CN109655358A - 一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验装置及试验方法，包括发射系统、固定支架、电子激光测速仪、高速摄像机拍摄系统和试件挡板，试件挡板与发射系统相对设置，电子激光测速仪用于检测发射试件的速度；发射系统包括氮气钢瓶、储气室、发射筒、弹托和弹托试件分离装置，储气室通过电磁开关与发射筒相连，使用时，通过氮气钢瓶给储气室充气，然后快速打开电磁开关，气流推动携带试件的弹托从发射筒中快速发射，之后试件与弹托分离，撞击在试件挡板上，通过电子激光测速仪和高速摄像机拍摄系统记录试件撞击数据，通过3DDIC软件分析试件撞击瞬间应力应变场。本发明试验设备组装简单便捷，试验过程高效，可重复性高。
Description
技术领域
本发明属于冲击试验领域，具体涉及一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验装置及试验方法，用于研究混凝土和岩石动态冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)以及利用3DDIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件分析试件撞击瞬间应力应变场分析。
背景技术
混凝土和岩石作为人类工程活动中最为常用的材料，许多的人为、自然灾害以及工程事故都跟它们动态冲击特性紧密相关；比如，随着世界经济与工业的高速发展，对能源与交通运输的需求越来越大，矿山开采与隧道施工中的爆破以及岩爆将不可避免，在强大爆炸冲击荷载作用下，飞溅的岩石碎片将获得极高的抛射速度，从而对周围环境和围岩造成巨大的损害；再如，随着人类建筑工程活动对自然环境的扰动加剧，特别是在我国的西部地区山高谷深，铁路、公路周边的滚石和落石发生的频率和规模也越来越大，滚石和落石在滑落过程中获得极高的冲击速度，从而对危害范围内的构筑物以及人群产生极大的威胁，也对铁路、公路周围的防护物的质量要求越来越高，特别是在特殊天气情况下，对其威胁更高，也对我国西部地区的交通运输造成极大的影响；随着城市危险品仓库的日益增多，其一旦发生爆炸，产生的钢筋混凝土碎片在强大爆炸冲击波荷载作用下，将获得极高的抛射速度，从而对周围临近的建筑物和人造成巨大的伤害。因此，为了安全以及减轻损失，提高山区交通线周边构筑物的防护能力，有必要对岩石的动态冲击特性，特别是其在不同冲击速度和角度下对不同冲击物的冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)进行全面研究；以及岩石在撞击瞬间的应力应变情况。
霍普金森杆试验技术是目前研究高应变率下材料力学性能的最主要、可靠的试验方法，是爆炸与冲击动力学试验技术的重要组成部分；若利用现有的霍普金森杆试验技术研究混凝土和岩石的动态冲击特性，虽能研究混凝土和岩石的动态力学特性，但该试验技术不能精确控制冲击速度，且试验试件受输出杆限制无法研究二次弹射特性以及对不同冲击物的冲击特性研究；因此，需要设计一种将试验试件作为主动冲击物的试验装置，在可精确控制试件冲击速度和产生二次弹射的情况下并利用3DDIC(3Dimension Digital ImageCorrelation)软件分析试件撞击瞬间应力应变场。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实现可控制试件发射速度、利用高速摄像机观察混凝土和岩石试件的动态冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)以及利用3DDIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件分析试件撞击瞬间应力应变场的冲击试验装置。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验装置，其特征在于：包括发射系统、固定支架、电子激光测速仪、高速摄像机拍摄系统和试件挡板，所述固定支架用于固定发射系统，所述试件挡板与发射系统相对设置，所述电子激光测速仪设于发射系统的出口末端，用于检测发射岩石或者混凝土试件的速度，所述高速摄像机拍摄系统设于试件挡板侧方，用于检测岩石或者混凝土试件撞击试件挡板的画面；
