CN112903169A - 爆炸应力波传播全场主应力定量分析实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种爆炸应力波传播全场主应力定量分析实验方法。涉及爆炸冲击动力学研究技术领域。通过采集爆破过程中的介质试件模型的光弹涂层区的图像和喷斑区的图像，光弹涂层区与喷斑区对称设置；基于对光弹涂层区的图像进行处理，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，基于喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据；并基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，结合所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向。可以实现对爆破过程中爆炸应力波在介质中传播的全场主应力进行分离和定量分析研究。
Description
技术领域
本发明涉及爆炸冲击动力学研究技术领域，尤其涉及一种爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法。
背景技术
爆破在国民经济建设中发挥着巨大作用，广泛应用于巷道掘进、露天和地下矿山开采、水利水电等工程中。炸药爆炸过程中产生的爆炸应力波向外传播的过程其实就是爆炸能量向周围环境的转换和传输的过程。
为了更加深入的理解和认识爆炸应力波对介质的破坏作用效应，需要了解和认知爆炸产生的爆炸应力波的应力状态随时间和距离的变化。其研究结果对于如爆破施工中岩体的破碎、岩体开挖工程的稳定性、边坡滑坡以及构造地震产生的机制都有重要的理论和实际工程指导意义。因此，对于爆炸应力波在介质中传播的全场(一般指的应力场，即介质受到爆炸应力波的冲击力后，其内部各个质点的具有大小和方向的应力整体构成应力场，有时简称全场)主应力定量分析研究显得十分必要。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，可以实现对爆破过程中爆炸应力波在介质中传播的全场主应力进行分离和定量分析研究，从而为爆破工程实践提供理论指导。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供的爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，包括步骤：S10、将预制有炮孔的介质试件模型夹紧固定于爆破加载台上；其中，所述炮孔中装有炸药，所述介质试件模型表面具有关于介质试件模型的中截面对称设置的光弹涂层区及喷斑区；S20、在引爆所述炮孔中的炸药之前，至少采集所述介质试件模型表面的所述喷斑区的初始状态图像；S30、引爆所述炮孔中的炸药产生爆炸应力波，对所述介质试件模型施加爆炸荷载；S40、连续采集受到爆炸荷载扰动的光弹涂层区和喷斑区的图像，直到爆炸实验结束；S50、对采集的所述光弹涂层区的图像进行二值化处理，对光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数进行赋值，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数；S60、基于起爆前采集的喷斑区的初始状态图像与起爆后采集的所述喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据；S70、基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数、所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向。
优选地，所述步骤S50还包括：在得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数之后，建立光弹条纹级数与像素点位置的第一映射关系表；所述步骤S60还包括：在得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据之后，建立位移和应变数据与喷斑区各像素点位置的第二映射关系；所述步骤S70包括：通过坐标平移变换将所述光弹涂层区的图像和所述喷斑区的图像的对称点坐标纳入统一坐标系下，得到光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数、位移和应变数据。基于所述各像素处的光弹条纹级数、位移和应变数据，根据公式
得到主应力的大小；
根据公式
得到主应力的方向；其中，σ1表示最大主应力，σ2表示最小主应力，fσ为材料的动态应力条纹值，h为介质试件模型厚度，N表示光弹条纹级数，εx为对像素点在某一时刻沿x轴位移分量ux进行微分得到的应变分量，εy为对像素点在某一时刻沿y轴位移分量uy进行微分得到的应变分量，Ed为介质试件材料的弹性模量，σx为像素点沿x轴应力分量，σy为像素点沿y轴应力分量，τxy为像素点的剪应力，v为泊松比，
