CN109959570A - 爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种爆炸加载电测‑动态光弹性混合实验系统及方法，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)、凸透镜B(8)、高速摄影机(9)、电脑(10)、实验加载台(11)、延时与控制器(12)、多通道脉冲点火器(13)、超动态应变仪(14)、数据采集仪(15)、试件(33)、炸药药包(34)、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片；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速度、裂纹尖端区域应变量、动态应力强度因子、动态断裂韧度等各项力学参数，还可获得试件全应力场动态光弹条纹、焦散斑系列图片等信息，通过综合对比分析两种方法同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究爆生运动裂纹的扩展机理及运动裂纹在扩展过程中的相互作用关系。
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，尤其涉及一种研究爆生运动裂纹扩展机理的实验系统及方法。
背景技术
钻眼爆破、光面爆破、定向断裂控制爆破技术在露天矿和深部矿井、道路建设、隧道和立井开挖中有着广泛的应用。但是，目前爆破破岩的具体过程尚未完全弄清。一般认为，岩体内最初形成的裂缝是由爆炸应力波造成的，随后爆炸气体渗入裂隙并在静压作用下，使应力波造成的裂纹进一步扩展。爆炸是一个极其复杂的过程，爆破过程的瞬态性、破坏性使得观测到的爆破作用效果往往是在爆炸应力波和爆生气体综合作用下形成的，综合作用的过程是非常复杂和多变的。这给爆破破岩机理的实验研究带来了很大难度。研究爆炸载荷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，能够为爆破方案优化、施工方案改进提供指导。
目前，国内外学者针对运动裂纹尖端应力场的变化规律已经有了一定的研究成果，但是利用应变片电测方法和动态光弹性方法同步分析运动裂纹尖端应力场变化规律的研究尚未进行。这两种方法各有特点：应变片电测法可以测量透明及非透明材料运动裂纹尖端区域的应变量，进而求出动态断裂韧度、动态应力强度因子等力学参数；动态光弹性方法可以观测试件全应力场的应力变化情况与应力分布状态，获得试件全应力场动态光弹条纹，从而得到爆生运动裂纹的扩展速度、裂纹尖端区域应变量、动态应力强度因子等各项参数。本系统可以同时利用上述两种方法，结合两种方法的优点，获得运动裂纹扩展过程中的力学参数，通过综合比较、分析上述两种方法同步测得的各项参数，研究运动裂纹的扩展机理，为今后的工程实践提供理论基础，也对动态断裂力学的发展具有重要的理论和实际意义。
发明内容
本发明提供了一种可同步利用应变片电测法和动态动态光弹性法研究爆炸产生的运动裂纹扩展机理的实验系统。应变片电测法测量设备简单，能够测量特定点的应变情况，测得数据准确性高。动态动态光弹性法操作便捷，能够观测试件全应力场的应力变化情况与应力分布状态。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速度、裂纹尖端区域应变量、动态应力强度因子、动态断裂韧度等各项力学参数，还可获得试件全应力场动态光弹条纹、焦散斑系列图片等信息，通过综合对比分析两种方法同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究爆生运动裂纹的扩展机理及运动裂纹在扩展过程中的相互作用关系。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)、凸透镜B(8)、高速摄影机(9)、电脑(10)、实验加载台(11)、延时与控制器(12)、多通道脉冲点火器(13)、超动态应变仪(14)、数据采集仪(15)、试件(33)、炸药药包(34)、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片；其中，数据采集仪(11)位于超动态应变仪(10)内部。
所述的实验系统，实验开始前，根据实验需要通过电脑(10)设置试件(33)上某一应变片为触发应变片，炸药药包(34)起爆后，试件(33)中产生运动裂纹，触发应变片发生应变，产生触发信号，通过屏蔽线传递到桥盒，再通过信号线传递到超动态应变仪(14)，超动态应变仪(14)开始采集电测数据并存储于数据采集仪(15)中。超动态应变仪(14)接到触发信号的同时，通过信号线传递触发信号到高速摄影机(9)，高速摄影机(9)接到触发信号开始采集动态光弹性实验数据。从而实现电测法和动态光弹性法的同步测试和两种实验方法的数据同步采集记录。
所述的实验系统，多通道脉冲点火器(13)具有多个通道，延时与控制器(12)可调节不用通道的起爆试件，因此该系统可根据实验需要，同时或先后引爆不同数量的药包。
所述的实验系统，可在试件(33)上粘贴多个应变片，采集多组电测数据。
所述的实验系统，可在试件(34)中设置不同数量的炸药药包，从而在试件(34)中产生一条或多条爆生裂纹进行研究。