所述发射系统包括储气室、发射筒、弹托和弹托试件分离装置，所述储气室通过进气管道与发射筒相连，进气管道上设有能快速切断和打开的电磁阀开关，所述弹托设于发射筒内，弹托靠进气管道一端与发射筒内部间隙配合，形成活塞结构，弹托靠发射筒的发射口一端设有安装岩石或者混凝土试件的夹持装置，所述弹托试件分离装置设于发射筒的发射口处，用于弹托与岩石或者混凝土试件的分离，所述发射筒通过固定支架固定。
作为改进，还包括氮气钢瓶，所述氮气钢瓶出口设有减压阀，所述储气室通过管道与氮气钢瓶上的减压阀相连。
作为改进，所述储气室上设有用于检测其内气压的压力传感器。
作为改进，还包括PC控制电脑，所述压力传感器、电子激光测速仪、高速摄像机拍摄系统和电磁阀开关均与PC控制电脑相连。
作为改进，所述固定支架包括底座和多个固定环，所述底座锚固在地面上，所述多个固定环均布固定套在在发射筒上，固定环通过螺栓与底座固定相连。
作为改进，所述夹持装置为设有弹托端部的弹托孔。
作为改进，所述弹托试件分离装置包括套筒法兰和分离盘，所述套筒法兰通过螺纹配合套在发射口处的发射筒上，分离盘设于发射筒端部，分离盘与套筒法兰之间通过法兰螺栓可拆卸连接，分离盘中部设有尺寸小于弹托且大于发射试件的发射孔。
作为改进，所述分离盘的发射孔四周设有内凹台，所述内凹台内设有能与弹托接触的缓冲垫。
一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对冲击试验装置安装，将需要进行撞击试验的试件安装在弹托内，将利用长杆将装有试件的弹托推到发射筒底部；
步骤2、通过氮气钢瓶给储气室充压，充好压后，快速打开电磁阀开关，储气室内氮气快速进入发射筒内，推动弹托发射；
步骤3、弹托发射后被弹托试件分离装置阻拦，试件分离，撞击在试件挡板上，同时利用激光测速仪测量试件脱离发射筒时的发射速度和利用高速摄像机拍摄系统拍摄试件撞击试件挡板的画面；
步骤4、利用3D DIC软件分析试件撞击瞬间应力应变场的情况。
作为改进，所述高速摄像机拍摄系统包括相机同步触发器和两台高速摄像机，所述相机同步触发器设有发射筒的发射口处，两台高速摄像机通过相机同步触发器控制启动。
本发明具有如下优点：
1.冲击试验装置组装简单便捷，试验过程高效，可重复性高，且经济实惠；
2.混凝土或岩石试件冲击挡板的角度可由试验需要进行随意调节，其冲击速度可通过储气室中的气压值设定进行严格控制，并利用两台高速摄像机拍摄试件冲击挡板的全过程，除根据试验结果分析岩石动态冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)外，还可通过3DDIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件分析试件撞击瞬间应力应变场；
3.改变岩石或混凝土试件冲击挡板的角度和挡板的类型可模拟滚石或混凝土爆炸碎片对防护网或障碍物冲击之后的二次弹射，研究成果可用于降低滚石以及混凝土爆炸碎片二次弹射的危害。
附图说明
图1为本发明的冲击试验装置整体结构示意图。
图2为图1中发生系统结构示意图。
图3为图1中高速摄像机系统、发射筒和试件挡板安装位置示意图。
图4为弹托试件分离装置安装示意图。
图5为弹托试件分离装置左视图。
图6为弹托试件分离装置分解示意图。
图7为试验试件散斑处理效果图。
图8为高速摄像机拍摄岩石试件冲击瞬间。
图9为高速摄像机拍摄岩石试件反弹瞬间。
图10为高速摄像机拍摄岩石试件碎片弹射状态.