为主应力方向和x轴的夹角。
优选地，所述步骤S70中，在计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向之后，还包括：根据得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向绘制相应的全场主应力数据云图。
优选地，在步骤S70之后，所述方法还包括S80：将每次实验得到的光弹条纹相应区域各个像素点处的光弹条纹级数、位移与应变数据及施加荷载形式作为一个训练数据库，并将每张分析得到的光弹条纹图提取成一个2048维向量；利用机器学习算法，基于所述训练数据库进行耦合计算分析和训练学习，得到光弹条纹图识别模型；当需要对光弹条纹图进行识别处理时，基于所述光弹条纹图识别模型进行光弹条纹图像识别处理。
优选地，所述介质试件模型为透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：采用环氧树脂浇筑制作成符合实验要求的环氧树脂板，用于预制成所述介质试件模型；利用水刀切割加工成所需的模型尺寸的半成品件；
对所述半成品件进行退火处理；将经过退火处理的所述半成品件进行对称划界，划出对称边界；沿着所述对称边界，将所述半成品件、位于对称边界的一侧进行临时覆盖保护；将所述半成品件、位于对称边界的另一侧先用细砂纸进行打磨处理，去除环氧树脂浇筑过程中在半成品件表面残留的脱模剂；用酒精对打磨后的半成品件进行清洁处理；待所述半成品件的表面干燥后，在表面喷涂白色的哑光漆作为底漆；待白色底漆晾干以后，用UV喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，完成所述介质试件模型的预制；其中，所述介质试件模型、位于所述对称边界的一侧形成所述光弹涂层区，另一侧形成所述喷斑区。
优选地，所述介质试件模型为透明介质试件模型，在所述步骤S10之前，所述方法还包括：搭建用于开展所述实验方法的实验系统，搭建用于开展所述实验方法的实验系统，所述实验系统包括：第一卤素闪光灯光源、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光、第二卤素闪光灯光源、高速相机及图像处理分析装置；
其中，所述第一卤素闪光灯光源的光轴、高速相机的光轴、及所述起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光的中心位于同一条直线上，且所述第一卤素闪光灯光源、起偏镜及第一1/4波片由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧，第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片及高速相机从左到右依次设置于所述爆破加载台右侧，所述爆破加载台用于加载固定所述透明介质试件模型，所述第二卤素闪光灯光源设置于所述爆破加载台斜前方，用于为所述透明介质试件模型的喷斑区补光；
所述起偏镜与检偏镜的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片的快轴与起偏镜的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片的快轴与第一1/4波片的快轴呈90°夹角，所述高速相机的镜头朝向所述介质试件模型，且所述高速相机的光轴垂直于所述介质试件模型设置，所述高速相机与所述图像处理分析装置连接；
还包括：信号同步控制器及脉冲起爆器，所述信号同步控制器一端与所述脉冲起爆器连接，所述信号同步控制器另一端与所述高速相机连接，所述脉冲起爆器通过起爆线和炮孔中的炸药引线连接。
优选地，所述介质试件模型为非透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：准备一块至少具有对称设置的第一侧面与第二侧面的非透明介质，用于预制所述非透明介质模型，对所述第一侧面与第二侧面分别进行打磨处理，并清理表面的污渍和浮灰；
对第一侧面进行环氧树脂混合液的喷涂，喷涂完成之后，利用紫外光照射以进行固化，形成所述光弹涂层区；
对第二侧面喷涂白色的哑光漆作为底漆，待白色底漆晾干以后，再用UV喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，形成所述喷斑区。
优选地，所述介质试件模型为非透明介质试件模型，在所述步骤S10之前，所述方法还包括：搭建用于开展所述实验方法的实验系统，所述实验系统包括：第一卤素闪光灯光源、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光、第二卤素闪光灯光源、第一高速相机、第二高速相机及图像处理分析装置；
其中，所述第一卤素闪光灯光源的光轴与所述起偏镜及第一1/4波片的中心位于第一直线上，且所述第一直线与非透明介质试件模型表面的法线呈45°角设置，所述第一卤素闪光灯光源、起偏镜及第一1/4波片由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧；
