CN110261242B - 一种霍普金森杆岩样冲击试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种霍普金森杆岩样冲击试验装置，包括SHPB装置和高速摄影机，还包括球形防护罩，所述防护罩包括一对相互扣合且能够收拢的半球形罩体，所述罩体包括半球形骨架和包裹于半球形骨架上的柔性拦截布；所述防护罩相对的两侧分别设有入射杆穿孔和透射杆穿孔，所述入射杆和透射杆分别从所述入射杆穿孔和透射杆穿孔伸入所述防护罩内将岩样夹持住；所述球形柔性防护罩上还设有正对岩样的观察窗口，所述高速摄影机的镜头安装在所述观察窗口中。与传统霍普金森杆试样装置相比，该试验装置可以大幅度降低飞溅岩石碎块的二次破碎概率，更为贴近SHPB冲击下的初始破碎块度，保证了实验结果的精确度。

Description

一种霍普金森杆岩样冲击试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩样霍普金森杆试验技术领域，尤其涉及一种霍普金森杆岩样冲击试验装置及方法。

背景技术

在柔性霍普金森杆(SHPB)岩石动力学测试过程中，传统的岩块收集装置通常是一个硬质箱体套在入射杆与透射杆中间，岩石破碎后落于箱体内。SHPB测试时，岩石在高速冲击载荷作用下破碎效果极为明显，常常产生明显的岩屑飞溅现象。当飞溅的岩屑撞击到硬质岩屑收集箱壁面时可能产生二次破碎，岩样破碎后的形貌特征是分析岩石动力力学性质的一个重要指标，撞击于壁面的二次破碎岩屑极大程度的影响了实验结果的精确度。

中国发明专利201710183224.4公开了一种用于霍普金森试验中冻土碎块收集和筛分的装置，是由外层半圆形防护盖和内层半圆形防护盖通过耐低温强力胶粘合组成防护盖，通过在防护盖内设置耐低温强力胶防止冻土碎块二次破碎，但是上述专利用于冻土碎块试验，且仍然存在结构复杂，取样不方便等问题。

中国发明专利2019102917018公开了一种分离式霍普金森杆岩样回收装置，由于试验箱内盛放有液体，橡胶套的膨胀在液体的压力下得到缓冲，被测岩样冲击结束后，橡胶套受到试验箱内的液体的压力而缓慢收缩，避免了因为橡胶套的急剧膨胀和收缩而导致橡胶套内的被测岩样受到二次冲击，保持了被测岩样的破碎形态，有利于被测岩样破碎形态试验结果的分析，且保证实验安全。但是上述装置不仅结构复杂，而且因在试验箱内设有液体，也不利于对试样在冲击载荷下的动态变化过程进行观察。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种结构简单、操作方便以及可大幅度降低飞溅岩屑的二次破碎概率的霍普金森杆岩样冲击试验装置及方法。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种霍普金森杆岩样冲击试验装置，包括SHPB装置和高速摄影机，还包括球形防护罩，所述防护罩包括一对相互扣合且能够收拢的半球形罩体，所述罩体包括半球形骨架和包裹于半球形骨架上的柔性拦截布；

所述防护罩相对的两侧分别设有入射杆穿孔和透射杆穿孔，所述入射杆和透射杆分别从所述入射杆穿孔和透射杆穿孔伸入所述防护罩内将岩样夹持住；

所述球形防护罩上还设有正对岩样的观察窗口，所述高速摄影机安装在所述观察窗口上。

进一步的，还包括用于向球形防护罩内馈入微波的微波照射系统和用于对岩样的温度进行实时检测的温度监测系统，所述柔性拦截布的内表面上设有能够反射微波的微波反射层，所述岩样位于所述防护罩的中心处，所述防护罩上设有正对所述岩样的微波馈入口，所述微波照射系统的喇叭口与所述微波馈入口对接。

进一步的，所述微波照射系统包括磁控管、与磁控管输出端连接的矩形波导、通过带有水负载的环形器与矩形波导连接的波导转换器、与波导转换器输出端连接且正对所述岩样的喇叭天线。

