CN110715865A - 脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统及方法 - Google Patents

脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统及方法，系统：包括霍普金森杆加载子系统、载荷位移测试子系统、试样子系统、天线测试子系统和电磁屏蔽子系统，试样表面贴设电极和应变片。方法：建立连接及电磁屏蔽；弹射撞击并触发示波器，由示波器输出入射波、透射波和反射波波形图，计算载荷、位移和加载率；由示波器输出试样的应变曲线、输出试样电极测定的表面电荷曲线；由示波器输出磁接收天线和电接收天线的电磁辐射波形图；确定出应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻力学和电磁响应的时间序列并计算裂纹扩展速度。该系统和方法能对脆性材料的力学和电磁响应特性进行同步测试，有助于精确研究脆性材料的动态断裂力学和电磁响应特点。

Description

脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统及方法
技术领域
本发明属于脆性材料测试技术领域，具体是一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统及方法。
背景技术
脆性材料如玻璃、陶瓷、岩石、煤、冰、半导体、无机盐等在断裂时，很容易产生电荷分离，分离电荷振荡能够产生不同频率的电磁响应。在工程实际上，脆性材料产生的失稳，是动力学灾害的重要成因之一。脆性材料动态断裂普遍存在于地震监测、采矿工程、爆破工程、防护工程等领域，本发明是一种研究脆性材料动态断裂的实时、远距离和非接触且行之有效的测试实验系统及方法。
对于脆性材料，需要从力学和电磁两个角度对其动态断裂的机理进行综合研究，才能准确地评价其特性。现有技术中，对于脆性材料的力学特性具有一些实验加载手段，而且测试精度有限，而对于脆性材料的电磁学响应测定的实验加载手段则较少，因此，现有技术并不能准确地研究脆性材料的特性。本发明是一项针对脆性材料动态断裂特性进行测量，精度较高且简单易行的方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统，该系统能对脆性材料的力学和电磁响应特性进行同步地测试，有助于精确研究脆性材料的动态断裂力学和电磁响应特性。
为了实现上述目的，本发明提供一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统，包括霍普金森杆加载子系统、载荷位移测试子系统、试样子系统、天线测试子系统和电磁屏蔽子系统；
所述霍普金森杆加载子系统包括由左到右依次同轴心设置的弹膛体、撞击杆、变截面杆、入射杆、透射杆、吸收杆和阻尼器；
所述载荷位移测试子系统包括入射杆应变片、透射杆应变片、超动态应变仪和高性能示波器；
所述试样子系统包括试样、试样应变片和试样电极；
所述天线测试子系统包括测定磁分量的磁接收天线和测定电分量的电接收天线；
所述电磁屏蔽子系统为法拉第电磁笼；
所述弹膛体具有轴向的弹膛，撞击杆滑动地装配于弹膛内，变截面杆过渡连接其左侧的外径较小的小圆柱段和其右侧的外径较大的入射杆并形成一个整体，吸收杆和阻尼器用于吸收传递多余的应力波能量；
所述入射杆应变片、透射杆应变片分别贴在入射杆与透射杆上；
所述试样由脆性材料制成，可用于多种断裂实验，试样夹持在入射杆与透射杆之间，所述试样应变片和试样电极布置在试样上，且位于应力波同时到达的对称两侧；
所述磁接收天线和电接收天线均布置在法拉第电磁笼内部，用于根据需要测定不同方向电磁辐射的磁分量和电分量；
所述法拉第电磁笼由铜网编织而成，设置在入射杆和透射杆之间，用于将试样、磁接收天线和电接收天线与外界电磁环境隔离；
入射杆应变片、透射杆应变片、试样应变片均通过同轴电缆线与超动态应变仪连接，超动态应变仪、试样电极、磁接收天线和电接收天线均通过同轴电缆线与高性能示波器连接。
作为一种优选，所述磁接收天线为环形天线，所述电接收天线为鞭状天线。