所述第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片与第二高速相机从左到右依次设置于所述爆破加载台左侧，所述第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片的中心与第二高速相机的光轴位于第二直线上，且所述第二直线与所述非透明介质试件模型的光弹涂层区表面的法线呈45°角设置，且所述第二直线与所述第一直线关于所述非透明介质试件模型的中心线对称，所述爆破加载台用于加载固定所述非透明介质试件模型；
所述起偏镜与检偏镜的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片的快轴与起偏镜的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片的快轴与第一1/4波片的快轴呈90°夹角，所述第二高速相机的镜头朝向所述非透明介质试件模型的光弹涂层区，所述第一卤素闪光灯光源用于为所述光弹涂层区补光；
所述第一高速相机的镜头朝向且垂直于所述非透明介质试件模型的喷斑区，且所述第一高速相机的光轴与所述非透明介质试件模型的中心线共线，所述第二卤素闪光灯光源设置于所述喷斑区的右侧斜前方，用于为所述喷斑区补光；
所述第一高速相机与第二高速相机分别与所述图像处理分析装置连接；
还包括：信号同步控制器及脉冲起爆器，所述信号同步控制器一端与所述脉冲起爆器连接，所述信号同步控制器另一端分别与所述第一高速相机及第二高速相机连接，所述脉冲起爆器通过起爆线和炮孔中的炸药引线连接。
优选地，在步骤S20之前，所述方法还包括：在开始采集图像之前，建立介质试件模型的三维空间坐标与采集图像的像素点位置坐标系之间的映射关系。
本发明实施例提供的爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，通过在实验所用的介质试件模型表面设置关于介质试件模型的中截面对称设置的光弹涂层区及喷斑区，分别采集爆破过程中的光弹涂层区的图像和喷斑区的图像，基于对光弹涂层区的图像进行处理，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，基于喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据；并基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，结合所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向，即实现了对全场主应力的分离与定量分析。因此，本发明实施例的方案，可以实现对爆破过程中爆炸应力波在介质中传播的全场主应力进行分离和定量分析研究，从而能够为爆破工程实践提供理论指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法一实施例流程示意图；
图2为本发明中所使用的一实施例爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验系统结构示意图；
图3为本发明中所使用的另一实施例爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法一实施例流程示意图，所述定量分析实验方法包括步骤：
S10、将预制有炮孔的介质试件模型夹紧固定于爆破加载台上；其中，所述炮孔中装有炸药，所述介质试件模型表面具有关于介质试件模型的中截面对称设置的光弹涂层区及喷斑区。
S20、在引爆所述炮孔中的炸药之前，至少采集所述介质试件模型表面的所述喷斑区的初始状态图像。
S30、引爆所述炮孔中的炸药产生爆炸应力波，对所述介质试件模型施加爆炸荷载。
S40、连续采集受到爆炸荷载扰动的光弹涂层区和喷斑区的图像，直到爆炸实验结束。
S50、对采集的所述光弹涂层区的图像进行二值化处理，对光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数进行赋值，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数。
S60、基于起爆前采集的喷斑区的初始状态图像与起爆后采集的所述喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据。
S70、基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数、所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向。
在一些爆炸应力波的实验研究方法中，例如动态光弹性实验方法，其可以实现爆炸应力波的可视化研究，但只能采集到等差光弹条纹，基于所述等差光弹条纹表征得到主应力差，但无法定量得出主应力的大小和方向，以实现全场主应力的分离。