进一步的，所述温度监测系统包括设置于防护罩透明窗口一侧的红外热成像仪，所述红外热成像仪连接至SHPB装置的数据采集系统。

进一步的，所述微波反射层为铝箔或金属粉末涂层。

进一步的，所述骨架包括若干沿其圆周方向间隔分布的弧形支撑杆，各支撑杆的一端通过第一销轴铰接连接，各支撑杆的另一端通过第二销轴铰接连接，所述第一销轴和第二销轴的轴线重合且过所述半球形骨架的球心。

进一步的，所述拦截布与弧形支撑杆间通过铁丝固定。

进一步的，其中一所述半球形罩体的沿开口端圆周方向均布有公按扣，另一所述半球形罩体的开口端上设有与所述公按扣相配合的母按扣。

一种霍普金森杆岩样冲击试验方法，使用上述试验装置，包括如下步骤：

(1)展开左侧半球形罩体，入射杆穿过左侧半球形罩上的入射杆穿孔，展开右侧半球形罩体，透射杆穿过右侧半球形罩上的透射穿孔；

(2)将岩样夹持于入射杆及透射杆中间，将两侧半球形罩体扣合连接成一体，高速摄影机镜头放入侧边观察窗口内，SHPB配套仪器调试完成后开始冲击试验；

(3)试验完成后，取下高速摄影机，抽出入射杆及透射杆，打开防护罩并收集岩屑，供后续测试分析；

(4)装置使用完毕后，将半球形罩体反方向折叠收纳。

与现有技术相比，本申请具有如下优势：

优势一：本申请半球形罩体采用弧形支撑杆支撑，为了便于装置在非使用状态收纳，两个半球形罩体采用折叠式设计，折叠时旋转轴为球形防护罩的中轴线，为了大幅度降低岩屑碰撞到防护罩二次破碎概率，采用柔性材料制作的拦截布包裹于防护罩骨架上，拦截布与骨架间通过铁丝固定，拦截布应避免紧绷现象，略微松散有利于高效吸收飞溅岩石动能。

测试时分别将左右侧半球形罩体展开，入射杆与透射杆套入半球形罩体上的圆孔内，然后调整杆件位置夹持岩样至稳固状态。左右两侧半球形罩体边缘对接后通过密封按扣固定，然后将高速摄影机镜头放入侧边圆孔内，测试完成后取下装置收集岩屑，此外，通过引入观察窗口和高速摄影机，可以更加直观的观测冲击载荷下岩样的动态变化过程。与传统霍普金森杆试样装置相比，该试验装置可以大幅度降低飞溅岩石碎块的二次破碎概率，更为贴近SHPB冲击下的初始破碎块度，保证了实验结果的精确度。

优势二：该试验装置还包括微波照射系统和温度监测系统，岩样设置与球形防护罩的球心位置处，微波照射系统的喇叭口正对岩样中心位置对岩样馈入微波，实现微波加热，温度监测系统实现对岩样的实时温度进行测量，进而可以实现岩样在不同温度及冲击载荷下的岩石动力学测试，同时因防护罩为球形且内表面设有微波反射层，这样一来，提高了微波向球心位置反射的概率，未被岩样吸收的微波能量在防护罩腔体内来回反射后最终会汇聚于防护罩中心位置处，也即岩样上，从而能够更加高效的加热岩样。同时因反射微波会汇聚于岩样并大量被岩样吸收，也可以有效防止反射微波对防护罩和微波照射系统造成损伤。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中岩样安装在防护罩内的结构示意图；

图3为本发明中半球形罩体结构示意图；

图4为本发明中半球形罩体打开示意图；

图5为本发明中半球形罩体收拢示意图；

图6为本发明中防护罩剖视图。

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作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。

