CN111366479A - 一种动态冲击加载的同步实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态冲击加载的同步实验系统及方法，包括高速摄影相机，数据处理中心，超动态应变仪，数据采集器，白色光源，光弹性光路、焦散线光路，信号线，信号分线器，滤波片等；该系统综合了三种实验系统方法的优点，利用动态光弹性实验方法结合焦散线实验方法及应变片电测系统同步分析岩石断裂行为，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。

Description

一种动态冲击加载的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，具体涉及一种动态冲击断裂力学的研究，对岩石及岩石类材料在动态冲击加载下裂尖的应力场变化、裂纹贯穿类型、裂纹贯穿机理的实验系统及方法。
背景技术
研究并了解岩石类材料动力学性质一直是本行业领域内热点话题，对工程结构的安全性设计具有非常重要的意义。研究冲击荷载作用下岩石内运动裂纹发展过程，预制裂缝裂尖应力场的变化，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结合光学焦散线及应变片电测方法同步研究分析岩石材料中运动裂纹应力场变化、应力强度因子及裂纹的贯穿机理的研究尚未进行。动态冲击研究中依然存在许多问题，例如实验结果不稳定、难对比分析等。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。结合三种方法同步进行实验能够显示其各自的优点：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；动态焦散线方法观测裂纹尖端的应力信息，研究裂纹尖端应力场变化；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。
结合三种方法的优点，获得运动裂纹扩展过程中的力学参数，通过综合对比、分析上述三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
本发明针对现有实验方法的不足，提供了一种可同步利用动态光弹性方法、焦散线方法及应变片电测方法研究岩石材料运动裂纹起裂和贯穿机理的实验系统。该系统综合了三种实验方法的优点，能够同时利用不同方法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、应变场变化等信息，通过综合对比分析三种方法同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究冲击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：
一种动态冲击加载的同步实验系统，包括数据处理中心1，数据处理中心2，数据处理中心3，高速摄像机4，高速摄像机5，超动态应变仪6，数据采集卡7，实验加载台8，光源调节器9，白色光源10，光弹性光路、焦散线光路12-20，信号线21、23，地面22，信号分线器24，滤波片25；其中，实验加载装置8包括落锤801，冲击头802，试件803，应变片804，试件支架805。实验开始时，将落锤801上升到加载台最高位置使其自由落体，对冲击头802施加荷载，冲击头对试件803进行冲击产生运动裂纹；落锤801和冲击头802上方连接信号线，在数据处理中心1、数据处理中心2、数据处理中心3中分别设置高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6的触发模式为外触发，当落锤801接触冲击头802的瞬间电路闭合产生电信号，电信号通过信号分线器24同步传递触发高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6，数据处理中心1-3开始采集数据。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，应变片804通过桥盒11与超动态应变仪6相连，同时桥盒11连接地面22，防止杂波干扰；超动态应变仪6与数据采集卡7连接，数据采集卡7连接数据处理中心1。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，光弹性光路系统呈直线型，包括白色光源10，扩束镜12，第一凸透镜13，第一偏振片14，第一四分之一波片15，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19；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803中心、超高速摄影相机4镜头中心；第一偏振片14与第二偏振片18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15、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片14、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜12位于第一凸透镜13的焦点处，超高速摄影相机4镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将超高速摄影相机4与数据处理中心3连接，调节超高速摄影相机4镜头对焦至试件表面，超高速摄像机4镜头前方安装有滤波片25，过滤白色光源10发出的不同波长的光，只允许一种拍摄一种波长的光穿透的试件，调节白光源10直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机4的触发方式为外触发。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，焦散线光路系统呈直角型，利用分光镜16将光弹性光路的一部分光线分离，不改变原光线及分离后光线的性质，原光线继续产生光弹条纹，分离后的光路用于产生焦散斑图片；分光镜16与光弹性光路呈45°角，光路经折射到达第三凸透镜20，超高速摄像机5镜头中心位于第三凸透镜20的焦点处，用信号线将超高速摄影相机5与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机5镜头对焦至试件表面试件前方一定距离Z0处，设定超高速摄像机5的触发方式为外触发。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，实验开始之前调整好光弹性光路和焦散线光路，连接好应变电测系统，整个实验过程中不得触碰光弹性光路器械及连接在一起的信号线，防止光路发生改变、信号干扰而提前触发系统影响实验，设置数据处理中心2、3各项计算参数，调整视场区域，设置高速摄影相机4、高速摄像机5、超动态应变仪6为至“等待触发”状态。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，通过改变试件803的试件尺寸，预制裂纹角度、裂纹长度，研究试件803中不同类型裂纹的扩展贯穿机理；通过改变粘贴应变片804的位置、角度、数量，获得不同应变数据与光弹条纹图片、焦散斑图片进行对比研究。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，信号分线器24将落锤801与冲击头802接触瞬间的电信号同步传递给高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6，信号分线器24的作用只是对电信号进行分流，不改变电信号的性质，达到同步触发三种实验系统的目的。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，信号线23的长度、电阻等物理参数都相同，降低电信号传递过程微弱损耗的误差影响，信号线21的物理参数也相同。