本发明实施例提供的爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，通过在实验所用的介质试件模型表面设置关于介质试件模型的中截面对称设置的光弹涂层区及喷斑区，分别采集爆破过程中的光弹涂层区的图像和喷斑区的图像，基于对光弹涂层区的图像进行处理，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，基于喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据；并基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数，结合所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向，即实现了对全场主应力的分离与定量分析。
因此，本发明实施例提供的方案，适用于对介质中爆炸应力波的传播与衰减规律理论研究分析场景中，可以实现对爆破过程中爆炸应力波在介质中传播的全场主应力进行分离和定量分析研究，从而能够为爆破工程实践提供理论指导。
在一些实施例中，所述步骤S50还包括：在得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数之后，建立光弹条纹级数与像素点位置的第一映射关系表；
其中，光弹条纹级数有时也称为等差条纹级数或光弹等差条纹级数。
所述步骤S60还包括：在得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据之后，建立位移和应变数据与喷斑区各像素点位置的第二映射关系；
所述步骤S70包括：通过坐标平移变换将所述光弹涂层区的图像和所述喷斑区的图像的对称点坐标纳入统一坐标系下，得到光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数、位移和应变数据。
可以理解的是，根据动态光弹实验可知，根据光弹涂层区的图像可以得到光弹性等差条纹数据，即得到的是主应力差(σ1-σ2)与光弹条纹级数的关系，无法得到主应力σ1与σ2的大小和方向。
而本实施例中，在对光弹涂层区的图像进行采集的同时，还对喷斑区的图像进行采集，并进而可以通过数字图像相关法得到喷斑区的主应力的相关数据。由于光弹涂层区与喷斑区为对称设置，可以再根据坐标转换，将光弹涂层区的图像的像素点与喷斑区对应的像素点统一转换到同一个坐标系中表示，即将光弹涂层区图像的像素点覆盖喷斑区对应的像素点，进而可以得到光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数、位移和应变数据。
基于所述各像素处的光弹条纹级数、位移和应变数据，根据公式(1)：
得到主应力的大小；
根据公式(2)：
得到主应力的方向。
其中，σ1和σ2为待求量，σ1表示最大主应力，σ2表示最小主应力；fσ为材料的动态应力条纹值，表示光弹性材料灵敏度的一个性能指标，在室温下，对于环氧树脂材料fσ＝1.5～1.9×104N/(m·条)；h为介质试件模型厚度，N表示光弹条纹级数，εx为对像素点沿x轴位移分量ux进行微分得到的应变分量，εy为对像素点沿y轴位移分量uy进行微分得到的应变分量，Ed为介质试件材料的弹性模量，σx为像素点沿x轴应力分量，σy为像素点沿y轴应力分量，τxy为像素点的剪应力，v为泊松比。
其中，两个位移分量ux和uy都是与时间有关的函数，根据采集到的图像信息，利用数字图像相关方法的相关算法就可以得到t时刻沿x轴和y轴的两个方向的位移分量ux和uy，关于位移分量ux和uy的计算方法为力学学科中的公知技术；σx、σy和τxy可以根据Hooke定律中应力和应变的关系计算得到；为凸显本发明的发明主旨所在，就不再赘述。
另外，主应力方向和x轴的夹角
也为待求量，将σx、σy和τxy代入上式中，并进而得到
值，即可确定主应力方向。
在一些实施例中，所述介质试件模型为透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：采用环氧树脂浇筑制作成符合实验要求的环氧树脂板，用于预制成所述介质试件模型，利用环氧树脂具有的双折射特性，可以在光弹光路中发生光的干涉产生光弹条纹；利用水刀切割加工成所需的模型尺寸的半成品件；对所述半成品件进行退火处理，用于消除环氧树脂浇筑以及切割过程中所产生的残余应力；将经过退火处理的所述半成品件进行对称划界，划出对称边界；沿着所述对称边界，将所述半成品件、位于对称边界的一侧进行临时覆盖保护，防止后续的喷涂工序实施过程中，喷涂到该光弹涂层拍摄区域，影响后续的光弹涂层区图像的识别处理；将所述半成品件、位于对称边界的另一侧先用细砂纸进行打磨处理，去除环氧树脂浇筑过程中在半成品件表面残留的脱模剂；用酒精对打磨后的半成品件进行清洁处理；待所述半成品件的表面干燥后，在表面喷涂白色的哑光漆作为底漆；待白色底漆晾干以后，用UV(Ultra-Violet Ray)喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，完成所述介质试件模型的预制；其中，所述介质试件模型、位于所述对称边界的一侧形成所述光弹涂层区，另一侧形成所述喷斑区。