所述的实验系统，实验时可去掉系统中的偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)并调节高速摄影机(9)的焦距，从而获得动态焦散斑图片，使系统具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，超动态应变仪(14)具有多个通道，可连接多个桥盒。从而采集多个应变片的数据。
根据任一所述的爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统研究爆生运动裂纹扩展机理的方法，包括以下步骤：
首先，根据实验需要在试件(33)上粘贴应变片。如果应变片粘贴不合格，如粘贴位置距实验时的裂纹扩展轨迹过远或过近、粘贴朝向角偏差过大、胶粘剂涂覆过多或不足，都会造成电测结果失真。所以在试件(33)上粘贴应变片时，先准确测量并确定贴放位置，做好标记后粘贴。粘贴前，应以浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响动态光弹性实验效果。
其次，调试动态光弹性光路系统。保证激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)、凸透镜B(8)、高速摄影机(9)位于同一条水平直线上。偏振片A(4)与偏振片B(7)的偏振轴相互平行或垂直，四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)的快、慢轴相互垂直，并且四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)的快、慢轴均与偏振片A(4)与偏振片B(7)的偏振轴夹角为45°。扩束镜(2)位于凸透镜A(3)的焦点处，高速摄影机(9)的镜头位于凸透镜B(8)的焦点处，调整高速摄影机(9)的焦距，使高速摄影机(9)对焦到试件所在位置。用信号线连接高速摄影机(9)和电脑(10)。
再次，连接电测系统。用屏蔽线连接桥盒和试件(33)上的应变片，用信号线连接桥盒和超动态应变仪(14)，用信号线连接超动态应变仪(14)和电脑(10)，用信号线连接超动态应变仪(14)和高速摄影机(9)。
然后，在试件(33)中装入炸药药包(34)，并将试件(33)固定于实验加载台(11)上。用信号线连接延时与控制器(12)和多通道脉冲点火器(13)，用信号线连接多通道脉冲点火器(13)与炸药药包(34)。
然后，利用电脑(10)设置某一应变片为触发应变片，并设置超动态应变仪(14)和高速摄影机(9)为待触发状态。
最后，操作延时与控制器(12)控制多通道脉冲点火器(13)引爆炸药药包(34)，对试件(33)施加爆炸荷载，在试件(33)中产生爆生裂纹，系统自动同步采集记录电测实验数据和动态光弹性实验数据。
本发明的爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统及方法，实现了电测法和动态光弹性法的同步测试，能够同时采集到两种实验方法的数据，更加全面深入地研究一条或多条运动裂纹的扩展机理、多条运动裂纹扩展过程中的相互作用机理和影响关系等，实验系统具有很强的灵活性、实用性。
本发明所述的爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统及方法的优点在于：(1)能够实现电测法和动态光弹性法的同步测试；(2)可根据实验需要，同时或先后引爆不同数量的药包；(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，可在试件上粘贴多个应变片，采集多组电测数据；(5)根据实验需要，可在试件中设置不同数量的炸药药包，从而在试件中产生一条或多条爆生裂纹进行研究；(6)根据实验需要，实验时可去掉系统中的偏振片、四分之一波片并调节高速摄影机的焦距，从而获得动态焦散斑图片，使系统具有更广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明实验系统结构图；
图2为本发明试件贴片位置示意图；
图中：1激光光源、2扩束镜、3凸透镜A、4偏振片A、5四分之一波片A、6四分之一波片B、7偏振片B、8凸透镜B、9高速摄影机、10电脑、11实验加载台、12延时与控制器、13多通道脉冲点火器、14超动态应变仪、15数据采集仪、16-18桥盒、19-21屏蔽线、22-24应变片、25-32信号线、33试件、34炸药药包。
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，爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统，包括激光光源1、扩束镜2、凸透镜A3、偏振片A4、四分之一波片A5、四分之一波片B6、偏振片B7、凸透镜B8、高速摄影机9、电脑10、实验加载台11、延时与控制器12、多通道脉冲点火器13、超动态应变仪14、数据采集仪15、试件33、炸药药包34、桥盒16-18、信号线25-32、屏蔽线19-21、应变片22-24；其中，数据采集仪11位于超动态应变仪10内部。
