CN111413221A - 一种焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦散线、光弹和数字图像相关法(DIC)同步实验系统，包括白色光源1，滤波片2，可调的汇聚光光源32，第一凸透镜3，第二凸透镜4，第三凸透镜5，第一偏振片6，第二偏振片7，第一1/4波片8，第二1/4波片9，分光镜10，第一高速相机11，第二高速相机12，延迟控制器20，充电电容21，焦散斑计算模块17，光弹条纹测量模块18，数字散斑计算模块19；该系统综合了焦散线、光弹和DIC三者的优点，能够有效准确地得到裂纹尖端的动态应力强度因子、动态断裂韧度、裂纹的扩展速度、扩展加速度在内的力学参数，同时能够将试件整体的应力变化直观地展现出来，通过对比分析三种方法得到的实验数据，大大增加了数据的可信度；该实验系统运用灵活，可灵活改变喷斑位置、斑点大小和加载方式。
Description
技术领域
本发明涉及断裂力学领域的动态断裂行为研究方法，尤其涉及一种研究岩石材料在动态加载条件下断裂过程中裂纹产生、运动和扩展机理的实验系统和方法。
背景技术
随着社会经济的发展，人们对自然资源的需求日益增加，在地表资源有限的情况下，人们对地下资源的开发日益重视，例如近年来发展迅速的地下商场、地铁和地下停车场等等。在地下工程中，如何快速破岩是一个非常重要的工程问题。因此，研究岩石在不同外界条件下的力学特性具有十分重要的意义。其中，岩石动态断裂行为的研究是岩石力学特性研究的热点领域。研究岩石在动荷载作用下裂纹的产生、扩展规律不仅对地下工程中实现快速破岩有巨大帮助，而且对完善由岩石作为材料的建筑物或构筑物的结构稳定性设计有巨大意义。由于岩石内部存在大量裂隙、节理以及结构面，使其动态断裂行为具有非常大的不确定性。因此，选取合理的实验系统和方法来对岩石材料的动态断裂行为进行实验研究是十分必要的。
目前，国内外的学者已经运用了不同的实验系统和方法对岩石的断裂行为进行了一定的研究，取得了一些研究成果，但是采用焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统及方法来研究材料的起裂、扩展，目前还未有人进行。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供了一种焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统，包括白色光源1，滤波片2，可调的汇聚光光源32，第一凸透镜3，第二凸透镜4，第三凸透镜5，第一偏振片6，第二偏振片7，第一1/4波片8，第二1/4波片9，分光镜10，第一高速相机11，第二高速相机12，落锤13，锤头14，试件台15，延迟控制器20，充电电容21，焦散斑计算模块17，光弹条纹测量模块18，数字散斑计算模块19；其中，落锤13和锤头14位于试件台15上。
实验开始之前，将第一高速相机11通过信号线29和焦散斑计算模块17连接，将第二高速相机12通过信号线30、信号线31分别和光弹条纹测量模块18、数字散斑计算模块19连接。落锤13和锤头14分别通过信号线23、信号线22与延迟控制器20相连，并调节延迟控制器20触发方式为“断通”触发。延迟控制器20分别通过信号线24和信号线25分别与第一高速相机11和第二高速相机12相连，并将第一高速相机11和第二高速相机12的触发模式调为“外触发”模式。第二高速相机12通过信号线26与充电电容21相连，将充电电容21通过充电线27与白色光源1相连，将充电电容21通过充电线28与可调的汇聚光光源32，可调的汇聚光光源32发出的光可调节地只照射在试件表面有散斑的那一部分。将第一高速相机11的镜头焦距对焦至焦散斑成像平面上，将第二高速相机12的镜头焦距对焦在试件表面16上。实验开始时，落锤13下落击中锤头14，锤头14对试件16施加荷载，使试件16产生运动裂纹；由于落锤13和锤头14为金属制品，落锤13击中锤头14的瞬间，落锤13、锤头14、信号线22和信号线23形成一个闭合通路，延迟控制器20获得一个断通信号，延迟控制器20将信号放大后，通过信号线24和信号线25分别将信号传递给第一高速相机11、第二高速相机12，第一高速相机11和第二高速相机12接收信号后触发，开始采集实验图像，第二高速相机12在触发的同时通过信号线26将触发信号传递给充电电容盒21，充电电容21接收到触发信号后，通过充电线27和充电线28分别给白色光源1和可调的汇聚光光源32进行放电，使白色光源1和充电线28可调的汇聚光光源32发出光线；同时，第一高速相机11和第二高速相机12开始拍摄，分别采集焦散线实验数据、光弹实验数据和数字图像相关实验数据。
