CN109975138A - 一种动态加载的光弹-shpb同步实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态加载的光弹‑SHPB同步实验系统及方法，包括超高速摄影相机，数据处理中心，超动态应变仪，数据采集器，激光光源，触发应变片，光弹性光路、SHPB加载装置，信号线；该系统综合了两种实验系统方法的优点，利用动态光弹性实验方法研究岩石断裂行为，结合SHPB实验系统，对研究岩石类材料动态断裂过程提供了新的实施方案，能够更加准确、科学、定量地研究岩石类材料运动裂纹的贯穿机理。得到的图片数据为分析断裂行为带来的更多的对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。

Description

一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统及方法

技术领域

本发明属于实验力学研究领域，具体涉及一种动态断裂力学的研究，岩石等相关材料在动态加载过程中裂纹的起裂、发展、止裂以及裂纹贯穿机理的实验和方法。

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。研究冲击荷载作用下岩体内运动裂纹发展过程，分析、总结裂纹起裂的能量变化过程及裂纹扩展过程中裂纹断裂扩展行为，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分离式霍普金森杆(SHPB)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。SHPB中依然存在许多问题，例如实验结果不稳定、难分析等。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。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，尚未有学者利用高速的冲击加载系统结合光弹性实验系统对岩石类材料的动态断裂行为和裂纹贯穿机理进行研究。

基于现有岩石材料动态断裂过程研究的不足和缺陷，结合SHPB实验系统及光弹性实验方法的优点，设计了一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统及方法，以实现实验岩石类材料的动态断裂行为和裂纹贯穿机理的研究。

发明内容

本发明针对现有实验方法的不足，提供了一种可同步利用SHPB和动态光弹性方法研究岩石材料中运动裂纹起裂和贯穿机理的实验系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，包括超高速摄影相机1，数据处理中心2，超动态应变仪3，数据采集器4，激光光源5，应变片11，光弹性光路、SHPB加载装置，信号线；其中，SHPB加载装置包括冲击弹头8，波形整形器9，入射杆10，反射杆12，吸收杆13，阻尼器14，入射杆10和反射杆12 为直径相等的圆柱形金属杆件；实验开始时，冲击弹头8射出冲击入射杆10，入射杆10对试件15施加荷载，使试件15产生运动裂纹；入射杆10上方贴有触发应变片11，在数据处理中心1设置应变片触发模式为上升沿或下降沿，应变片11通过桥盒6与超动态应变仪3相连，同时桥盒6连接地面7，过滤杂波干扰；超动态应变仪3与数据采集器4连接，数据采集器连接高速摄影相机1，通过此连接方式，当入射应力波经过触发应变片11时，触发信号传递至超高速摄像机1开始拍摄。

所述的同步实验系统，光弹性光路系统呈直线型，包括激光光源5，扩束镜 16，第一凸透镜17，第一偏振片18，第一四分之一波片19，第二四分之一波片 20，第二偏振片21，第二凸透镜22；所述系统所有器械中心点在同一条直线上，并且该直线穿过试件15中心，距试件由远及近依次为激光光源5、扩束镜16、第一凸透镜17、第一偏振片18、第一四分之一波片19；试件另一侧超高速摄影相机1镜头中心点与第二凸透镜22、第二偏振片21、第二四分之一波片20的中心点在同一直线上，并且该直线穿过试件15中心，距试件由远及近依次为超高速摄影相机1、第二凸透镜22、第二偏振片21、第二四分之一波片20；第一偏振片18与第二偏振片21的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴均与第一偏振片18、第二偏振片21的偏振轴呈45°夹角；扩束镜16位于第一凸透镜17的焦点处，超高速摄影相机1镜头中心点位于第二凸透镜22的焦点处；用信号线将超高速摄影相机与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机2镜头对焦至试件表面，调节激光光源5直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机1的触发方式为内触发。

所述的同步实验系统，实验开始之前调整好光弹性光路，设置超高速摄影相机1至“等待触发”状态，整个实验过程中不得触碰光弹性光路器械，防止光路发生改变影响实验，向数据处理中心2导入参考图像，并设置各项计算参数，调整视场区域；参考图像是实验开始前拍摄的试件表面图片；

所述的同步实验系统，通过数据处理中心2可以调节超高速摄影相机1、超动态应变仪3开始工作的时间，从而满足不同岩石类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15中预制裂纹的数量、倾斜角度、裂纹长度及裂纹间距，研究试件15中不同类型裂纹的扩展贯穿机理。

所述的同步实验系统，将超高速摄影相机1记录的光弹条纹系列图片导入数据处理中心2，能够判断光弹条纹类型，然后计算出各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、动态应力强度因子；