参见图1-图3，一种霍普金森杆岩样冲击试验装置，包括SHPB装置和高速摄影机1和球形防护罩2，球形防护罩2包括一对相互扣合且能够收拢的半球形罩体21，半球形罩体21包括半球形骨架211和包裹于半球形骨架211上的柔性拦截布212，防护罩2相对的两侧分别设有入射杆穿孔3和透射杆穿孔4，SHPB装置的入射杆5和透射杆6分别从入射杆穿孔3和透射杆穿孔4伸入防护罩2内，将岩样7按照SHPB装置操作要求夹持在入射杆5和透射杆6之间。在球形防护罩2上还设有正对岩样7的观察窗口8，高速摄影机1通过相机支架9架设在地面上且镜头伸入该观察窗口8中，实现对岩样7破碎过程中的形貌数据采集。柔性拦截布可以采用橡胶等材质制作。

具体的，SHPB装置包括子弹加压装置10、子弹发射腔11、入射杆5、透射杆6、缓冲装置12以及数据采集系统(图中未示出)，上述装置均设置于SHPB装置的工作台13上，其中子弹发射腔11中设有正对入射杆5的子弹14，缓冲装置12设置在透射杆6的后侧，起到缓冲作用，在工作台13上设有支撑入射杆5和透射杆6的支座15，支座15的顶部设有与入射杆5和透射杆6适配的弧形滑槽。试验时，启动子弹加压装置10，对子弹14加压，松开子弹阀门，子弹14撞击入射杆5对岩石进行冲击，并通过数据采集系统完成数据采集和数据处理。

参见图2和图3，具体的，半球形骨架211包括若干沿其圆周方向间隔分布的弧形支撑杆A，各支撑杆A的一端通过第一销轴铰接连接于一点，各支撑杆A的另一端通过第二销轴铰接连接于另一点，第一销轴和第二销轴的轴线重合且过半球形骨架211的球心，柔性拦截布212与弧形支撑杆A间通过铁丝固定。

参见图4和图5，其中一半球形罩体211的沿开口端圆周方向均布有公按扣16，另一所述半球形罩体211的开口端上设有与公按扣16相配合的母按扣17，两个半球形罩体211通过按扣实现对接。

本实施例中半球形罩体采用弧形支撑杆支撑，为了便于装置在非使用状态收纳，两个半球形罩体采用折叠式设计，折叠时旋转轴为球形防护罩的中轴线，为了大幅度降低岩屑碰撞到防护罩二次破碎概率，采用柔性材料制作的拦截布包裹于防护罩骨架上，拦截布与骨架间通过铁丝固定，拦截布应避免紧绷现象，略微松散有利于高效吸收飞溅岩石动能。

测试时分别将左右侧半球形罩体展开，入射杆与透射杆套入半球形罩体上的圆孔内，然后调整杆件位置夹持岩样至稳固状态。左右两侧半球形罩体边缘对接后通过密封按扣固定，然后将高速摄影机镜头放入侧边圆孔内，测试完成后取下装置收集岩屑，此外，通过引入观察窗口和高速摄影机，可以更加直观的观测冲击载荷下岩样的动态变化过程。与传统霍普金森杆试样装置相比，该试验装置可以大幅度降低飞溅岩石碎块的二次破碎概率，更为贴近SHPB冲击下的初始破碎块度，保证了实验结果的精确度。

参见图1和图2，在一实施例中，本实施例试验装置还包括用于向球形防护罩内馈入微波的微波照射系统17和用于对岩样的温度进行实时检测的温度监测系统18，柔性拦截布212的内表面上设有能够反射微波的微波反射层19，岩样7位于防护罩2的中心处，防护罩2上设有正对岩样的微波馈入口20，微波照射系统17的喇叭口与微波馈入口20对接。为方便微波照射系统17的喇叭口与微波馈入口20对接，微波馈入口20可以设置成可伸缩的弹性结构，当喇叭口与微波馈入口20对接时，微波馈入口20弹性扩张，从而方便喇叭口的插入，插入后微波馈入口20收缩，从而实现两者之间的密封，此外通过在微波馈入口20的内壁上设有金属微波反射涂层，还可以防止微波泄露。