所述的实验系统，所述的焦散斑计算模块17通过采集到的焦散斑图片分析计算得到出包括试件17的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能较好地反应裂尖“局部场”的应力情况。
所述的实验系统，所述的光弹条纹测量模块18通过采集到的条纹图片分析计算得到出包括试件16的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能很好地反映试件16“全场”应力，根据条纹的形态，能较好地区分P波、S波和瑞利波等各种应力波。
所述的实验系统，所述的数字散斑计算模块19通过采集到的散斑变形图片分析计算得出包括试件16的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能直观地把应力变化情况通过图片的形式展现出来。
所述的实验系统，利用焦散线系统、光弹系统和数字图像相关法互相对比验证，结合三种方法的优点，得到的结果更加全面，增加了实验结果的可靠性和说服力。
所述的实验系统，将所得的实验数据分别导入到焦散斑计算模块17、光弹条纹测量模块18和数字散斑计算模块19，可以直接计算出各个时刻的裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度、裂尖动态应力强度因子、裂纹扩展长度。
所述的实验系统，将试件台15上的落锤13和锤头14更换为伺服液压机，可对试件16施加准静态荷载，实现系统对试件进行不同加载率下地加载。
所述的实验系统，所述的落锤13可根据实验要求来改变释放高度或者重量，实现系统对试件进行不同加载率下地加载。
所述的实验系统，将所述试件台15上的落锤13和锤头14更换为霍普金森杆定制三点弯冲击夹具，利用霍普金森杆加载，可实现对试件高应变率的加载。
根据任一所述的系统进行焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验的方法，包括以下步骤：
首先，选择具有双折射效应的透光材料准备试件16，根据实验要求将试件的一侧用保鲜膜包裹住，未包裹的一侧用细砂纸轻轻打磨，在打磨好的一侧均匀喷上一层薄的白漆，待白漆完全干燥后，再将黑漆以均匀雾状喷涂在白漆上，，待黑漆完全干燥后，试件16未包裹的一侧表面有均匀的散斑，其中黑漆喷涂形成的斑点大小影响着DIC的计算精度；
其次，调试动态光弹性光路系统。光弹光路呈直线型布置，保证白色光源1、滤波片2、第一凸透镜3、第一偏振片6、第一1/4波片8、第二1/4波片9、第二偏振片7、第三凸透镜5、第二高速相机12位于同一条水平直线上，第一偏振片6与第二偏振片7的偏振轴相互平行或垂直，第一1/4波片8、第二1/4波片9的快、慢轴相互垂直，并且第一1/4波片8、第二1/4波片9的快、慢轴均与第一偏振片6与第二偏振片7的偏振轴夹角为45°。第二高速相机12的镜头位于第三凸透镜5的焦点处，调整第二高速相机12的焦距，使第二高速相机12对焦到试件16表面。用信号线26连接第二高速相机12和充电电容21，用信号线27连接充电电容和白色光源1；
再次，调试焦散线光路系统。焦散线光路包括白色光源1、滤波片2、第一凸透镜3、分光镜10，第二凸透镜4、第一高速相机11，应保证上述仪器在同一水平高度。第一高速相机11的镜头位于第三凸透镜5的焦点处，调整第二高速相机12的焦距，使第二高速相机12对焦到试件16所在位置。；
然后，调试数字图像相关法实验系统，将可调的汇聚光光源32置于试件16喷斑一侧的斜前方，保证汇聚光光源32发出的光只照射到试件16喷斑的那一部分，用信号线28连接汇聚光光源32和充电电容21，用信号线26连接充电电容21和第二高速相机12；
然后，将落锤13和锤头14分别通过信号线23、24与延迟控制器20相连，通过信号线24、25将延迟控制器20与第一高速相机11、第二高速相机12相连，将第一高速相机11和第二高速相机12触发模式设置为“断通信号”触发；
最后，释放落锤13，落锤13下落击中锤头14，锤头14对试件16施加冲击荷载，使试件16产生运动裂纹，第一高速相机11与第二高速相机12同步采集记录焦散线实验数据、动态光弹数据和数字图像相关实验数据。
本发明所述的用于动态加载的焦散线-数字图像相关实验系统及方法的优点在于：
(1)能够实现动态焦散线方法、动光弹方法和数字图像相关法的同步测试；(2)落锤可根据实验要求来改变释放高度或者重量，实现系统对试件进行不同加载率下地加载；(3)能够自动同时开始采集三种实验方法的数据，将三种实验方法得到的数据进行对比，从而减小实验误差；(4)根据数字图像相关法的特性，可以通过改变试件上喷斑斑点的大小，来实现对不同精度的控制；(5)可以结合三种方法的优点，在直观观察试件应力变化情况的同时，准确得知试件局部和整体的应变情况；(6)根据实验的要求，可将试件台上的锤头和落锤更换为伺服液压机，对试件施加准静态荷载，实现系统对试件进行不同加载率下的加载。(7)根据实验要求，将所述试件台上的落锤和锤头更换为霍普金森杆定制三点弯冲击夹具，利用霍普金森杆加载，可实现对试件高应变率的加载。