如图2所示，针对介质试件模型为透明介质试件模型的实验工况，为了便于实施上述实验方法，用于研究透明模型介质，如环氧树脂模型材料中爆炸应力波传播中全场主应力分布规律，还提供了一种用于开展所述实验方法的实验系统，在所述步骤S10之前，需要先搭建所述实验系统并进行调试。
所述实验系统包括：第一卤素闪光灯光源1、第二卤素闪光灯光源2、起偏镜3、第一1/4波片4、第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9、高速相机10及图像处理分析装置11；
其中，所述第一卤素闪光灯光源1的光轴、高速相机10的光轴、及所述起偏镜3、第一1/4波片4、第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9的中心位于同一条直线上，形成“一”字形光路结构，且所述第一卤素闪光灯光源1、起偏镜3及第一1/4波片4由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧，所述起偏镜3，用于将第一卤素闪光灯光源1发出的白光转变为平面偏振光；第一1/4波片4，用于将平面偏振光转变为圆偏振光；
第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9及高速相机10从左到右依次设置于所述爆破加载台右侧，第二1/4波片5，用于将圆偏振光还原成自起偏镜射出的平面偏振光；检偏镜6，用来检验光波通过的情况；窄带滤光片9，用于将彩色光转变为指定波长的单色光进入高速相机10的镜头中。
所述1/4波片是一种光学器件，又称“四分之一推迟板”。一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长，在光路中其常用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光。
所述爆破加载台用于加载固定所述透明介质试件模型，在实验过程中，爆破加载台上加载固定有透明介质模型20，所述透明介质模型具有光弹涂层区7和喷斑区8，所述光弹涂层区7用于使拍摄的介质试件模型的图像中显示出介质试件模型在受力时产生光弹条纹图；所述喷斑区，用于使拍摄的介质试件模型的图像中显示出介质试件模型在受力时出现散斑图；所述第二卤素闪光灯光源设置于所述爆破加载台斜前方，用于为所述透明介质试件模型的喷斑区8补光；
所述起偏镜3与检偏镜6的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片4的快轴与起偏镜3的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片5的快轴与第一1/4波片4的快轴呈90°夹角，所述高速相机10的镜头朝向所述介质试件模型，且所述高速相机10的光轴垂直于所述介质试件模型设置，所述高速相机10与所述图像处理分析装置11连接。
在搭建所述实验系统完成后，对所述实验系统进行调试，使高速相机10对焦于所述光弹涂层区7和喷斑区8上。
所述实验系统还包括：信号同步控制器14及脉冲起爆器13，所述信号同步控制器14一端与所述脉冲起爆器13连接，所述信号同步控制器14另一端与所述高速相机10连接，所述脉冲起爆器13通过起爆线20和透明介质试件模型的炮孔中的炸药引线连接，用于起爆。
具体地，参看图2所示，用电容放电线16将第一卤素闪光灯光源1与高能电容蓄电装置12相连，用电容放电线17将第二卤素闪光灯光源2与高能电容蓄电装置12相连；信号线19将高速相机10和图像处理分析装置11相连；用信号线18连接高速相机10和信号同步控制器14；用信号线20连接脉冲起爆器13和信号同步控制器14，所述脉冲起爆器13为多通道脉冲起爆器；用信号线15连接高能电容蓄电装置12和信号同步控制器14；用起爆线21连接多通道脉冲起爆器13和炮孔中的炸药引线。
所述高速相机10用于采集受到爆炸荷载扰动的喷斑区的图像及光弹涂层区的图像；所述图像处理分析装置11，用于接收采集的光弹涂层区与喷斑区的图像，并执行前述步骤S50～S70，以实现对全场主应力的分离与定量分析。
针对介质试件模型为非透明介质试件模型，例如岩石材料的工况，介质试件模型本身的预制有所不同，所采用的实验系统也有不同，因此，在一些实施例中，所述介质试件模型为非透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：准备一块至少具有对称设置的第一侧面与第二侧面的非透明介质，例如为岩石，用于预制所述非透明介质模型，对所述第一侧面与第二侧面分别进行打磨处理，并清理表面的污渍和浮灰。
对第一侧面进行环氧树脂混合液的喷涂，喷涂完成之后，利用紫外光照射以进行固化，形成所述光弹涂层区；
对第二侧面喷涂白色的哑光漆作为底漆，待白色底漆晾干以后，再用UV喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，形成所述喷斑区。