在该技术方案中，通过法拉第电磁笼和同轴电缆线的设置能将内外电磁环境隔离，能有效避免外界电磁环境的干扰。采用入射杆应变片、透射杆应变片测定应力波脉冲，采用试样应变片测定应变曲线；同时，采用试样电极测定试样表面电荷、磁接收天线测定磁分量、电接收天线测定电分量。在应力波通过入射杆应变片时，通过超动态应变仪产生的电压骤变触发高性能示波器，进而高性能示波器可以开始记录入射杆应变片、透射杆应变片、试样应变片等力学信号，还能同时记录试样电极、磁接收天线、电接收天线等电磁信号。通过布置在试样应力波同时到达的对称两侧的试样应变片和试样电极，能同时测量动态断裂产生的应变和表面电荷。本系统可以同时测定入射杆应变片、透射杆应变片、试样应变片的力学信号，以及试样电极、磁接收天线、电接收天线的电磁信号，能便于对多种力学和电磁信号的分析和对比，能准确清晰地区分开应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻的力学和电磁响应特征，可精确地确定出应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻力学和电磁响应的时间序列，还能结合试样和裂纹的尺寸，以及测得的裂纹扩展时间，计算出裂纹扩展速度，进而能精确有效地测定出脆性材料的动态断裂特性。该实验系统适用于试样的压缩、拉伸及断裂等多种形式的实验，并可实现对脆性材料张开型、剪切型和撕裂型以及复合形式的动态断裂特性进行实验研究。该系统能同时测定脆性材料动态断裂产生的力学和电磁响应特性，为研究脆性材料动态断裂力学和电磁学奠定了坚实的实验基础。
针对上述现有技术存在的问题，本发明还提供一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试方法，该方法能对脆性材料的力学和电磁响应特性进行同步地测试，能有助于准确地研究脆性材料的动态断裂力学和电磁响应特性。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试方法，包括如下步骤：
步骤一：将贴好试样应变片和试样电极的试样夹持在入射杆与透射杆之间，将入射杆应变片、透射杆应变片、试样应变片通过超动态应变仪连接到高性能示波器，将试样电极、磁接收天线和电接收天线连接到高性能示波器；密闭法拉第电磁笼，并将其用同轴电缆线接地，同时，将高性能示波器接地端接地；设置高性能示波器处于待触发状态；
步骤二：将撞击杆滑动地布置在弹膛体中，氮气瓶通过管路与弹膛体的气腔连接，打开气腔开关，高压氮气在弹膛体里迅速膨胀并弹射出撞击杆，撞击杆撞击变截面杆，产生的应力波依次通过入射杆、试样、透射杆、吸收杆和阻尼器；应力波通过入射杆应变片时，通过超动态应变仪产生的电压骤变触发高性能示波器，高性能示波器开始记录入射杆应变片、透射杆应变片和试样应变片的力学信号，同时开始记录试样电极、磁接收天线和电接收天线的电磁信号；
步骤三：通过超动态应变仪连接到的高性能示波器输出入射杆应变片、透射杆应变片和试样应变片的力学信号；通过高性能示波器输出试样电极、磁接收天线和电接收天线的电磁信号；
步骤四：将入射杆应变片测定的入射波和反射波，以及透射杆应变片测定的透射波对波头，通过透射波信号计算出试样两端载荷随时间的变化曲线，通过反射波信号计算出试样两端位移随时间的变化曲线，通过载荷随时间的变化曲线中载荷对时间的斜率计算出加载率；
步骤五：通过步骤三所测定的力学和电磁信号确定出应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻力学和电磁响应的时间序列，结合试样和裂纹的尺寸，以及测得的裂纹扩展时间，计算出裂纹扩展平均速度；通过步骤三得到的电磁辐射时域信号，经过Matlab软件进行快速傅里叶变换编程，得到电磁辐射频域信号。通过天线测试子系统的布置确定电磁辐射方位。
改变高压氮气压力，弹射出不同速度的撞击杆，重复步骤一至步骤五，得到不同加载率下的力学和电磁响应。
本方法在霍普金森杆加载条件下测定力学响应的基础上，实现了电磁响应的同步测定，提出了一种针对脆性材料动态断裂的新型研究方法。本方法能精确地区分开应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻的力学和电磁响应特征，结合试样和裂纹的尺寸，以及测得的裂纹扩展时间，可计算出裂纹扩展速度。本方法可以研究在不同加载率下脆性材料动态断裂产生的电磁辐射频率、方位、幅值等时空强特性与加载率、裂纹扩展速度等力学量之间的关系。本方法有效解决了触发、屏蔽和滤波等技术难题。本方法适用于多种脆性材料如玻璃、陶瓷、岩石、煤、冰、半导体、无机盐的动态断裂的力学和电磁响应的测定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明花岗岩动态巴西圆盘实验岩样布置示意图；