图11为3D DIC软件处理结果应力应变图。
图12为3D DIC软件处理结果应力应变与试件实物对比图。
图中各标号表示：1-氮气钢瓶，2-减压阀，3-储气室，4-PC控制电脑，5-气压控制部分，6-速度显示部分，7-电磁阀开关，8-进气开关，9-固定环，10-底座，11-发射筒，12-活塞部，13-电子激光测速仪，14-弹托孔，15-弹托试件分离装置，16-缓冲垫，17-试件挡板，18-高速摄像机，19-相机同步触发器，20-套筒法兰，21-分离盘，22-发射孔，23-弹托，24-排气孔，25-压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明装置主要是用于探究混凝土和岩石试件的动态冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)以及撞击瞬间的应力应变情况的冲击试验装置，主要包括PC控制电脑4、发射系统、固定支架、电子激光测速仪13、高速摄像机18拍摄系统和试件挡板17，所述固定支架用于固定发射系统，试件挡板与发射系统相对设置，即所述试件挡板17设于发射系统的出口处，所述电子激光测速仪13设于发射系统的出口末端，用于检测发射岩石或者混凝土试件的速度，所述高速摄像机18拍摄系统设于试件挡板17侧方，用于检测岩石或者混凝土试件撞击试件挡板17的画面；
所述发射系统包括氮气钢瓶1、储气室3、发射筒11、弹托23和弹托试件分离装置15，所述储气室3通过进气管道与发射筒11相连，进气管道上设有能快速切断和打开的电磁阀开关7，所述弹托23设于发射筒11内，弹托23靠进气管道一端与发射筒11内部间隙配合，形成活塞结构，也即是活塞部12，弹托23靠发射筒11的发射口一端设有安装岩石或者混凝土试件的夹持装置，本实施例中，所述夹持装置为设有弹托23端部的弹托孔14，所述弹托试件分离装置15设于发射筒11的发射口处，用于弹托23与岩石或者混凝土试件的分离，所述发射筒11通过固定支架固定。
所述储气室3通过管道与氮气钢瓶1相连，所述氮气钢瓶1出口设有减压阀2，所述储气室3上设有用于检测其内气压的压力传感器25。
所述压力传感器25、电子激光测速仪13、高速摄像机18拍摄系统和电磁阀开关7均与PC控制电脑4相连，通过PC控制电脑4接收检测数据或者控制。
所述固定支架包括底座10和多个固定环9，所述底座10锚固在地面上，所述多个固定环9均布固定套在在发射筒11上，固定环9通过螺栓与底座10固定相连，本实施例中，发射筒通过两个固定环9固定在底座10上。
所述弹托试件分离装置15包括套筒法兰20和分离盘21，所述套筒法兰20通过螺纹配合套在发射口处的发射筒11上，分离盘21设于发射筒11端部，分离盘21与套筒法兰20之间通过法兰螺栓可拆卸连接，分离盘21中部设有尺寸小于弹托23且大于发射试件的发射孔22，所述分离盘21的发射孔22四周设有内凹台，所述内凹台内设有能与弹托23接触的缓冲垫16。
本发明实施例中，PC控制电脑4搭载控制控制系统和用于数据分析的3DDIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件，PC控制电脑4的控制界面包括气压控制部分5、速度显示部分6和进气开关8，所述气压控制部分5用于显示和控制储气室3的压力，所述速度显示部分6用于显示电子激光测速仪13的测量速度，所述进气开关8用于控制减压阀2和电磁阀开关7的开启额关闭。