在介质试件模型预制完成后，搭载用于研究非透明介质中爆炸应力波传播过程全场主应力分布规律的实验系统，参看图3所示，该实验系统包括：第一卤素闪光灯光源1、第二卤素闪光灯光源2、起偏镜3、第一1/4波片4、第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9、第一高速相机15、第二高速相机10及图像处理分析装置11；
其中，所述第一卤素闪光灯光源1的光轴与所述起偏镜3及第一1/4波片4的中心位于第一直线上，且所述第一直线与非透明介质试件模型表面的法线呈45°角设置，所述第一卤素闪光灯光源1、起偏镜3及第一1/4波片4由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧；
所述第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9与第二高速相机10从左到右依次设置于所述爆破加载台20左侧，所述第二1/4波片5、检偏镜6、窄带滤光片9的中心与第二高速相机10的光轴位于第二直线上，且所述第二直线与所述非透明介质试件模型的光弹涂层区表面的法线呈45°角设置，且所述第二直线与所述第一直线关于所述非透明介质试件模型20的中心线21对称，所述爆破加载台用于加载固定所述非透明介质试件模型20；所述起偏镜3与检偏镜6的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片4的快轴与起偏镜3的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片5的快轴与第一1/4波片4的快轴呈90°夹角，所述第二高速相机10的镜头朝向所述非透明介质试件模型的光弹涂层区，所述第一卤素闪光灯光源1用于为所述光弹涂层区补光；
所述第一高速相机15的镜头朝向且垂直于所述非透明介质试件模型的喷斑区，且所述第一高速相机15的光轴与所述非透明介质试件模型的中心线21共线，第二卤素闪光灯光源2设置于所述喷斑区的右侧斜前方，用于为所述喷斑区补光；
还包括：信号同步控制器14及脉冲起爆器13，所述信号同步控制器14一端与所述脉冲起爆器13连接，所述信号同步控制器14另一端分别与所述第一高速相机15及第二高速相机10连接，所述脉冲起爆器13通过起爆线和炮孔中的炸药引线连接。
具体的，所述图像处理分析装置包括两套，分别为第一图像处理分析装置11与第二图像处理分析装置16；继续参看图3所示，用电容放电线18将第一卤素闪光灯光源1和高能电容蓄电装置12相连，用电容放电线19将第二卤素闪光灯光源2与高能电容蓄电装置12相连；用信号线21将第二高速相机10和第一图像处理分析装置11相连；用信号线25将第一高速相机15和第二图像处理分析装置16相连；用信号线20连接第二高速相机10和信号同步控制器14；用信号线22连接脉冲起爆器13和信号同步控制器14；用信号线17连接高能电容蓄电装置12和信号同步控制器14；用信号线24连接第一高速相机15和信号同步控制器14；用起爆线23连接脉冲起爆器13和炮孔中的炸药引线；其中，脉冲起爆器13为多通道脉冲起爆器。
所述第一高速相机15与第二高速相机10分别与所述图像处理分析装置11连接；所述第一高速相机15用于采集受到爆炸荷载扰动的喷斑区的图像，所述第二高速相机10用于采集受到爆炸荷载扰动的光弹涂层区的图像；所述图像处理分析装置，用于接收采集的光弹涂层区与喷斑区的图像，并执行前述步骤S50～S70，以实现对全场主应力的分离与定量分析。
为了便于进行步骤S70中的坐标变换，在一些实施例中，搭建好所述实验系统，在实施步骤S20之前，所述方法还包括：在开始采集图像之前，建立介质试件模型的三维空间坐标与采集图像的像素点位置坐标系之间的映射关系。
具体地，所述建立介质试件模型的三维空间坐标与采集图像的像素点位置坐标系之间的映射关系包括：制作一块与介质试件模型相同尺寸的标定板；将所述标定板置于爆破加载台上，利用标定板上的特征点对用于采集图像的高速相机内部参数以及高速相机与爆破加载台上的介质试件模型的相对空间位置的外部参数进行标定；
建立介质试件模型的三维空间坐标与采集图像的像素点位置坐标系之间的映射关系。
所述步骤S70中，通过坐标平移变换将所述光弹涂层区的图像和所述喷斑区的图像的对称点坐标纳入统一坐标系中具体为：根据所述映射关系进行相应的坐标变换，将将所述光弹涂层区的图像和所述喷斑区的图像的对称点坐标纳入统一坐标系中。
其映射关系建立的过程为：令三维空间点坐标为(X，Y，Z)，则该空间点在高速相机拍摄的图片上投影点的图像物理坐标(x，y)可以表达为：
式中：C为高速相机的投影矩阵；R为世界坐标系相对于相机坐标系的旋转矩阵；T为世界坐标系相对于相机坐标系的平移矩阵；I为相机的内参，cx和cy是相机光轴主点坐标，fx和fy分别为图像x轴和y轴的等效焦距，fs是用于描述亮哥图像轴偏斜度的参数，t空间点在高速相机拍摄的图片上投影点的像素点坐标(u，v)可以表达为：
