高精度光学实验系统同步触发脉冲激光光源发射及高速相机拍摄，整个系统密切配合，可清晰获得动态冲击作用下测试模型光弹图像。

下面为了方便本领域技术人员了解整个测试的具体过程，本申请还对具体测试过程进行了详细表述，具体测试实验过程如下：

a、选取拼接巴顿曲线作为测试模型内嵌穿透粗糙裂隙曲线，生成内嵌穿透天然粗糙裂隙面的三维地质数字模型，导入3D打印系统，打印测试模型；

其具体过程为：

基于实验曲线粗糙度需求，选取图6中的任一粗糙裂隙曲线，生成两个间距0.5mm的粗糙裂隙面，内嵌于一长、宽、厚分别为140mm、140.5mm、10mm的立方体平板中央，粗糙曲面方向平行于平板长度方向，并在上下粗糙曲面设置一系列成对存在的参考测点(底面直径0.1mm，高度0.2mm的小圆柱)，上下对应测点为一组，设置颜色一致，左右测点为不同组，使用不同颜色进行区分，然后将生成的数字三维图像输入3D打印机控制软件中，设置基质材料采用Vero Clear打印，参考点依次由VeroCyan、VeroYellow、VeroMagenta、VeroPureWhite、VeroBlackPlus五种不同颜色材料交替打印，粗糙曲面之间由支撑材料SUP706填充，设置完毕，点击打印；

b、将测试模型准确夹持于加载机夹具中，根据模拟真实工况地应力条件，施加预设端部垂向压力P0；

其具体过程为，将打印好的测试模型表面进行打磨、抛光，裂隙面间的支撑材料利用氢氧化钠与硅酸钠的混合溶液进行溶解，然后固定在垂直加载系统中，模型上端部与L形垫块通过可调节凹槽锁死，左侧与L形垫块接触区域采用高强度、高塑形胶粘结，下端部夹持到与加载垫板相连的模型夹具中，对准加载中心。然后打开便携式笔记本中伺服电机控制软件，对模型施加预设垂向压力；

c、结合白光“四步相移法”(此时，分光镜输出四条光束、第二1/4波片和分析镜有四个波片)和单色光“六步相移法”(此时，分光镜输出六条光束、第二1/4波片和分析镜有六个波片)，旋转偏振仪镜片角度(可调节式分光镜输出的光束的角度、第二1/4波片的角度以及分析镜的波片的角度)，控制高速相机捕捉模型设定垂向预加载条件下的十幅不同光强静态条纹图像；

其具体过程为：利用图2所示的高精度光学实验系统拍摄仅受预设垂向压力作用的测试模型光弹条纹，使用白光下的“四步彩色相移法”获取等倾线相位，此时，脉冲激光光源输出白光，使用单色光下的“六步相移法”获取等色线相位，此时所述脉冲激光光源输出单色光。通过解包裹处理方法，分别得到模型第一(或第二)主应力方向角和等色线去包裹相图。进行应力分离，最终得到模型全场应力分布；

d、更换图7光学实验系统，按照“六步相移法”设定偏振仪中镜组波片角度；

具体的，将图7作为其镜组布置示意图。设置1/4波片镜组中每个波片角度γ依次等于0、0、0、π/4、π/2、3π/4，对应的分析镜镜组中每个波片角度β依次等于π/4、3π/4、0、π/4、π/2、3π/4。

e、设置弹丸冲击速度值，使用计算机控制弹丸发射，冲击测试模型左侧垫块；

具体的，打开便携式笔记本中轻气炮控制软件及气瓶阀门，设置好弹丸冲击速度值；

f、同步触发激光脉冲光源发射和高速相机拍摄，捕捉冲击载荷作用下，测试模型内部六幅不同光强动态条纹图像；

具体地，在同步触发控制软件中选择冲击触发选项，勾选脉冲激光光源及高速相机组选项，点击发射按钮，高速弹丸冲击到测试模型L形垫块上，同时触发脉冲激光光源发射脉冲激光和高速相机组进行拍摄，获得六组不同的动态光弹图像；

g、使用高精度3D打印机再次打印同样的四个测试模型，控制所有条件一致，更换图8光学实验系统，按照“四步相移法”拍摄对应的四幅不同光强动态条纹图像。

具体的，利用3D打印机的高精度特性，再次打印四个完全相同的测试模型，转换图2所示的光弹测试系统100拍摄动态光弹条纹，图8为其镜组布置示意图。分别设置旋转角度β等于0、π/8、π/4、3π/8，进行四组相同垂向预应力及弹丸冲击速度的动态冲击实验，获得四组不同角度的动态光弹图像；