减压阀2为控制氮气钢瓶1中气体的总开关，将减压阀2通过管道与储气室3连通，在PC控制电脑4上的气压控制部分5输入试验所需的气压值，用长杆将装有试件(以下简称子弹)的弹托23推至发射筒11的最左端，在PC控制电脑4上打开进气开关8，氮气逐渐向储气室3中加气，当气压值达到设置的发射气压值时，装置会自动打开电磁阀开关7，将储气室3中的气体喷出，让处在发射筒11左端的弹托23获得相应的初速度，发射筒11内壁涂有润滑油以降低对弹托23的阻力，当弹托23通过电子激光测速仪13之后，PC控制电脑4上的速度显示部分6将会显示相应的速度，最后弹托23运动到发射筒11的末端口，在弹托试件分离装置15的作用之下，弹托23被其阻隔在发射筒11之内，弹托孔14中放置的试件因无阻碍而继续运动，最后离开发射筒11撞击到放置在前方的试件挡板17，为降低重力对试验的影响，试件挡板17与发射筒11之间的距离应保证在一定的距离，减少冲击速度与记录的速度的误差；在试件挡板17的一侧放置两台高速摄像机18，在试验试件撞击的一瞬间，利用相机同步触发器19控制高速摄像机18进行拍摄操作，以保证两台高速摄像机18的同步性；最后在将高速摄像机18保存的照片在3D DIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件中进行后处理分析。
冲击试验装置的组装，将氮气钢瓶1、减压阀2、储气室3通过导气管连接在一起，并保证借口处的密封性，以防止装置漏气，将电磁阀开关7、电子激光测速仪13通过电源线与PC控制电脑4相连接，当装置通电之后，电子激光测速仪13一直处于工作状态，只要有物体通过，PC控制电脑4上就会有相应的信息输出；发射筒11被固定环9固定在底座10上，发射筒11左端与储气室3通过进气管道相连通，进气管道上设有电磁阀开关7，子弹的大小与发射筒11的内径刚好契合，且子弹外部均涂有润滑油，以降低摩擦阻力对能量的损耗；在电子激光测速仪13的左端10cm处，发射筒11四周设有一定数量的排气孔24，利用该部分排气孔24将从发射筒11内储存的气体释放出来，减少弹托发射的阻力；在发射筒11的最右端刻有螺纹，然后利用螺纹在发射筒11的最右端拧上一个套筒法兰20(即左端为一个套筒，套筒有内螺纹，右端为法兰)，套筒法兰20右端通过螺栓固定安装有一个分离盘21(即中部设有发射孔22的法兰盘)，分离盘21中部发射孔22的内径略大于试验试件的大小相仿，但小于弹托23直径，分离盘21的发射孔22内设有环形的凹槽，凹槽内放置着缓冲垫16；首先将待测试的试件放置在弹托孔14中，再将弹托23整体推至发射筒11的左端部位，在PC控制电脑4上的气压控制部分5输入相应的气压值，然后点击进气开关8，装置开始向储气室3加气，当达到设定气压时，电磁阀开关7打开，将储气室3中的气体喷出，让放有试验试件的弹托23获得相应的初速度，并在发射筒11内将近匀速运动，通过电子激光测速仪13之后，子弹前端的空心筒撞击在缓冲垫16上，子弹空心筒内的试验试件从端口射出，最后撞击在试件挡板17上；在撞击一瞬间，利用相机同步触发器19控制两台高速摄像机18进行拍摄，所有的试验操作过程如上述所示。
在试验结束之后，将高速摄像机18拍摄的照片保存在PC控制电脑4上，并记录PC控制电脑4上相应的气压值和速度值，保护试验现场，最后整理高速摄像机18中的图片将其导入3D DIC(3Dimension Digital Image Correlation)软件中进行分析处理；通过改变气压值的大小调节试件的冲击速度并重复该试验操作，对多组试验结果进行整理分析，探究试件的动态冲击特性(破裂破碎特征以及二次弹射情况)以及应力应变的情况。本试验装置为可拆卸装置，其拆卸过程与组装过程顺序相反。
其中试件挡板17与发射筒11所在直线的角度可根据不同试验的需要就行随机调节。在探究不同冲击角度的试验中，一次试验结束之后，根据试验要求移动试件挡板17的位置使发射装置所在的直线与试件挡板17的平面呈一定的角度，即可达到调节混凝土或岩石试件冲击试件挡板17的冲击角度的目的。
在探究不同试件挡板17类型的试验中，一组试验结束之后直接将试件挡板17进行跟换，然后进行固定即可，例如在试验中钢板与金属网的跟换。