所述的实验系统，实验开始前，根据实验需要通过电脑10设置试件33上某一应变片为触发应变片，炸药药包34起爆后，试件33中产生运动裂纹，触发应变片发生应变，产生触发信号，通过屏蔽线传递到桥盒，再通过信号线传递到超动态应变仪14，超动态应变仪14开始采集电测数据并存储于数据采集仪15中。超动态应变仪14接到触发信号的同时，通过信号线传递触发信号到高速摄影机9，高速摄影机9接到触发信号开始采集动态光弹性实验数据。从而实现电测法和动态光弹性法的同步测试和两种实验方法的数据同步采集记录。
所述的实验系统，多通道脉冲点火器13具有多个通道，延时与控制器12可调节不用通道的起爆试件，因此该系统可根据实验需要，同时或先后引爆不同数量的药包。
所述的实验系统，可在试件33上粘贴多个应变片，采集多组电测数据。
所述的实验系统，可在试件34中设置不同数量的炸药药包，从而在试件34中产生一条或多条爆生裂纹进行研究。
所述的实验系统，实验时可去掉系统中的偏振片A4、四分之一波片A5、四分之一波片B6、偏振片B7并调节高速摄影机9的焦距，从而获得动态焦散斑图片，使系统具有更广泛的应用价值。
所述的实验系统，超动态应变仪14具有多个通道，可连接多个桥盒。从而采集多个应变片的数据。
本发明的爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统，其具体操作方法是：
首先，根据实验需要在试件上粘贴应变片。如果应变片粘贴不合格，如粘贴位置距实验时的裂纹扩展轨迹过远或过近、粘贴朝向角偏差过大、胶粘剂涂覆过多或不足，都会造成电测结果失真。所以在试件上粘贴应变片时，先准确测量并确定贴放位置，做好标记后粘贴。粘贴前，应以浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响动态光弹性实验效果。
其次，调试动态光弹性光路系统。保证激光光源、扩束镜、凸透镜A、偏振片A、四分之一波片A、四分之一波片B、偏振片B、凸透镜B、高速摄影机位于同一条水平直线上。偏振片A与偏振片B的偏振轴相互平行或垂直。四分之一波片A、四分之一波片B的快、慢轴相互垂直，并且四分之一波片A、四分之一波片B的快、慢轴均与偏振片A与偏振片B的偏振轴夹角为45°。扩束镜位于凸透镜A的焦点处，高速摄影机的镜头位于凸透镜B的焦点处，调整高速摄影机的焦距，使高速摄影机对焦到试件所在位置。用信号线连接高速摄影机和电脑。
再次，连接电测系统。用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接超动态应变仪和电脑，用信号线连接超动态应变仪和高速摄影机。
然后，在试件中装入炸药药包，并将试件固定于实验加载台上。用信号线连接延时与控制器和多通道脉冲点火器，用信号线连接多通道脉冲点火器与炸药药包。
然后，利用电脑设置某一应变片为触发应变片，并设置超动态应变仪和高速摄影机为待触发状态。
最后，操作延时与控制器控制多通道脉冲点火器引爆炸药药包，对试件施加爆炸荷载，在试件中产生爆生裂纹，系统自动同步采集记录电测实验数据和动态光弹性实验数据。
以爆炸荷载作用下研究一条竖直向上扩展的运动裂纹扩展机理的实验为例进行说明。
如图1、图2所示，具体步骤包括：
首先，粘贴应变片。本实验在试件33上共粘贴3个应变片，分别为应变片22、应变片23、应变片24，贴片位置如图2所示。在试件33上粘贴应变片时，先准确测量并确定贴放位置，做好标记后粘贴。粘贴前，应以浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响动态光弹性实验效果。
其次，调试动态光弹性光路系统。保证激光光源1、扩束镜2、凸透镜A3、偏振片A4、四分之一波片A5、四分之一波片B6、偏振片B7、凸透镜B8、高速摄影机9位于同一条水平直线上。偏振片A4与偏振片B7的偏振轴相互平行或垂直，四分之一波片A5、四分之一波片B6的快、慢轴相互垂直，并且四分之一波片A5、四分之一波片B6的快、慢轴均与偏振片A4与偏振片B7的偏振轴夹角为45°。扩束镜2位于凸透镜A3的焦点处，高速摄影机9的镜头位于凸透镜B8的焦点处，调整高速摄影机9的焦距，使高速摄影机9对焦到试件所在位置。用信号线30连接高速摄影机9和电脑10。
再次，连接电测系统。用屏蔽线19连接应变片22和桥盒16，用屏蔽线20连接应变片23和桥盒17，用屏蔽线21连接应变片24和桥盒18，用信号线27连接桥盒16和超动态应变仪14，用信号线28连接桥盒17和超动态应变仪14，用信号线29连接桥盒18和超动态应变仪14，用信号线32连接超动态应变仪14和电脑10，用信号线31连接超动态应变仪14和高速摄影机9。
然后，在试件33中装入炸药药包34，并将试件33固定于实验加载台11上。用信号线25连接延时与控制器12和多通道脉冲点火器13，用信号线26连接多通道脉冲点火器13与炸药药包34。
然后，利用电脑6设置应变片22为触发应变片，并设置超动态应变仪14和高速摄影机9为待触发状态。
最后，操作延时与控制器12控制多通道脉冲点火器13引爆炸药药包34，对试件33施加爆炸荷载，在试件3中产生爆生裂纹，系统自动同步采集记录电测实验数据和动态光弹性实验数据。
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 (8)