式中：Ku为像素点u方向尺度因子，u方向与图像物理坐标系x方向相同；Kv为像素点v方向尺度因子，v方向与图像物理坐标系y方向相同。
为了简化计算，以介质试件模型表面为世界坐标系XY面，其水平方向为X轴，竖直方向为Y轴，以XY面法线方向为Z轴，建立特征点世界坐标。
具体利用全站仪可以测得高速相机和介质试件模型之间的距离和相应的角度，可以得到高速相机的世界坐标点，进而可以计算得到旋转矩阵R和平移矩阵T，具体计算旋转矩阵R和平移矩阵T的方法为相机标定技术领域的公知技术，为了凸显本发明创造的发明主旨所在，对该公知技术就不再赘述；另外，相机内参I可以通过查阅相机参数和所使用的相机镜头得到。
本发明实施提供的爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，并设计了相应的配套实验系统，可以实现对爆炸载荷作用下介质试件模型的动态光弹性数据和数字图像相关数据的同步采集，并通过对采集的动态光弹性数据(光弹条纹级数等)和数字图像相关数据(位移和应变数据)得到全场主应力的大小和方向，可以实现全场主应力的分离与定量分析。
进一步地，提供了两套专门针对非透明固体介质和透明固体介质的试件模型开展爆炸应力波研究实验的系统，可以对非透明固体介质和透明固体介质中爆炸应力场的全场主应力分离，进而实现爆炸应力场的全场定量研究；
进一步地，所述实验系统中的窄带滤光片，可根据研究的光源不同而更换成不同的滤光片，这样，通过更换不同的滤光片能够实现研究不同波长的光源干涉性对该实验系统中光弹实验部分的影响。
进一步地，利用机器学习算法，将每次实验得到各个像素点处位移与应变数据、各个像素点处等差条纹级数数据、施加荷载形式进行耦合计算分析和训练学习，得到光弹条纹图识别模型，进而实现光弹等差条纹图像的计算机自动识别与处理，提高了光弹条纹图像的识别与处理效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种爆炸应力波在介质中传播过程全场主应力定量分析实验方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S10、将预制有炮孔的介质试件模型夹紧固定于爆破加载台上；其中，所述炮孔中装有炸药，所述介质试件模型表面具有关于介质试件模型的中截面对称设置的光弹涂层区及喷斑区；
S20、在引爆所述炮孔中的炸药之前，至少采集所述介质试件模型表面的所述喷斑区的初始状态图像；
S30、引爆所述炮孔中的炸药产生爆炸应力波，对所述介质试件模型施加爆炸荷载；
S40、连续采集受到爆炸荷载扰动的光弹涂层区和喷斑区的图像，直到爆炸实验结束；
S50、对采集的所述光弹涂层区的图像进行二值化处理，对光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数进行赋值，得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数；
S60、基于起爆前采集的喷斑区的初始状态图像与起爆后采集的所述喷斑区的图像，利用数字图像相关法进行计算分析，得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据；
S70、基于得到的所述光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数、所述喷斑区各像素点处的位移和应变数据，计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向。
2.根据权利要求1所述的定量分析实验方法，其特征在于，所述步骤S50还包括：在得到光弹条纹相应区域各像素点对应的光弹条纹级数之后，建立光弹条纹级数与像素点位置的第一映射关系表；
所述步骤S60还包括：在得到所述喷斑区各个像素点处的位移和应变数据之后，建立位移和应变数据与喷斑区各像素点位置的第二映射关系；
所述步骤S70包括：通过坐标平移变换将所述光弹涂层区的图像和所述喷斑区的图像的对称点坐标纳入统一坐标系中，得到光弹条纹相应区域各像素点处的光弹条纹级数、位移和应变数据；
基于所述各像素处的光弹条纹级数、位移和应变数据，根据公式
得到主应力的大小；
根据公式
得到主应力的方向；其中，σ1表示最大主应力，σ2表示最小主应力，fσ为材料的动态应力条纹值，h为介质试件模型厚度，N表示光弹条纹级数，εx为对像素点在某一时刻沿x轴位移分量ux进行微分得到的应变分量，εy为对像素点在某一时刻沿y轴位移分量uy进行微分得到的应变分量，Ed为介质试件材料的弹性模量，σx为像素点沿x轴应力分量，σy为像素点沿y轴应力分量，τxy为像素点的剪应力，v为泊松比，
为主应力方向和x轴的夹角。
3.根据权利要求1所述的定量分析实验方法，其特征在于，所述步骤S70中，在计算得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向之后，还包括：根据得到爆炸应力波全场主应力的大小和方向绘制相应的全场主应力数据云图。