需要指出的是，本发明各个控制阀门既可以通过PC控制电脑4控制自动动作，也可以手动控制动作。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了氮气钢瓶1，减压阀2，储气室3，PC控制电脑4，气压控制部分5，速度显示部分6，电磁阀开关7，进气开关8，固定环9，底座10，发射筒11，活塞部12，电子激光测速仪13，弹托孔14，弹托试件分离装置15，缓冲垫16，试件挡板17，高速摄像机18，相机同步触发器19，套筒法兰20，分离盘21，发射孔22，弹托23，排气孔24等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验装置，其特征在于：包括发射系统、固定支架、电子激光测速仪、高速摄像机拍摄系统和试件挡板，所述固定支架用于固定发射系统，所述试件挡板与发射系统相对设置，所述电子激光测速仪设于发射系统的出口末端，用于检测发射岩石或者混凝土试件的速度，所述高速摄像机拍摄系统设于试件挡板侧方，用于检测岩石或者混凝土试件撞击试件挡板的画面；
所述发射系统包括储气室、发射筒、弹托和弹托试件分离装置，所述储气室通过进气管道与发射筒相连，进气管道上设有能快速切断和打开的电磁阀开关，所述弹托设于发射筒内，弹托靠进气管道一端与发射筒内部间隙配合，形成活塞结构，弹托靠发射筒的发射口一端设有安装岩石或者混凝土试件的夹持装置，所述弹托试件分离装置设于发射筒的发射口处，用于弹托与岩石或者混凝土试件的分离，所述发射筒通过固定支架固定。
2.如权利要求1所述的冲击试验装置，其特征在于：还包括氮气钢瓶，所述氮气钢瓶出口设有减压阀，所述储气室通过管道与氮气钢瓶上的减压阀相连。
3.如权利要求2所述的冲击试验装置，其特征在于：所述储气室上设有用于检测其内气压的压力传感器。
4.如权利要求3所述的冲击试验装置，其特征在于：还包括PC控制电脑，所述压力传感器、电子激光测速仪、高速摄像机拍摄系统和电磁阀开关均与PC控制电脑相连。
5.如权利要求1所述的冲击试验装置，其特征在于：所述固定支架包括底座和多个固定环，所述底座锚固在地面上，所述多个固定环均布固定套在在发射筒上，固定环通过螺栓与底座固定相连。
6.如权利要求1所述的冲击试验装置，其特征在于：所述夹持装置为设有弹托端部的弹托孔。
7.如权利要求1所述的冲击试验装置，其特征在于：所述弹托试件分离装置包括套筒法兰和分离盘，所述套筒法兰通过螺纹配合套在发射口处的发射筒上，分离盘设于发射筒端部，分离盘与套筒法兰之间通过法兰螺栓可拆卸连接，分离盘中部设有尺寸小于弹托且大于发射试件的发射孔。
8.如权利要求7所述的冲击试验装置，其特征在于：所述分离盘的发射孔四周设有内凹台，所述内凹台内设有能与弹托接触的缓冲垫。
9.一种用于岩石或者混凝土试件的冲击试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对冲击试验装置安装，将需要进行撞击试验的试件安装在弹托内，将利用长杆将装有试件的弹托推到发射筒底部；
步骤2、通过氮气钢瓶给储气室充压，充好压后，快速打开电磁阀开关，储气室内氮气快速进入发射筒内，推动弹托发射；
步骤3、弹托发射后被弹托试件分离装置阻拦，试件分离，撞击在试件挡板上，同时利用激光测速仪测量试件脱离发射筒时的发射速度和利用高速摄像机拍摄系统拍摄试件撞击试件挡板的画面；
步骤4、利用3D DIC软件分析试件撞击瞬间应力应变场的情况。
10.如权利要求9所述的冲击试验方法，其特征在于：所述高速摄像机拍摄系统包括相机同步触发器和两台高速摄像机，所述相机同步触发器设有发射筒的发射口处，两台高速摄像机通过相机同步触发器控制启动。
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