附图说明
图1为本发明实验系统结构图；
图2为运用本发明进行实验的实验步骤图；
图中：1白色光源，2滤波片，3第一凸透镜，4第二凸透镜，5第三凸透镜，6第一偏振片，7第二偏振片，8第一1/4波片，9第二1/4波片，10分光镜，11第一高速相机，12第二高速相机，13落锤，14锤头，15试件台，16试件，17焦散斑计算模块，18光弹条纹测量模块，19数字散斑计算模块，20延迟控制器，21充电电容，22-26信号线，27-28充电线，29-31信号线，32可调的汇聚光光源。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1，焦散线-数字图像相关法同步实验系统，包括白色光源1，滤波片2，第一凸透镜3，第二凸透镜4，第三凸透镜5，第一偏振片6，第二偏振片7，第一1/4波片8，第二1/4波片9，分光镜10，第一高速相机11，第二高速相机12，落锤13，锤头14，试件台15，试件16，焦散斑计算模块17，光弹条纹测量模块18，数字散斑计算模块19，延迟控制器20，充电电容21，可调的汇聚光光源32；其中，落锤13和锤头14位于试件台15上。
所述实验系统，实验开始时，落锤13下落击中锤头14，锤头14对试件16施加荷载，使试件16产生运动裂纹；由于落锤13和锤头14为金属制品，落锤13击中锤头14的瞬间，落锤13、锤头14、信号线22和信号线23形成一个闭合通路，延迟控制器20获得一个断通信号，延迟控制器20将信号放大后，通过信号线24和信号线25分别将信号传递给第一高速相机11、第二高速相机12，第一高速相机11和第二高速相机12接收信号后触发，开始采集图像，第二高速相机12在触发的同时通过信号线26将触发信号传递给充电电容21，充电电容21接收到触发信号后，通过充电线27和充电线28分别给白色光源1、充电线28可调的汇聚光光源32进行放电，使白色光源1和充电线28可调的汇聚光光源32发出光线；同时，第一高速相机和第二高速相机开始拍摄，分别采集焦散线实验数据、光弹实验数据和数字图像相关实验数据。
所述的实验系统，通过延迟控制器20可以调节第一高速相机11、第二高速相机12和充电电容21开始工作的时间，以及设置第一高速相机和第二高速相机的曝光时间、帧数和触发方式来满足不同实验材料起裂时刻不同的实验要求，使本系统能够完整记录不同材料在实验中断裂的全过程。
根据任一所述的焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统进行实验的方法，参考图1和图2，包括以下步骤：
首先，选择具有双折射效应的透光材料准备试件16，根据实验要求将试件的一侧用保鲜膜包裹住，未包裹的一侧用细砂纸轻轻打磨，在打磨好的一侧均匀喷上一层薄的白漆，待白漆完全干燥后，再将黑漆以均匀雾状喷涂在白漆上，，待黑漆完全干燥后，试件16未包裹的一侧表面有均匀的散斑，其中黑漆喷涂形成的斑点大小影响着DIC的计算精度；
可选地，本实施例试件采用的是环氧树脂材料，在试件上拉了一条预制裂纹，位于试件16长边的中间位置，采用三点弯加载。
其次，调试动态光弹性光路系统。光弹光路呈直线型布置，保证白色光源1、滤波片2、第一凸透镜3、第一偏振片6、第一1/4波片8、第二1/4波片9、第二偏振片7、第三凸透镜5、第二高速相机12位于同一条水平直线上，第一偏振片6与第二偏振片7的偏振轴相互平行或垂直，第一1/4波片8、第二1/4波片9的快、慢轴相互垂直，并且第一1/4波片8、第二1/4波片9的快、慢轴均与第一偏振片6与第二偏振片7的偏振轴夹角为45°。第二高速相机12的镜头位于第三凸透镜5的焦点处，调整第二高速相机12的焦距，使第二高速相机12对焦到试件16表面。用信号线26连接第二高速相机12和充电电容21，用信号线27连接充电电容和白色光源1；
再次，调试焦散线光路系统。焦散线光路包括白色光源1、滤波片2、第一凸透镜3、分光镜10，第二凸透镜4、第一高速相机11，应保证上述仪器在同一水平高度。第一高速相机11的镜头位于第三凸透镜5的焦点处，调整第二高速相机12的焦距，使第二高速相机12对焦到试件16所在位置。；
然后，调试数字图像相关法实验系统，将可调的汇聚光光源32置于试件16喷斑一侧的斜前方，保证汇聚光光源32发出的光只照射到试件16喷斑的那一部分，用信号线28连接汇聚光光源32和充电电容21，用信号线26连接充电电容21和第二高速相机12；