所述的同步实验系统，SHPB实验装置有一套单独的控制系统，其操作程序独立于光弹性光路控制中心，互不影响，但不作为本发明内容。

附图说明

图1为本发明实验系统结构图；

图2为试件模型设计图；

图3为测定模块实施流程图。

附图标记说明

1、高速摄影相机，2、数据处理中心，3、超动态应变仪，4、数据采集仪， 5、激光光源，6、桥盒，7、地面，8、炮弹，9、波形整形器，10、入射杆，11、触发应变片，12、反射杆，13、吸收杆，14、阻尼器，16、扩束镜，17、第一凸透镜，18、第一偏振片，19、第一四分之一波片，20、第二四分之一波片，21、第二偏振片，22、第二凸透镜，23-29、信号线；

15、试件，151、预制裂缝。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。此处描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

参考图1，一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，包括超高速摄影相机1，数据处理中心2，超动态应变仪3，数据采集器4，激光光源5，应变片11，光弹性光路、SHPB加载装置，信号线；其中，SHPB加载装置包括冲击弹头8，波形整形器9，入射杆10，反射杆12，吸收杆13，阻尼器14，入射杆10和反射杆12为直径相等的圆柱形金属杆件；

参考图1，所述光弹性光路系统呈直线型，包括激光光源5，扩束镜16，第一凸透镜17，第一偏振片18，第一四分之一波片19，第二四分之一波片20，第二偏振片21，第二凸透镜22；所述系统所有器械中心点在同一条直线上，并且该直线穿过试件15中心，距试件由远及近依次为激光光源5、扩束镜16、第一凸透镜17、第一偏振片18、第一四分之一波片19；试件另一侧超高速摄影相机 1镜头中心点与第二凸透镜22、第二偏振片21、第二四分之一波片20的中心点在同一直线上，并且该直线穿过试件15中心，距试件由远及近依次为超高速摄影相机1、第二凸透镜22、第二偏振片21、第二四分之一波片20；第一偏振片 18与第二偏振片21的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴均与第一偏振片18、第二偏振片21的偏振轴呈45°夹角；扩束镜16位于第一凸透镜17的焦点处，超高速摄影相机1镜头中心点位于第二凸透镜22的焦点处；用信号线将超高速摄影相机与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机2镜头对焦至试件表面，调节激光光源5直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机1的触发方式为内触发。

一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，所述SHPB加载装置有一套单独的控制系统，但不作为本发明内容。实验开始时，控制SHPB加载装置开始加载，冲击弹头8从弹道射出冲击入射杆10，入射杆10上方贴有波形整形器9，调整入射应力波更加均匀，入射杆10对试件15施加荷载，使试件15产生运动裂纹；入射杆10上方贴有触发应变片11，在数据处理中心1设置应变片触发模式为上升沿或下降沿，应变片11通过桥盒6与超动态应变仪3相连，同时桥盒6连接地面7，过滤杂波干扰；超动态应变仪3与数据采集器4连接，数据采集器连接高速摄影相机1，通过此连接方式，当入射应力波经过触发应变片11时，触发信号传递至超高速摄像机1开始拍摄。

所述的实验系统，通过数据处理中心2可以调节高速摄影仪相机1、超动态应变仪3、数据采技仪4开始工作的时间，从而满足不同光弹板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类材料在断裂过程中的实验数据。

所述的实验系统，通过改变炮弹8冲击的速度，可以改变入射杆10对试件 15施加载荷的大小和加载率。

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15光弹板的透明程度，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15中预制裂纹151的倾斜角度β，可以在试件15中产生不同类型的裂纹并能够研究试件15中不同类型裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件15中预制裂纹151的预制长度c及裂缝间距a，可以研究试件15中不同间距预制裂纹对扩展断裂机理的影响因素。

所述的实验系统，可将SHPB加载装置上的炮弹8更换为伺服液压机，对入射杆10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，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光弹性条纹图片，可以完整精确地观测到光弹板的整个断裂、贯穿过程。

所述的实验系统，利用动态光弹性实验方法研究岩石断裂行为，结合SHPB 实验系统，对研究岩石类材料动态断裂过程提供了新的实施方案，得到的图片数据为分析断裂行为带来的更多的对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。

所述的实验系统，将高速摄影相机1记录的光弹条纹系列图片导入数据处理中心2，能够判断光弹条纹类型(I型、II型、混合型)，从而得出裂纹类型 (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、裂纹动态应力强度因子。后续数据处理工程中，可计算动态裂纹的起裂韧度、断裂韧度及止裂韧度等相关参数，最终得出裂纹贯穿机理。

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。

本发明的一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，其具体操作方法是：

S1、如图2所示，根据实验要求对试件进行预制加工。所述试件15尺寸根据SHPB加载装置具体尺寸设计，试件预制裂缝151宽度设计为1mm,预制裂缝 151倾角β、裂缝长度c、裂缝间距a根据不同的实验需求进行更改，两条预制裂缝151的端部必须保证在试件中心线上。