所述的一种动态冲击加载的同步实验系统，高速摄像机4与高速摄像机5型号相同，两者之间并联连接，由于型号参数相同，同种电信号传递对他们的触发方式也相同，保证同步触发的时效性。
附图说明
图1为本发明实验系统结构图；
图2为实验加载台8正面视图；
图3为同步测试模块实施流程图。
附图标记说明
1-3、数据处理中心，4-5、高速摄像机，6、超动态应变仪，7、数据采集卡，8、实验加载台，9、光源调节器，10、白色光源，11、桥盒，12、扩束镜，13、第一凸透镜，14、第一偏振片，15、第一四分之一波片，16、分光镜，17第二四分之一波片，18、第二偏振片，19、第二凸透镜，20、第三凸透镜，21、信号线，22、地面，23、信号线，24、信号分线器，25、滤波片25；
801、落锤，802、冲击头，803、试件，804、应变片，805、试件支架。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1，一种动态冲击加载的同步实验系统，包括数据处理中心1-3，高速摄像机4、5，超动态应变仪6，数据采集卡7，实验加载台8，光源调节器9，白色光源10，光弹性光路、焦散线光路12-20，信号线21、23，地面22，信号分线器24，滤波片25；其中，实验加载装置8包括落锤801，冲击头802，试件803，应变片804，试件支架805。
参考图1，所述的应变片电测系统，应变片804通过桥盒11与超动态应变仪6相连，同时桥盒11连接地面22，防止杂波干扰；超动态应变仪6与数据采集卡7连接，数据采集卡7连接数据处理中心1。
参考图1，所述的光弹性光路系统呈直线型，包括白色光源10，扩束镜12，第一凸透镜13，第一偏振片14，第一四分之一波片15，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19；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803中心，超高速摄影相机4镜头中心；第一偏振片14与第二偏振片18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15、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片14、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜12位于第一凸透镜13的焦点处，超高速摄影相机4镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将超高速摄影相机4与数据处理中心3连接，调节超高速摄影相机4镜头对焦至试件表面，超高速摄像机4镜头前方安装有滤波片25，过滤白色光源10发出的不同颜色的光，只允许拍摄一种颜色光穿透的试件，调节白光源10直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机4的触发方式为外触发。
参考图1，所述的焦散线光路系统呈直角型，利用分光镜16将光弹性光路的一部分光线分离，不改变原光线及分离后光线的性质，原光线继续产生光弹条纹，分离后的光路用于产生焦散斑图片；分光镜16与光弹性光路呈45°角，光路经折射到达第三凸透镜20，高速摄像机5镜头中心位于第三凸透镜20的焦点处，用信号线将超高速摄影相机5与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机5镜头对焦至试件表面试件前方一定距离Z0处，调节白光源10直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机5的触发方式为外触发。
参考图2，所述的冲击实验系统，通过改变落锤801所处的高度，可以改变冲击头802对试件803施加载荷的大小和加载率。
参考图2，所述的冲击实验系统，根据实验所需图片的分辨率可以根据改变光弹板材料的配比适当调整试件802的透明程度，从而提高实验结果的测量精度。
参考图2，所述的冲击实验系统，可将落锤冲击加载装置更换为伺服液压机，对冲击头802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。
参考图3，所述的冲击实验系统，利用动态光弹性实验方法结合焦散线实验方法及应变片电测系统同步分析岩石断裂行为，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。
参考图3，所述的冲击实验系统，将高速摄影相机4记录的光弹条纹系列图片导入数据处理中心3，将高速摄影相机5记录的焦散斑系列图片导入数据处理中心2，将数据采集卡7记录的应变数据导入数据处理中心1，能够同时判断光弹条纹类型(I型、II型、混合型)，焦散斑类型(I型、II型、复合型)，应变片采集的电信号随时间的变化，然后通过不同方法计算出裂纹尖端应力强度因子、各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度。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。
本发明的一种动态冲击加载的同步实验系统，其具体操作方法是：
S1、如图2所示，根据实验要求对试件803进行预制加工，在试件上提前粘贴应变片，所述应变片有不同的数量及粘贴角度。
