CN111398071A - 动态加载光测-电测混合实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态加载光测‑电测混合实验系统及方法，包括光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件加载台(7)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，凸透镜3(13)，高速相机1(14)，高速相机2(15)，超动态应变仪(21)，数据采集仪(22)，桥盒(16‑20)，触发应变片(25)，应变片，信号线；该系统将透射式光弹法，透射式焦散线法，数字散斑法以及电测法这四种方法有效地结合在一起，综合了光测法及软件计算的优点，能够同时准确地获得动态条件下裂纹运动全过程的应变，动态应力强度因子，裂纹起裂韧度变化，起裂、扩展、止裂速度以及动态能量释放率等。通过对四种方法同时测得的实验结果进行对比分析，能够更加精准、全面、系统和科学地研究各种动态加载条件下样本瞬态破坏的裂纹扩展规律。
Description
技术领域
本发明涉及实验力学专业领域的动态断裂力学实验方法，尤其涉及动态加载下裂纹的起裂、扩展及相互干涉全过程的研究。
背景技术
在轨道交通工程、隧道工程以及矿山开采工程等工程项目中，工程材料的稳定性对工程的安全有着十分重要的影响。工程材料的动态破坏在多重条件作用下是一个多变且复杂的过程。研究材料在动态条件下的破坏机理，分析裂纹起裂扩展的应力应变场以及起裂韧度、扩展韧度等多项力学参数，总结动态加载下材料的动态断裂力学特性，能够为今后的工程实践提供良好的理论基础。
实验室常见的动态加载方式包括落锤加载、霍普金森杆冲击以及爆破加载等。其中，落锤加载简单方便，可操作性强且易于进行重复性实验。目前国内外学者对各种材料的动态断裂特性研究已经取得一定成果，然而对岩石等材料在受损前至完全破坏的动态断裂机理尚未完全清楚。一方面受制于岩石或岩石类材料的自身特性，如不透光性；另一方面，单独使用某一种实验方法研究材料的断裂特征具有片面性，不能获得充足的实验数据，且动态破坏过程具有瞬时性，不易捕捉，更不易分析。透射式光弹法及透射式焦散线法都能直观地观测到裂纹的扩展及裂纹尖端应力应变场，其缺点在于研究材料需具备良好的透光性。电测法及数字散斑法对试件能否透光的特性要求不高，通过计算机计算可以快速获得应变场位移场，却无法直接观测到裂尖位置，具有较大的误差。本系统将上述四种方法结合，合理运用四种方法的优点，能够获得多种实验数据，进行综合比对及分析，对动态断裂力学的实验研究发展有着重大的意义。
发明内容
本发明公开了一种动态加载光测-电测混合实验系统及方法，该系统将透射式光弹法，透射式焦散线法，数字散斑法以及电测法这四种方法有效地结合在一起，综合了光测法及软件计算的优点，能够同时准确地获得动态加载条件下裂纹运动全过程的动态应力应变曲线，动态应力强度因子，裂纹起裂韧度变化，起裂、扩展、止裂速度以及动态能量释放率等。通过对四种方法同时测得的实验结果进行对比分析，能够更加精准、全面、系统和科学地研究各种动态加载条件下样本瞬态破坏的裂纹扩展规律。
本发明具体内容如下：
一种动态加载光测-电测混合实验系统，包括光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件加载台(7)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，凸透镜3(13)，高速相机1(14)，高速相机2(15)，超动态应变仪(21)，数据采集仪(22)，桥盒(16-20)，触发应变片(25)，试件(27)，应变片，信号线。
所述的实验系统，在实验开始前，将两台电脑设置为接受断通信号或电信号为触发信号。当动态加载实验为落锤冲击时采用断通信号触发，试件加载台(7)上落锤与试件(27)接触时，断路转变成为通路，此时由断到通的信号变化经触发线(26)同时触发高速相机1(14)和高速相机2(15)开始高速拍摄，此时高速相机1(14)发出触发信号由信号线传输给闪光灯(8)控制其闪光时刻与高速相机1(14)拍摄时段相匹配，试件(27)在动态冲击下使触发应变片(25)发生变形产生电信号，由信号线经桥盒传输至超动态应变仪(21)，由超动态应变仪(21)采集电测数据并将其存储于数据采集仪(22)中，再通过电脑1(23)将电信号提取出来。当动态冲击实验为爆破加载时采用电信号触发，在炸药药包附近贴触发应变片(25)，当药包爆炸瞬间，触发应变片(25)产生电信号经触发线(26)输出，其余过程与断通信号触发一致。
所述的实验系统，根据透射式光弹法的原理，不同频率的光会在不同的位置产生明暗相交的条纹，多种频率的光产生的条纹相互叠加，将不利于光弹条纹的准确观测，进而影响实验数据的准确分析，滤波片(2)将光源器(1)产生的白光过滤为单色光，使实验系统中的光频固定为某一个数值。对于观测光弹条纹，进行下一步的精准分析具有十分重要的意义。