测试结束后，关闭轻气炮气瓶阀门及所有系统的控制软件，导出拍摄的十组动态光弹图像；

处理导出的十组动态光弹图像，使用脉冲激光下的“四步相移法”获得模型动态各时刻等倾线相位，采用图像处理手段，修复等倾线相图出现明显不连续的锯齿形状，然后进行等倾角属性自动判别，得到模型第一(或第二)主应力方向角。使用脉冲激光下的“六步相移法”获得模型动态各时刻等色线包裹相位，通过解包裹处理方法，得到模型等色线去包裹相图。通过应力分离方法，最终得到冲击载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移全场应力分布。基于平面应力条件下弹性应力波动态参数与主应力差的基本关系，通过动态等色条纹图透明显示动态应力波波阵面传播轨迹，通过动态应力场的分布定量表征动态应力波沿粗糙裂隙面传播过程。

本发明述及的一种冲粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其光学实验系统、水平轻气炮冲击系统、测试模型垂直加载系统，以及数字信号控制系统之间密切配合，利用内嵌穿透粗糙裂隙的3D打印模型、模型垂向预加载、高速弹丸冲击及高速相机拍摄并导出多分镜同步拍摄的等倾线及等色线光弹条纹图像等方法，实现对裂隙面剪切滑移动态应力的透明显示与定量表征。系统结构紧凑完整、操作简便、控制精确、量化分析直观。本发明测试模型由多材料高精度分层立体3D打印机打印，相比现有测试模型加工方式，打印模型尺寸精度控制极高，加工方便，大大缩减了模型加工周期且可打印任意复杂的结构面结构。此外，还可以利用CT扫描，三维重构技术，实现对真实岩体粗糙裂隙面的打印，使得测试模型的裂隙结构更加吻合工程实际；本发明测试模型采用Vero Clear透明光敏树脂材料，透光度及压力敏感性均较高；本发明测试模型垂直加载系统由伺服电机闭环控制，相比现有预应力测试模型垂直加载系统，增加了减小端部摩擦力的高强度滚珠轴承结构。为控制模型冲击滑移方向及弹丸高速冲击时测试模型的局部破碎引起的冲击能量无法定量控制问题，增加了L形垫块及L形垫块、滚珠轴承、加载垫板组合形成的滑移导向结构，垫块与模型表面接触采用凹槽结构，并使用高强度、高塑性胶水粘结，减弱了垫块与测试模型接触界面不粘结导致的应力波衰减效应；本发明结合静态光弹利用相移法求解主应力方向角及主应力差方法和图像分光成像技术，提出了利用分光原理，将出射测试模型光路分成六束，分别呈现在六组不同倾角的第二1/4波片和分析镜上，解决了现有动态光弹测试方法中很难同时捕捉测试模型同一状态下六幅不同光场设置下的光弹图像难题，使得相移法成为定量表征动态应力全场分布的一种途径。本发明数字信号控制系统仅由便携式笔记本，控制数据线，控制数据线(带同步触发功能)组成，相比现有动态冲击光弹性实验控制系统，整个系统只有一个控制终端，具有控制方便、结构简化、节省实验空间、节约实验平台搭建成本等优点。本发明提出的利用弹丸冲击内嵌贯穿粗糙裂隙面的3D打印测试模型，并利用动态光弹系统捕捉十幅不同动态光弹条纹图像，结合“四步相移法”、“六步相移法”及图像处理技术，获得冲击载荷作用下粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场云图，透明显示与定量表征裂隙面剪切滑移动态应力场演化及动态应力波传播规律。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，包括：