图3是花岗岩动态巴西圆盘实验中入射波、透射波和反射波的应力波形图；
图4是花岗岩动态巴西圆盘实验中试样中心的应变曲线图；
图5是花岗岩动态巴西圆盘实验中试样电极表面电荷曲线图；
图6是花岗岩动态巴西圆盘实验中磁接收天线测定的电磁辐射波形图；
图7是花岗岩动态巴西圆盘实验中电接收天线测定的电磁辐射波形图；
图8是花岗岩动态巴西圆盘实验中磁接收天线的时域信号波形图；
图9是花岗岩动态巴西圆盘实验中磁接收天线的频域信号分布图；
图10是不同加载率下花岗岩动态断裂产生电磁辐射强度峰值电压与裂纹扩展速度的关系图。
图中：1、弹膛体，2、撞击杆，3、变截面杆，4、入射杆，5、透射杆，6、吸收杆，7、阻尼器，8、入射杆应变片，9、透射杆应变片，10、超动态应变仪，11、高性能示波器，12、试样，13、试样应变片，14、试样电极，15、磁接收天线，16、电接收天线，17、法拉第电磁笼。
具体实施方式
具体以花岗岩的动态巴西圆盘实验为例，结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统，包括霍普金森杆加载子系统、载荷位移测试子系统、试样子系统、天线测试子系统和电磁屏蔽子系统；
所述霍普金森杆加载子系统包括由左到右依次同轴心设置的弹膛体1、撞击杆2、变截面杆3、入射杆4、透射杆5、吸收杆6和阻尼器7；
所述载荷位移测试子系统包括入射杆应变片8、透射杆应变片9、超动态应变仪10和高性能示波器11；
所述试样子系统包括试样12、试样应变片13和试样电极14；
所述天线测试子系统包括测定磁分量的磁接收天线15和测定电分量的电接收天线16；
所述电磁屏蔽子系统为法拉第电磁笼17；
所述弹膛体1具有轴向的弹膛，撞击杆2滑动地装配于弹膛内，变截面杆3过渡连接其左侧的外径较小的小圆柱段和其右侧的外径较大的入射杆4并形成一个整体，吸收杆6和阻尼器7用于吸收传递多余的应力波能量；
所述入射杆应变片8、透射杆应变片9分别贴在入射杆4与透射杆5上，可以根据实际情况布置在适当位置；
所述试样12由脆性材料制成，可用于多种断裂实验，试样12夹持在入射杆4与透射杆5之间，所述试样应变片13和试样电极14布置在试样12上，且位于应力波同时到达的对称两侧，如图2所示；
所述磁接收天线15和电接收天线16均布置在法拉第电磁笼19内部，用于根据需要测定不同方向电磁辐射的磁分量和电分量；
所述法拉第电磁笼17由铜网编织而成，设置在入射杆4和透射杆5之间，用于将试样12、磁接收天线15和电接收天线16与外界电磁环境隔离；
入射杆应变片8、透射杆应变片9、试样应变片13均通过同轴电缆线与超动态应变仪10连接，超动态应变仪10、试样电极14、磁接收天线15和电接收天线16均通过同轴电缆线与高性能示波器11连接。
一种脆性材料断裂的力学和电磁响应同步测试实验的方法，包括如下步骤：
步骤一：将贴好试样应变片13和试样电极14的试样12夹持在入射杆4与透射杆5之间，将入射杆应变片8、透射杆应变片9、试样应变片13通过超动态应变仪10连接到高性能示波器11，将试样电极14、磁接收天线15和电接收天线16连接到高性能示波器11；密闭法拉第电磁笼17，并将其用同轴电缆线接地，同时，将高性能示波器11接地端接地；设置高性能示波器11的处于待触发状态；
步骤二：将撞击杆2滑动地布置在弹膛体1中，氮气瓶通过管路与弹膛体1的气腔连接，打开气腔开关，高压氮气在弹膛体1里迅速膨胀并弹射出撞击杆2，撞击杆2撞击变截面杆3，产生的应力波依次通过入射杆4、试样12、透射杆5、吸收杆6和阻尼器7；应力波通过入射杆应变片8时，通过超动态应变仪10产生的电压骤变触发高性能示波器11，高性能示波器11开始记录入射杆应变片8、透射杆应变片9、试样应变片13等力学信号，同时开始记录试样电极14、磁接收天线15、电接收天线16等电磁信号；
步骤三：通过超动态应变仪10连接到的高性能示波器11输出入射杆应变片8、透射杆应变片9、试样应变片13等力学信号；通过高性能示波器11输出试样电极14、磁接收天线15、电接收天线16等电磁信号。可以通过Matlab编程软件的小波分析程序对信号进行滤波处理。
图3为入射杆应变片8、透射杆应变片9测定入射波、反射波和透射波信号；