所述的实验系统，将光测与电测的四种实验方法相结合，同步记录试件在动态加载条件下裂纹的断裂过程，采集相关实验数据。
所述的实验系统，利用数字散斑和光弹条纹成像于同一平面，用高速相机1(14)完成数字散斑法和透射式光弹法两种实验的同步结合。
所述的实验系统，由于焦散线成像在试件平面外，利用分光镜(9)从主光路中分出一支光路单独调节，从而达到用高速相机1(14)、高速相机2(15)完成数字散斑法、透射式光弹法、透射式焦散线法三种实验方法的同步结合。
根据任意所述的动态加载光测-电测混合实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据系统特性准备试件。准备具有双折射性的透光材料，用透明胶布沿长边的对称线包裹试件一侧，用细砂纸轻轻打磨未包裹的一侧，然后对未包裹的一侧先喷上一层薄薄的白漆，待白漆干透后，再将黑漆以雾状均匀喷洒，待黑漆干透后，试件(27)未包裹的一侧表面形成了均匀的散斑(28)。再在喷斑的这一侧另外一面贴上应变片，贴片位置应经过计算后准确测量再行贴片，过远或过近都会影响数据的准确性。贴片前先用无纺布蘸取酒精轻拭，再取适量应变片粘贴剂均匀覆盖需要粘贴的位置，放上应变片后应手压至少10秒，确认应变片已被固定后再继续贴下一片。应变片粘贴完毕后，取掉包裹另一侧的透明胶带。
其次，调试整个光路系统。保证主光路上光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件(27)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，高速相机1(14)在同一条线上，且滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)的镜面相互平行，均处于竖直方向。分光镜(9)位于试件(27)和四分之一波片2(10)之间，分光镜(9)镜面与主光路光线入射方向夹角为45°，利用分光镜(9)使部分平行光发生偏转，产生副光路，通过凸透镜3(13)将光线汇聚到高速相机2(15)中。偏振片1(5)与偏振片2(11)的偏振轴应为垂直或者平行，四分之一波片1(6)的快慢轴应与偏振片1(5)的偏振轴呈45度夹角，四分之一波片2(10)的快轴与慢轴应分别与四分之一波片1(6)的慢轴与快轴重合，高速相机1(14)应将焦距调节至试件(27)表面，高速相机2(15)应将焦距调节至试件(27)前方一定位置。
然后，将闪光灯(8)与高速相机1(14)用信号线相连接。
然后，连接电测系统。将应变片通过信号线分别连接至桥盒(16-20)，再从桥盒(16-20)用信号线连接出来按顺序接到超动态应变仪(21)的多个通道上，再通过信号线连接到数据采集仪(22)上，再通过信号线连接数据采集仪(22)和电脑1(23)。
然后将电脑1(23)和电脑2(24)设置为待触发状态，试件(27)中产生裂纹，两台相机被触发的同时传递触发信号至两台电脑，两台电脑自动记录透射式光弹数据，透射式焦散线数据，电测数据和数字散斑数据。
附图说明
图1为本发明实验系统图；
图2为本发明试件示意图。
附图标记说明
1、光源器，2、滤波片，3、扩束镜，4、凸透镜1，5、偏振片1，6、四分之一波片1，7、试件加载台，8、闪光灯，9、分光镜，10、四分之一波片2，11、偏振片2，12、凸透镜2，13、凸透镜3，14、高速相机1，15、高速相机2，16-20、桥盒，21、超动态应变仪，22、数据采集仪，23、电脑1，24、电脑2，25、触发应变片，26、触发线，27、试件，28、散斑。
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、图2，一种动态加载光测-电测混合实验系统及方法，包括光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件加载台(7)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，凸透镜3(13)，高速相机1(14)，高速相机2(15)，超动态应变仪(21)，数据采集仪(22)，桥盒(16-20)，触发应变片(25)，试件(27)，应变片，信号线。
所述的实验系统，在实验开始前，将两台电脑设置为接受断通信号或电信号为触发信号。当动态冲击实验为落锤冲击时采用断通信号触发，试件加载台(7)上落锤与试件(27)接触时，断路转变成为通路，此时由断到通的信号变化经触发线(26)同时触发高速相机1(14)和高速相机2(15)开始高速拍摄，此时高速相机1(14)产生触发信号由信号线传输给闪光灯(8)控制其闪光时刻与高速相机1(14)拍摄时段相匹配，试件(27)在动态冲击下使触发应变片(25)发生变形产生电信号，由信号线经桥盒传输至超动态应变仪(21)，由超动态应变仪(21)采集电测数据并将其存储于数据采集仪(22)中，再通过电脑1(23)将电信号提取出来。当动态冲击实验为爆破加载时采用电信号触发，在炸药药包附近贴触发应变片(25)，当药包爆炸一瞬间，触发应变片(25)产生电信号经触发线(26)输出，其余过程与断通信号触发一致。