参见图6，本实施例试验装置还包括微波照射系统17和温度监测系统18，岩样7设置于球形防护罩2的球心位置处，微波照射系统17的喇叭口正对岩样7中心位置对岩样馈入微波，实现微波加热，温度监测系统18实现对岩样的实时温度进行测量，进而可以实现岩样在不同温度及冲击载荷下的岩石动力学测试；同时因防护罩为球形且内表面设有微波反射层，这样一来，提高了微波向球心位置反射的概率，未被岩样吸收的微波能量在防护罩腔体内来回反射后会最终汇聚于防护罩中心位置处，也即岩样上，从而能够更加高效的加热岩样。同时因反射微波会汇聚于岩样并大量被岩样吸收，也可以有效防止反射微波对防护罩和微波照射系统造成损伤。

可以理解的是，微波照射系统17可以包括磁控管、与磁控管输出端连接的矩形波导、通过带有水负载的环形器与矩形波导连接的波导转换器、与波导转换器输出端连接且正对岩样的喇叭天线。矩形波导用于传输微波源、带有水负载的环形器用于使微波按照一定的路线传输并且用于吸收防护罩反射回来微波，磁控管产生的微波依次经过矩形波导、带有水负载的环形器、波导转换器和喇叭天线馈入防护罩中，反射回来的微波经过带有水负载的环形器时，被水负载吸收，从而可以防止反射微波对磁控管在此损失。至于磁控管、矩形波导、环形器、波导转换器和喇叭天线的具体结构，可以采用诸如专利201710211359.7及2018106587949中的结构，均为现有技术，在此不再赘述。

优选的，微波反射层19可以采用铝箔，铝箔可以通过胶粘的方式覆盖整个防护罩的内表面，因防护罩采用对半设置，因此铝箔层也设置成一对半球形结构，粘覆在对应的柔性拦截布的内表面上，因铝箔层具有很好的延展性，因为在防护罩收拢或张开时，不会被撕破，保证其完整性，但是每次试验完成后，需要更换铝箔。当然，可以理解的是，微波反射层19也可以采用金属粉末涂层，成形方式可以采用喷覆等方式附着在柔性拦截布上。这里需要解释的是，为进一步防止微波向外扩散，左侧半球形罩体和右侧半球形罩体对接处的边缘最好保持成紧贴状态，这样可以有效防止微波从拼接处向外传播。

参见图1，在一实施例中，温度监测系统18为设置于防护罩2测温窗口一侧的红外热成像仪，红外热成像仪连接至SHPB装置的数据采集系统(图中未示出)。本实施例采用红外热成像仪与SHPB装置的数据采集系统相连接，可以实时对岩石温度进行监控，并采用计算机数据采集系统对岩石在照射过程中的温度图像和升温曲线进行处理，观察窗口8和测温窗口21需采用特殊结构的透明玻璃，能有效阻隔磁控管发出的微波，使得高速摄影机镜头和红外摄像仪免受微波干扰。

在实际应用中，高速摄影机1、入射杆5、透射杆6、微波照射系统17和温度监测系统18的安装位置最好与半球形罩体21拼接位置相错开，这样便于上述部件的安装，同时相比将上述部件直接安装在拼接缝上，该种安置方式也可以有效防止微波泄露。更加具体的，入射杆5、透射杆6、观察窗口8和测温窗口21位于过防护罩中心的其中一横截面中，微波馈入口位于观察窗口8的斜上方。

本实施例中，在入射杆和透射杆与岩石接触的一端上还可以增设陶瓷杆(图中未示出)，也即岩样夹持在两根陶瓷杆之间。因陶瓷杆即不受微波的影响而且温度对陶瓷杆的波阻抗的影响也可以忽略，防止了岩石的温度通过热传导对入射杆和透射杆的产生影响，有效避免了温度对应力波传播的影响，可以实现高温状态下的岩石动态力学实验，测试精度高。