S2、安装试件至如图1所示位置，调试动态光弹性光路系统，所述光弹性光路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，距试件由远及近依次为白色光源10、扩束镜12、第一凸透镜13、第一偏振片14、第一四分之一波片15；试件另一侧高速摄影相机4镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该直线穿过试件中心，距试件由远及近依次为超高速摄影相机4、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17；第一偏振片14与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片15、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片15、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片14、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜12位于第一凸透镜13的焦点处，高速摄影相机4镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将高速摄影相机与数据处理中心3连接，调节超高速摄影相机4镜头对焦至试件表面，在高速摄影相机镜头前安装滤波片，调节白色光源5直至试件区域清晰可见，设定高速摄像机4的触发方式为外触发。
S3、调试焦散线光路试验系统，利用分光镜16将光弹性光路的一部分光线分离，不改变原光线及分离后光线的性质，原光线继续产生光弹条纹，分离后的光路用于产生焦散斑图片；分光镜16与光弹性光路呈45°角，光路经折射到达第三凸透镜20，超高速摄像机5镜头中心位于第三凸透镜20的焦点处，用信号线将超高速摄影相机5与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机5镜头对焦至试件表面，调节白光源10直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机5的触发方式为外触发。
S4、调试应变电测系统，应变片804通过桥盒11与超动态应变仪6相连，同时桥盒11连接地面22，防止杂波干扰；超动态应变仪6与数据采集卡7连接，数据采集卡7连接数据处理中心1。
S5、在数据处理中心1-3中设置高速摄影相机4、5、电测系统为“等待触发”状态，并设置各项计算参数，选取裂纹视场区域。
S6、控制实验加载台开始加载，使落锤801下落，撞击冲击头802，对试件803施加荷载，在试件803裂纹尖端开始产生运动裂纹，撞击过程瞬间同时触发三种系统开始采集数据。
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)

1.一种动态冲击加载的同步实验系统及方法，其特征在于：包括数据处理中心1，数据处理中心2，数据处理中心3，高速摄像机4，高速摄像机5，超动态应变仪6，数据采集卡7，实验加载台8，光源调节器9，白色光源10，光弹性光路、焦散线光路12-20，信号线21、23，地面22，信号分线器24，滤波片25；其中，实验加载装置8包括落锤801，冲击头802，试件803，应变片804，试件支架805。
2.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于：实验开始时，将落锤801上升到加载台最高位置使其自由落体，对冲击头802施加荷载，冲击头对试件803进行冲击产生运动裂纹；落锤801和冲击头802上方连接信号线，在数据处理中心1、数据处理中心2、数据处理中心3中设置高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6的触发模式为外触发，当落锤801接触冲击头8002的瞬间电路闭合产生电信号，电信号通过信号分线器24同步传递触发高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6，数据处理中心1-3开始采集数据。
3.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于：焦散线光路系统呈直角型，利用分光镜16将光弹性光路的一部分光线分离，不改变原光线及分离后光线的性质，原光线继续产生光弹条纹，分离后的光路用于产生焦散斑图片。
4.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于：信号分线器24将落锤801与冲击头802接触瞬间的电信号同步传递给高速摄像机1、高速摄像机2、超动态应变仪6，信号分线器24的作用只是对电信号进行分流，不改变电信号的性质，达到同步触发三种实验系统的目的。
5.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于：高速摄像机4与高速摄像机5型号相同，两者之间并联连接，由于型号参数相同，同种电信号传递对他们的触发方式也相同，保证同步触发的时效性。
6.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于：高速摄像机4镜头前方安装有滤波片25，过滤白色光源10发出的不同波长的光，只允许拍摄一种波长的光穿透的试件。
7.根据权利要求1所述的同步实验系统及方法，其特征在于，具体操作方法是：
S1、如图2所示，根据实验要求对试件803进行预制加工，在试件上提前粘贴应变片，所述应变片有不同的数量及粘贴角度。
S2、安装试件至如图1所示位置，调试动态光弹性光路系统，所述光弹性光路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，用信号线将高速摄影相机与数据处理中心3连接，调节高速摄影相机4镜头对焦至试件表面，在高速摄影相机镜头前安装滤波片25，调节白色光源5直至试件区域清晰可见，设定高速摄像机4的触发方式为外触发。
S3、调试焦散线光路试验系统，利用分光镜16将光弹性光路的一部分光线分离，不改变原光线及分离后光线的性质，原光线继续产生光弹条纹，分离后的光路用于产生焦散斑图片；分光镜16与光弹性光路呈45°角，光路经折射到达第三凸透镜20，超高速摄像机5镜头中心位于第三凸透镜20的焦点处，用信号线将超高速摄影相机5与数据处理中心2连接，调节超高速摄影相机5镜头对焦至试件表面，调节白光源10直至试件区域清晰可见，设定超高速摄像机5的触发方式为外触发。
S4、调试应变电测系统，应变片804通过桥盒11与超动态应变仪6相连，同时桥盒11连接地面22，防止杂波干扰；超动态应变仪6与数据采集卡7连接，数据采集卡7连接数据处理中心1。
S5、在数据处理中心1-3中设置高速摄影相机4、5、电测系统为“等待触发”状态，并设置各项计算参数，选取裂纹视场区域。
S6、控制实验加载台开始加载，使落锤801下落，撞击冲击头802，对试件803施加荷载，在试件803裂纹尖端开始产生运动裂纹，撞击过程瞬间同时触发三种系统开始采集数据。
8.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结合焦散线实验方法及应变片电测系统同步分析岩石断裂行为，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。
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