图4为试样应变片13测得的试样应变信号；
图5为试样电极14测得的表面电荷信号，如图5所示，结合力学信号可以确定出花岗岩动态断裂产生的电荷和压电效应产生的表面电荷；
图6为磁接收天线15测定的电磁辐射磁分量信号，本实验用的是环形天线，根据实际需要可测量不同方向磁分量，图6测定的是x方向磁分量；
图7为电接收天线16测定的电磁辐射电分量信号，本实验用的是鞭状天线，根据实际需要可测量不同方向的电分量，图7测定的是y方向电分量；
步骤四：将入射杆应变片8测定的入射波和反射波，以及透射杆应变片9测定的透射波对波头，通过透射波信号计算出试样两端载荷随时间的变化曲线，通过反射波计算出试样两端位移随时间的变化曲线，通过载荷随时间的变化曲线中载荷对时间的斜率计算出加载率；
入射杆应变片8和透射杆应变片9测定了入射波、反射波和透射波三个应力波脉冲。脆性材料试样左端所受的力为F1，右端所受的力为F2。通过对波头，可以确定F1＝F2，保证了试样动态断裂时，试样两端是受力平衡的。通过透射波信号可计算出试样两端载荷F＝F1＝F2＝SBEBεt，通过反射波信号并积分可计算出试样两端的位移δ＝∫(v2-v1)dt＝2cB∫εr(t)dt，从而得到试样载荷位移曲线，载荷随时间的变化曲线中载荷对时间的斜率计算出加载率。式中，SB、EB、εt、εr分别是杆的截面积、弹性模量、透射波应变和反射波应变。
步骤五：通过步骤三所测定的力学和电磁信号的分析和对比，结合实验系统和试样的尺寸，可精确确定出应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻力学和电磁响应的时间序列，结合试样和裂纹的尺寸，以及测得的裂纹扩展时间，可计算出裂纹扩展平均速度。如图8所示，电磁辐射时域信号可分为裂纹扩展段和弱阻尼振荡段，裂纹扩展段的持续时间为32.2μs，裂纹尺寸为25mm，裂纹扩展速度为776m/s。通过步骤三得到的电磁辐射时域信号，经过Matlab软件进行快速傅里叶变换编程，可得到电磁辐射频域信号，如图9所示；通过天线系统的布置确定电磁辐射方位。
步骤六：改变高压氮气压力，弹射出不同速度的撞击杆2，重复步骤一至步骤五，得到不同加载率下的力学和电磁响应。通过多次不同加载率下的实验研究，可以研究在不同加载率下脆性材料动态断裂产生的电磁辐射频率、方位、强度等时空强特性与加载率、裂纹扩展速度等力学量之间的关系。如图10所示，花岗岩的动态巴西圆盘实验环形天线所测定的电磁辐射强度输出电压峰值与裂纹扩展速度成正相关关系。
本方法在霍普金森杆加载条件下测定力学响应的基础上，实现了电磁响应的同步测定，提出了一种针对脆性材料动态断裂的新型研究方法。本方法能精确地区分开应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻的力学和电磁响应特征，结合试样和裂纹的尺寸，以及裂纹扩展时间，可计算出裂纹扩展速度。本方法可以研究在不同加载率下脆性材料动态断裂产生的电磁辐射频率、方位、幅值等时空强特性与加载率、裂纹扩展速度等力学量之间的关系。本方法有效解决了触发、屏蔽和滤波等技术难题。本方法适用于多种脆性材料如玻璃、陶瓷、岩石、煤、冰、半导体、无机盐的动态断裂的力学和电磁响应的测定。
通过本申请中的系统和方法可以同时测定脆性材料动态断裂产生的力学和电磁响应特性，能为研究脆性材料动态断裂力学和电磁学特性提供可靠的实验途径。

Claims (4)

1.一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统，包括霍普金森杆加载子系统、载荷位移测试子系统、试样子系统、天线测试子系统和电磁屏蔽子系统；
其特征在于：
所述霍普金森杆加载子系统包括由左到右依次同轴心设置的弹膛体(1)、撞击杆(2)、变截面杆(3)、入射杆(4)、透射杆(5)、吸收杆(6)和阻尼器(7)；
所述载荷位移测试子系统包括入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)、超动态应变仪(10)和高性能示波器(11)；
所述试样子系统包括试样(12)、试样应变片(13)和试样电极(14)；
所述天线测试子系统包括测定磁分量的磁接收天线(15)和测定电分量的电接收天线(16)；
所述电磁屏蔽子系统为法拉第电磁笼(17)；