所述的实验系统，根据透射式光弹法的原理，不同频率的光会在不同的位置产生明暗相交的条纹，多种频率的光产生的条纹相互叠加，将不利于光弹条纹的准确观测，进而影响实验数据的准确分析，滤波片(2)将光源器(1)产生的白光过滤为单色光，使实验系统中的光频固定为某一个数值。对于观测光弹条纹，进行下一步的精准分析具有十分重要的意义。
所述的实验系统，将光测与电测的四种实验方法相结合，同步记录试件在动态加载条件下裂纹的断裂过程，采集相关实验数据。
所述的实验系统，利用数字散斑和光弹条纹成像于同一平面，用高速相机1(14)完成数字散斑法和透射式光弹法两种实验的同步结合。
所述的实验系统，由于焦散线成像在试件平面外，利用分光镜(9)从主光路中分出一支光路单独调节，从而达到用高速相机1(14)、高速相机2(15)完成数字散斑法、透射式光弹法、透射式焦散线法三种实验方法的同步结合。
所述的实验系统，在散斑(28)另一侧按实验要求粘贴应变片，既不影响光弹条纹和数字散斑的实验观测，又丰富了实验数据，完成四种实验方法相结合，提高了实验结果的准确性。
参考图1、图2，以落锤冲击作用下的试件动态断裂实验为例进行说明，其具体操作方法是：
根据任意所述的动态加载光测-电测混合实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据系统特性准备试件。准备具有双折射性的透光材料，用透明胶布沿长边的对称线包裹试件一侧，用细砂纸轻轻打磨未包裹的一侧，然后对未包裹的一侧先喷上一层薄薄的白漆，待白漆干透后，再将黑漆以雾状均匀喷洒，待黑漆干透后，试件(27)未包裹的一侧表面形成了均匀的散斑(28)。再在喷斑的这一侧另外一面贴上应变片，贴片位置应经过计算后准确测量再行贴片，过远或过近都会影响数据的准确性。贴片前先用无纺布蘸取酒精轻拭，再取适量应变片粘贴剂均匀覆盖需要粘贴的位置，放上应变片后应手压至少10秒，确认应变片已被固定后再继续贴下一片。应变片粘贴完毕后，取掉包裹另一侧的透明胶带。
其次，调试整个光路系统。保证主光路上光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件(27)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，高速相机1(14)在同一条线上，且滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)的镜面相互平行，均处于竖直方向。分光镜(9)位于试件(27)和四分之一波片2(10)之间，分光镜(9)镜面与主光路光线入射方向夹角为45°，利用分光镜(9)使部分平行光发生偏转，产生副光路，通过凸透镜3(13)将光线汇聚到高速相机2(15)中。偏振片1(5)与偏振片2(11)的偏振轴应为垂直或者平行，四分之一波片1(6)的快慢轴应与偏振片1(5)的偏振轴呈45度夹角，四分之一波片2(10)的快轴与慢轴应分别与四分之一波片1(6)的慢轴与快轴重合，高速相机1(14)应将焦距调节至试件(27)表面，高速相机2(15)应将焦距调节至试件(27)前方一定位置。
然后，将闪光灯(8)与高速相机1(14)用信号线相连接。
然后，连接电测系统。将应变片通过信号线分别连接至桥盒(16-20)，再从桥盒(16-20)用信号线连接出来按顺序接到超动态应变仪(21)的多个通道上，再通过信号线连接到数据采集仪(22)上，再通过信号线连接数据采集仪(22)和电脑1(23)。
然后将电脑1(23)和电脑2(24)设置为待触发状态，试件(27)中产生裂纹，两台相机被触发的同时传递触发信号至两台电脑，两台电脑自动记录透射式光弹数据，透射式焦散线数据，电测数据和数字散斑数据。
以上结合附图仅对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对发明的技术方案进行多种简单的变形，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围。
Claims (7)