S2、安装试件15如图1所示位置，调试动态光弹性光路系统。所述系统所有器械中心点在同一条直线上，并且该直线穿过试件15中心，距试件由远及近依次为激光光源5、扩束镜16、第一凸透镜17、第一偏振片18、第一四分之一波片19；试件另一侧超高速摄影相机1镜头中心点与第二凸透镜22、第二偏振片21、第二四分之一波片20的中心点在同一直线上，并且该直线穿过试件15 中心，距试件由远及近依次为超高速摄影相机1、第二凸透镜22、第二偏振片 21、第二四分之一波片20；第一偏振片18与第二偏振片21的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片19、第二四分之一波片20的快、慢轴均与第一偏振片18、第二偏振片21的偏振轴呈45°夹角；扩束镜16位于第一凸透镜17的焦点处，超高速摄影相机1镜头中心点位于第二凸透镜22的焦点处；用信号线将超高速摄影相机与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机2镜头对焦至试件表面，调节激光光源5直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机1的触发方式为内触发。

S3、调试SHPB加载试验系统。

S4、设置高速摄影相机1“等待触发”状态，并设置各项计算参数，选取裂纹视场区域。

S5、控制SHPB加载系统开始加载，使炮弹8下落，撞击入射杆10，对试件 15施加荷载，在试件15中产生运动裂纹，同时使触发应变片接受触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据。

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 (7)

1.一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，其特征在于：包括超高速摄影相机，数据处理中心，超动态应变仪，数据采集器，激光光源，应变片，光弹性光路、SHPB加载装置，信号线；其中，SHPB加载装置包括冲击弹头，波形整形器，入射杆，反射杆，吸收杆，阻尼器，入射杆和反射杆为直径相等的圆柱形金属杆件；实验开始时，冲击弹头射出冲击入射杆，入射杆对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹直至贯穿；入射杆上方贴有触发应变片，在数据处理中心设置应变片触发模式为上升沿或下降沿，应变通过桥盒与超动态应变仪相连，同时桥盒连接地面，过滤杂波干扰；超动态应变仪与数据采集器连接，数据采集器连接高速摄影相机，通过此连接方式，当入射应力波经过触发应变片时，触发信号传递至超高速摄像机开始拍摄。

2.一种动态加载的光弹-SHPB同步实验系统，其特征在于：光弹性光路系统呈直线型，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；所述系统所有器械中心点在同一条直线上，并且该直线穿过试件中心；扩束镜16位于第一凸透镜17的焦点处，超高速摄影相机镜头中心点位于第二凸透镜的焦点处；用信号线将超高速摄影相机与数据处理中心连接，调节超高速摄影相机镜头对焦至试件表面，调节激光光直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机1的触发方式为内触发。

3.根据权利要求1-2所述的同步实验系统，其特征在于：实验开始之前调整好光弹性光路，设置超高速摄影相机至“等待触发”状态，整个实验过程中不得触碰光弹性光路器械，防止光路发生改变影响实验，向数据处理中心导入参考图像，并设置各项计算参数，调整视场区域；参考图像是实验开始前拍摄的试件表面图片。

4.根据权利要求1-2所述的同步实验系统，其特征在于：通过改变试件15中预制裂纹的数量、倾斜角度、裂纹长度及裂纹间距，研究试件15中不同类型裂纹的扩展贯穿机理。

5.根据权利要求1-2所述的同步实验系统，其特征在于，具体操作方法是：

S1、根据实验要求对试件进行预制加工，所述试件15尺寸根据SHPB加载装置具体尺寸设计，试件预制裂缝151宽度设计为1mm,预制裂缝151倾角β、裂缝长度c、裂缝间距a根据不同的实验需求进行更改，两条预制裂缝151的端部必须保证在试件中心线上；

S2、安装试件如图1所示位置，调试动态光弹性光路系统，所述系统所有器械中心点在同一条直线上，并且该直线穿过试件中心，扩束镜位于第一凸透的焦点处，超高速摄影相机镜头中心点位于第二凸透的焦点处；用信号线将超高速摄影相机与数据处理中心连接，调节超高速摄影相机镜头对焦至试件表面，调节激光光源直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像的触发方式为内触发；

S3、调试SHPB加载试验系统；

S4、设置高速摄影相机1“等待触发”状态，并设置各项计算参数，选取试件视场区域；

S5、控制SHPB加载系统开始加载，使炮弹射出，撞击入射杆，对试件施加荷载，在试件中产生运动裂纹直至贯穿，同时使触发应变片接受触发信号，系统被触发并自动同步采集记录动态光弹性实验数据。

6.根据权利要求5所述的同步实验系统及方法，其特征在于：所述的实验系统，可将SHPB加载装置上的炮弹更换为伺服液压机，对入射杆施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛对比研究。

7.根据权利要求5所述的同步实验系统及方法，其特征在于：利用动态光弹性实验方法研究岩石断裂行为，结合SHPB实验系统，对研究岩石类材料动态断裂过程提供了新的实施方案，得到的图片数据为分析断裂行为带来的更多的对比验证，增加了实验结果的可靠性和说服力。