所述弹膛体(1)具有轴向的弹膛，撞击杆(2)滑动地装配于弹膛内，变截面杆(3)过渡连接其左侧的外径较小的小圆柱段和其右侧的外径较大的入射杆(4)并形成一个整体，吸收杆(6)和阻尼器(7)用于吸收传递多余的应力波能量；
所述入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)分别贴在入射杆(4)与透射杆(5)上；
所述试样(12)由脆性材料制成，可用于多种断裂实验，试样(12)夹持在入射杆(4)与透射杆(5)之间，所述试样应变片(13)和试样电极(14)布置在试样(12)上，且位于应力波同时到达的对称两侧；
所述磁接收天线(15)和电接收天线(16)均布置在法拉第电磁笼(19)内部，用于根据需要测定不同方向电磁辐射的磁分量和电分量；
所述法拉第电磁笼(17)由铜网编织而成，设置在入射杆(4)和透射杆(5)之间，用于将试样(12)、磁接收天线(15)和电接收天线(16)与外界电磁环境隔离；
入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)、试样应变片(13)均通过同轴电缆线与超动态应变仪(10)连接，超动态应变仪(10)、试样电极(14)、磁接收天线(15)和电接收天线(16)均通过同轴电缆线与高性能示波器(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统，其特征在于，所述磁接收天线(15)为环形天线，所述电接收天线(16)为鞭状天线。
3.一种利用权利要求1或2所述的一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试系统进行实验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将贴好试样应变片(13)和试样电极(14)的试样(12)夹持在入射杆(4)与透射杆(5)之间，将入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)、试样应变片(13)通过超动态应变仪(10)连接到高性能示波器(11)，将试样电极(14)、磁接收天线(15)和电接收天线(16)连接到高性能示波器(11)；密闭法拉第电磁笼(17)，并将其用同轴电缆线接地，同时，将高性能示波器(11)接地端接地；设置高性能示波器(11)处于待触发状态；
步骤二：将撞击杆(2)滑动地布置在弹膛体(1)中，氮气瓶通过管路与弹膛体(1)的气腔连接，打开气腔开关，高压氮气在弹膛体(1)里迅速膨胀并弹射出撞击杆(2)，撞击杆(2)撞击变截面杆(3)，产生的应力波依次通过入射杆(4)、试样(12)、透射杆(5)、吸收杆(6)和阻尼器(7)；应力波通过入射杆应变片(8)时，通过超动态应变仪(10)产生的电压骤变触发高性能示波器(11)，高性能示波器(11)开始记录入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)和试样应变片(13)的力学信号，同时开始记录试样电极(14)、磁接收天线(15)和电接收天线(16)的电磁信号；
步骤三：通过超动态应变仪(10)连接到的高性能示波器(11)输出入射杆应变片(8)、透射杆应变片(9)和试样应变片(13)的力学信号；通过高性能示波器(11)输出试样电极(14)、磁接收天线(15)和电接收天线(16)的电磁信号；
步骤四：将入射杆应变片(8)测定的入射波和反射波，以及透射杆应变片(9)测定的透射波对波头，通过透射波信号计算出试样两端载荷随时间的变化曲线，通过反射波信号计算出试样两端位移随时间的变化曲线，通过载荷随时间的变化曲线中载荷对时间的斜率计算出加载率；
步骤五：通过步骤三所测定的力学和电磁信号确定出应力波到达时刻、断裂起始和结束时刻力学和电磁响应的时间序列，结合试样和裂纹的尺寸，以及测得的裂纹扩展时间，计算出裂纹扩展平均速度；通过步骤三得到的电磁辐射时域信号，经过Matlab软件进行快速傅里叶变换编程，得到电磁辐射频域信号；通过天线测试子系统的布置确定电磁辐射方位。
4.根据权利要求3所述的一种脆性材料动态断裂的力学和电磁响应同步测试方法，其特征在于：
改变高压氮气压力，弹射出不同速度的撞击杆(2)，重复步骤一至步骤五，得到不同加载率下的力学和电磁响应。
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