然后，将落锤13和锤头14分别通过信号线23、24与延迟控制器20相连，通过信号线24、25将延迟控制器20与第一高速相机11、第二高速相机12相连，将第一高速相机11和第二高速相机12触发模式设置为“外触发”模式，状态为“等待触发”状态；
最后，释放落锤13，落锤13下落击中锤头14，锤头14对试件16施加冲击荷载，使试件16产生运动裂纹，第一高速相机11与第二高速相机12同步采集记录焦散线实验数据、动态光弹数据和数字图像相关实验数据。
所述的实验系统，将试件台15上的落锤13和锤头14更换为伺服液压机，可对试件16施加准静态荷载，实现系统对试件进行不同加载率下地加载。
所述的实验系统，所述的焦散斑计算模块17通过采集到的焦散斑图片分析计算得到出包括试件16的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能较好地反应裂尖“局部场”的应力情况。
所述的实验系统，所述的光弹条纹测量模块18通过采集到的条纹图片分析计算得到出包括试件16的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能很好地反映试件16“全场”应力，根据条纹的形态，能较好地区分P波、S波和瑞利波等各种应力波。
所述的实验系统，所述的数字散斑计算模块19通过采集到的散斑变形图片分析计算得出包括试件16的断裂韧度、裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度在内的各项参数，能比较直观地把应力变化情况通过图片的形式展现出来。
所述的实验系统，利用焦散线系统、光弹系统和数字图像相关法互相对比验证，结合三种方法的优点，得到的结果更加全面，增加了实验结果的可靠性和说服力。
所述的实验系统，所述的落锤13可根据实验要求来改变释放高度或者重量，实现系统对试件16进行不同加载率下地动态加载。
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)
1.一种焦散线、光弹和数字图像相关法同步实验系统及方法，其特征在于：包括白色光源1，滤波片2，可调的汇聚光光源32，第一凸透镜3，第二凸透镜4，第三凸透镜5，第一偏振片6，第二偏振片7，第一1/4波片8，第二1/4波片9，分光镜10，第一高速相机11，第二高速相机12，延迟控制器20，充电电容21，焦散斑计算模块17，光弹条纹测量模块18，数字散斑计算模块19；其中，落锤和锤头位于试件台上。落锤和锤头通过信号线与延迟控制器相连，并调节延迟控制器触发方式为“断通”触发。延迟控制器通过信号线分别与第一高速相机和第二高速相机相连，并将第一高速相机和第二高速相机的触发模式调为“外触发”模式。第二高速相机通过信号线与充电电容相连，将充电电容通过充电线与白色光源和可调的汇聚光光源相连，可调的汇聚光光源发出的光可调节地只照射在试件表面有散斑的那一部分。实验系统调试完毕后，将第一高速相机的镜头对焦至焦散斑成像平面上，将第二高速相机的镜头对焦在试件表面上。
2.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，用第一高速相机11完成数字散斑法和透射式光弹法两种实验的同步结合。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：可以通过改变冲击头的形式来实现多点弯加载，如把单点冲击头变成两点冲击头，实现四点弯加载。
4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：可以通过将落锤和锤头替换为特制的霍普金森杆夹具，利用霍普金森杆加载，来实现对试件的高应变率的加载。
5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：可以将所述加载方式改变为爆炸加载。
6.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将白色光源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。
7.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：可以通过改变延迟控制器的延迟时间来改变高速相机的拍摄时间，从而获得试件断裂过程中不同时刻的实验数据。
8.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：可以通过改变试件中预制裂纹的数量和位置来研究不同形式的断裂问题。
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