1.一种动态加载光测-电测混合实验系统，包括光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件加载台(7)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，凸透镜3(13)，高速相机1(14)，高速相机2(15)，超动态应变仪(21)，数据采集仪(22)，桥盒(16-20)，触发应变片(25)，试件(27)，应变片，信号线。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，在实验开始前，将两台电脑设置为接受断通信号或电信号为触发信号。当动态加载实验为落锤冲击时采用断通信号触发，试件加载台(7)上落锤与试件(27)接触时，断路转变为通路，此时由断到通的信号变化经触发线(26)同时触发高速相机1(14)和高速相机2(15)开始高速拍摄，此时高速相机1(14)发出触发信号由信号线传输给闪光灯(8)控制其闪光时刻与高速相机1(14)拍摄时段相匹配，试件(27)在动态冲击下使触发应变片(25)发生变形产生电信号，由信号线经桥盒传输至超动态应变仪(21)，由超动态应变仪(21)采集电测数据并将其存储于数据采集仪(22)中，再通过电脑1(23)将电信号提取出来。当动态冲击实验为爆破加载时采用电信号触发，在炸药药包附近贴触发应变片(25)，当药包爆炸瞬间，触发应变片(25)产生电信号经触发线(26)输出，其余过程与断通信号触发一致。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，根据透射式光弹法的原理，不同频率的光会在不同的位置产生明暗相交的条纹，多种频率的光产生的条纹相互叠加，将不利于光弹条纹的准确观测，进而影响实验数据的准确分析，滤波片(2)将光源器(1)产生的白光过滤为单色光，使实验系统中的光频固定为某一个数值。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，将光测与电测的四种实验方法相结合，同步记录试件在动态加载条件下裂纹的断裂过程，采集相关实验数据。
5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，利用数字散斑和光弹条纹成像于同一平面，用高速相机1(14)完成数字散斑法和透射式光弹法两种实验的同步结合。
6.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，由于焦散线成像在试件平面外，利用分光镜(9)从主光路中分出一支光路单独调节，从而达到用高速相机1(14)、高速相机2(15)完成数字散斑法、透射式光弹法、透射式焦散线法三种实验方法的同步结合。
7.根据权利要求1-7任意所述的动态加载光测-电测混合实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，根据系统特性准备试件。准备具有双折射性的透光材料，用透明胶布沿长边的对称线包裹试件一侧，用细砂纸轻轻打磨未包裹的一侧，然后对未包裹的一侧先喷上一层薄薄的白漆，待白漆干透后，再将黑漆以雾状均匀喷洒，待黑漆干透后，试件(27)未包裹的一侧表面形成了均匀的散斑(28)。再在喷斑的这一侧另外一面贴上应变片，贴片位置应经过计算后准确测量再行贴片，过远或过近都会影响数据的准确性。贴片前先用无纺布蘸取酒精轻拭，再取适量应变片粘贴剂均匀覆盖需要粘贴的位置，放上应变片后应手压至少10秒，确认应变片已被固定后再继续贴下一片。应变片粘贴完毕后，取掉包裹另一侧的透明胶带。
其次，调试整个光路系统。保证主光路上光源器(1)，滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，试件(27)，分光镜(9)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)，高速相机1(14)在同一条线上，且滤波片(2)，扩束镜(3)，凸透镜1(4)，偏振片1(5)，四分之一波片1(6)，四分之一波片2(10)，偏振片2(11)，凸透镜2(12)的镜面相互平行，均处于竖直方向。分光镜(9)位于试件(27)和四分之一波片2(10)之间，分光镜(9)镜面与主光路光线入射方向夹角为45°，利用分光镜(9)使部分平行光发生偏转，产生副光路，通过凸透镜3(13)将光线汇聚到高速相机2(15)中。偏振片1(5)与偏振片2(11)的偏振轴应为垂直或者平行，四分之一波片1(6)的快慢轴应与偏振片1(5)的偏振轴呈45度夹角，四分之一波片2(10)的快轴与慢轴应分别与四分之一波片1(6)的慢轴与快轴重合，高速相机1(14)应将焦距调节至试件(27)表面，高速相机2(15)应将焦距调节至试件(27)前方一定位置。
然后，将闪光灯(8)与高速相机(14)用信号线相连接。
然后，连接电测系统。将应变片通过信号线分别连接至桥盒(16-20)，再从桥盒(16-20)用信号线连接出来按顺序接到超动态应变仪(21)的多个通道上，再通过信号线连接到数据采集仪(22)上，再通过信号线连接数据采集仪(22)和电脑1(23)。
然后将电脑1(23)和电脑2(24)设置为待触发状态，试件(27)中产生裂纹，两台相机被触发的同时传递触发信号至两台电脑，两台电脑自动记录透射式光弹数据，透射式焦散线数据，电测数据和数字散斑数据。
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