测试模型垂直加载系统，用于对测试模型施加垂向加载及控制冲击滑移导向，所述测试模型内嵌有粗糙裂隙面；

光学实验系统，用于捕捉测试模型在所述粗糙裂隙面剪切滑移过程中的光弹条纹图像；

水平轻气炮冲击系统，用于通过向测试模型发射预设冲击速度值的弹丸的方式对测试模型施加动态应力波作用；

数字信号控制系统，用于控制所述的光学实验系统、水平轻气炮冲击系统及测试模型垂直加载系统的协同工作，还用于控制弹丸冲击被测试模型时的脉冲激光发射及光学实验系统中的高速相机拍摄的同步。

2.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，

所述测试模型的粗糙裂隙面的剖面曲线为拼接巴顿曲线。

3.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，所述拼接巴顿曲线的生成过程为：

所需使用的曲线中选用一段巴顿曲线AD，所需使用的曲线指的是预设置的粗糙裂隙对应的曲线，从选用的巴顿曲线右端点D引出一条水平实线至左端点A的垂直位置，测量得到曲线AD的水平距离L1，所述水平实线与所述巴顿曲线AD相交于B，如果BD长度大于X-L1，则沿着B点向右框选水平长度为X-L1的区域BC，获取区域BC内所包含的曲线BC；如果BD长度小于X-L1，则沿着B点向左框选水平长度为X-L1的区域CB，获取区域CB内所包含的曲线CB，将曲线CB沿着垂直方向镜像，得到曲线BC，将所述曲线BC拼接到所述巴顿曲线AD的右端点D上，得到拼接巴顿曲线AE，其中，所述X为所述粗糙裂隙水平长度。

4.根据权利要求2所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，

粗糙裂隙面为借助CT扫描与三维重构技术，对裂隙煤岩体结构进行扫描，将扫描切片进行三维重构，获取的真实裂隙面，将所述真实裂隙面作为测试模型的粗糙裂隙面。

5.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，所述测试模型内还设置有用于对粗糙曲面进行检测的多个参考测点，以使得高速相机通过检测所述参考测点位置的变化，捕捉相同水平位置处测试模型的剪切滑移错动情况，每个粗糙裂隙面匹配有对应的参考测点，并且，不同粗糙裂隙面所对应的参考测点配置不同的标识。

6.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，高压气室，与所述高压气室相连的炮管，以可拆卸方式设置在所述炮管的自由端的弹丸，所述弹丸用于冲击测试模型。

7.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，测试模型垂直加载系统，包括：

用于固定所述测试模型的L形垫块，所述L形垫块的内侧面向所述测试模型，且所述L形垫块的横向垫块位于所述测试模型的顶部；

设置于所述横向垫块外侧表面的滚珠轴承；

面向所述滚珠轴承的加载垫板；

与所述加载垫板背向滚珠轴承的面相连的加载电机压头；

设置于所述测试模型底部的模型夹具；

与所述模型夹具相连的用于控制所述模型夹具伸缩的轴向加载电机；

加载机框架，用于固定加载电机压头和轴向加载电机，并为所述模型夹具提供支撑。

8.根据权利要求7所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，所述L形垫块301的横向垫块面向所述测试模型的一面设置有凹槽结构，用于锁死所述L形垫块301与所述测试模型接触部分。

9.根据权利要求1所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，光学实验系统，包括：

脉冲激光光源；

依次设置在所述脉冲激光光源的发射路径上的扩束镜、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、分析镜和高速相机组合。

10.根据权利要求9所述的粗糙裂隙面剪切滑移动态应力场测试系统，其特征在于，光学实验系统中，还包括：

可调节式分光镜，用于将测试模型出射光路扩展成多个不同方向的光束，分别垂直穿过所述第二1/4波片和分析镜A镜组中对应的各个可旋转波片；

第二1/4波片QA镜组和分析镜A镜组均由多个直径200mm的同种规格光学波片组成

所述第二1/4波片为可旋转调节的多个波片组成的1/4波片镜组，所述分析镜包括多个同种规格的可旋波片。