一种使用上述试验装置进行霍普金森杆岩样冲击试验的方法，包括如下步骤：

(1)展开左侧半球形罩体，入射杆穿过左侧半球形罩上的入射杆穿孔，展开右侧半球形罩体，透射杆穿过右侧半球形罩上的透射穿孔。

(2)将岩样夹持于入射杆及透射杆中间，将两侧半球形罩体扣合连接成一体，高速摄影机镜头放入侧边观察窗口内，将红外线测温仪和微波照射系统通过支架安装在防护罩外，红外线测温仪正对设有测温窗口，微波微波照射系统的喇叭口与微波馈入口对接，开启红外线测温仪，对SHPB装置中的子弹装置加压，设置要照射的时间或试验要达到的温度；

(3)开启微波照射系统，对岩石进行微波照射，根据设置的时间或岩石达到的指定温度，松开子弹阀门，对岩石进行冲击，粘接在入射杆和透射杆上的应变片以及红外线测温仪连接至数据采集系统，通过数据采集系统完成数据采集和数据处理。

(4)试验完成后，取下高速摄影机和红外线测温仪，抽出入射杆及透射杆，打开防护罩并收集岩屑，供后续测试分析；

(5)装置收纳：装置使用完毕后，按照图5反方向折叠收纳。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种霍普金森杆岩样冲击试验方法，其特征在于：利用霍普金森杆岩样冲击试验装置进行试验，该试验装置包括SHPB装置、高速摄影机和球形防护罩；

所述防护罩相对的两侧分别设有入射杆穿孔和透射杆穿孔，入射杆和透射杆分别从所述入射杆穿孔和透射杆穿孔伸入所述防护罩内将岩样夹持住，所述防护罩上还设有正对岩样的观察窗口，所述高速摄影机安装在所述观察窗口上；

所述防护罩包括一对相互扣合且能够收拢的半球形罩体，所述罩体包括半球形骨架和包裹于半球形骨架上的柔性拦截布；

还包括用于向球形防护罩内馈入微波的微波照射系统和用于对岩样的温度进行实时监测的温度监测系统，所述柔性拦截布的内表面上设有能够反射微波的微波反射层，所述岩样位于所述防护罩的中心处，所述防护罩上设有正对所述岩样的微波馈入口，所述微波照射系统的喇叭口与所述微波馈入口对接；

所述微波反射层为铝箔或金属粉末涂层，所述铝箔胶粘覆盖在整个防护罩的内表面；

该试验方法包括如下步骤：

（1）展开左侧半球形罩体，入射杆穿过左侧半球形罩上的入射杆穿孔，展开右侧半球形罩体，透射杆穿过右侧半球形罩上的透射杆穿孔；

（2）将岩样夹持于入射杆及透射杆中间，将两侧半球形罩体扣合连接成一体，高速摄影机镜头放入侧边观察窗口内，SHPB配套仪器调试完成后开始冲击试验；

（3）试验完成后，取下高速摄影机，抽出入射杆及透射杆，打开防护罩并收集岩屑，供后续测试分析；

（4）装置使用完毕后，将半球形罩体反方向折叠收纳。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述微波照射系统包括磁控管、与磁控管输出端连接的矩形波导、通过带有水负载的环形器与矩形波导连接的波导转换器、与波导转换器输出端连接且正对所述岩样的喇叭天线。

3.根据权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述温度监测系统包括设置于防护罩测温窗口一侧的红外热成像仪，所述红外热成像仪连接至SHPB装置的数据采集系统。

4.根据权利要求1-3任一项所述的试验方法，其特征在于：所述骨架包括若干沿其圆周方向间隔分布的弧形支撑杆，各支撑杆的一端通过第一销轴铰接连接，各支撑杆的另一端通过第二销轴铰接连接，所述第一销轴和第二销轴的轴线重合且过所述半球形骨架的球心。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于：所述拦截布与弧形支撑杆间通过铁丝固定。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于：其中一所述半球形罩体的沿开口端圆周方向均布有公按扣，另一所述半球形罩体的开口端上设有与所述公按扣相配合的母按扣。

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