1.爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统，其特征在于，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)、凸透镜B(8)、高速摄影机(9)、电脑(10)、实验加载台(11)、延时与控制器(12)、多通道脉冲点火器(13)、超动态应变仪(14)、数据采集仪(15)、试件(33)、炸药药包(34)、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片；其中，数据采集仪(11)位于超动态应变仪(10)内部。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，实验开始前，根据实验需要通过电脑(10)设置试件(33)上某一应变片为触发应变片，炸药药包(34)起爆后，试件(33)中产生运动裂纹，触发应变片发生应变，产生触发信号，通过屏蔽线传递到桥盒，再通过信号线传递到超动态应变仪(14)，超动态应变仪(14)开始采集电测数据并存储于数据采集仪(15)中。超动态应变仪(14)接到触发信号的同时，通过信号线传递触发信号到高速摄影机(9)，高速摄影机(9)接到触发信号开始采集动态光弹性实验数据。从而实现电测法和动态光弹性法的同步测试和两种实验方法的数据同步采集记录。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，多通道脉冲点火器(13)具有多个通道，延时与控制器(12)可调节不用通道的起爆试件，因此该系统可根据实验需要，同时或先后引爆不同数量的药包。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，可在试件(33)上粘贴多个应变片，采集多组电测数据。
5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，可在试件(34)中设置不同数量的炸药药包，从而在试件(34)中产生一条或多条爆生裂纹进行研究。
6.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，实验时可去掉系统中的偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)并调节高速摄影机(9)的焦距，从而获得动态焦散斑图片，使系统具有更广泛的应用价值。
7.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，超动态应变仪(14)具有多个通道，可连接多个桥盒。从而采集多个应变片的数据。
8.根据权利要求1-7任一所述的爆炸加载电测-动态光弹性混合实验系统研究爆生运动裂纹扩展机理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据实验需要在试件(33)上粘贴应变片。如果应变片粘贴不合格，如粘贴位置距实验时的裂纹扩展轨迹过远或过近、粘贴朝向角偏差过大、胶粘剂涂覆过多或不足，都会造成电测结果失真。所以在试件(33)上粘贴应变片时，先准确测量并确定贴放位置，做好标记后粘贴。粘贴前，应以浸湿酒精的脱脂棉对试件表面进行清洁。用502胶水涂覆应变片粘贴面，贴放后用聚乙烯保鲜薄膜覆盖，用手指按压挤出气泡，持续30s即可粘牢。胶粘剂不宜过多，以免影响动态光弹性实验效果。
其次，调试动态光弹性光路系统。保证激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、偏振片A(4)、四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)、偏振片B(7)、凸透镜B(8)、高速摄影机(9)位于同一条水平直线上。偏振片A(4)与偏振片B(7)的偏振轴相互平行或垂直，四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)的快、慢轴相互垂直，并且四分之一波片A(5)、四分之一波片B(6)的快、慢轴均与偏振片A(4)与偏振片B(7)的偏振轴夹角为45°。扩束镜(2)位于凸透镜A(3)的焦点处，高速摄影机(9)的镜头位于凸透镜B(8)的焦点处，调整高速摄影机(9)的焦距，使高速摄影机(9)对焦到试件所在位置。用信号线连接高速摄影机(9)和电脑(10)。
再次，连接电测系统。用屏蔽线连接桥盒和试件(33)上的应变片，用信号线连接桥盒和超动态应变仪(14)，用信号线连接超动态应变仪(14)和电脑(10)，用信号线连接超动态应变仪(14)和高速摄影机(9)。
然后，在试件(33)中装入炸药药包(34)，并将试件(33)固定于实验加载台(11)上。用信号线连接延时与控制器(12)和多通道脉冲点火器(13)，用信号线连接多通道脉冲点火器(13)与炸药药包(34)。
然后，利用电脑(10)设置某一应变片为触发应变片，并设置超动态应变仪(14)和高速摄影机(9)为待触发状态。
最后，操作延时与控制器(12)控制多通道脉冲点火器(13)引爆炸药药包(34)，对试件(33)施加爆炸荷载，在试件(33)中产生爆生裂纹，系统自动同步采集记录电测实验数据和动态光弹性实验数据。
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