4.根据权利要求2所述的定量分析实验方法，其特征在于，在步骤S70之后，所述方法还包括S80：将每次实验得到的光弹条纹相应区域各个像素点处的光弹条纹级数、位移与应变数据及施加荷载形式作为一个训练数据库，并将每张分析得到的光弹条纹图提取成一个2048维向量；
利用机器学习算法，基于所述训练数据库进行耦合计算分析和训练学习，得到光弹条纹图识别模型；
当需要对光弹条纹图进行识别处理时，基于所述光弹条纹图识别模型进行光弹条纹图像识别处理。
5.根据权利要求1所述的定量分析实验方法，其特征在于，所述介质试件模型为透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：
采用环氧树脂浇筑制作成符合实验要求的环氧树脂板，用于预制成所述介质试件模型；
利用水刀切割加工成所需的模型尺寸的半成品件；
对所述半成品件进行退火处理；
将经过退火处理的所述半成品件进行对称划界，划出对称边界；
沿着所述对称边界，将所述半成品件、位于对称边界的一侧进行临时覆盖保护；
将所述半成品件、位于对称边界的另一侧先用细砂纸进行打磨处理，去除环氧树脂浇筑过程中在半成品件表面残留的脱模剂；
用酒精对打磨后的半成品件进行清洁处理；
待所述半成品件的表面干燥后，在表面喷涂白色的哑光漆作为底漆；
待白色底漆晾干以后，用UV喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，完成所述介质试件模型的预制；其中，所述介质试件模型、位于所述对称边界的一侧形成所述光弹涂层区，另一侧形成所述喷斑区。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述介质试件模型为透明介质试件模型，在所述步骤S10之前，所述方法还包括：搭建用于开展所述实验方法的实验系统，所述实验系统包括：第一卤素闪光灯光源、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光、第二卤素闪光灯光源、高速相机及图像处理分析装置；
其中，所述第一卤素闪光灯光源的光轴、高速相机的光轴、及所述起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光的中心位于同一条直线上，且所述第一卤素闪光灯光源、起偏镜及第一1/4波片由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧，第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片及高速相机从左到右依次设置于所述爆破加载台右侧，所述爆破加载台用于加载固定所述透明介质试件模型，所述第二卤素闪光灯光源设置于所述爆破加载台斜前方，用于为所述透明介质试件模型的喷斑区补光；
所述起偏镜与检偏镜的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片的快轴与起偏镜的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片的快轴与第一1/4波片的快轴呈90°夹角，所述高速相机的镜头朝向所述介质试件模型，且所述高速相机的光轴垂直于所述介质试件模型设置，所述高速相机与所述图像处理分析装置连接；
还包括：信号同步控制器及脉冲起爆器，所述信号同步控制器一端与所述脉冲起爆器连接，所述信号同步控制器另一端与所述高速相机连接，所述脉冲起爆器通过起爆线和炮孔中的炸药引线连接。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质试件模型为非透明介质试件模型，在步骤S10之前，所述方法还包括：准备一块至少具有对称设置的第一侧面与第二侧面的非透明介质，用于预制所述非透明介质模型，对所述第一侧面与第二侧面分别进行打磨处理，并清理表面的污渍和浮灰；
对第一侧面进行环氧树脂混合液的喷涂，喷涂完成之后，利用紫外光照射以进行固化，形成所述光弹涂层区；
对第二侧面喷涂白色的哑光漆作为底漆，待白色底漆晾干以后，再用UV喷涂技术在试件的表面喷涂上预定直径、密度和混合度的黑色斑点，形成所述喷斑区。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述介质试件模型为非透明介质试件模型，在所述步骤S10之前，所述方法还包括：搭建用于开展所述实验方法的实验系统，所述实验系统包括：第一卤素闪光灯光源、起偏镜、第一1/4波片、第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光、第二卤素闪光灯光源、第一高速相机、第二高速相机及图像处理分析装置；
其中，所述第一卤素闪光灯光源的光轴与所述起偏镜及第一1/4波片的中心位于第一直线上，且所述第一直线与非透明介质试件模型表面的法线呈45°角设置，所述第一卤素闪光灯光源、起偏镜及第一1/4波片由左向右依次设置于所述爆破加载台左侧；
所述第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片与第二高速相机从左到右依次设置于所述爆破加载台左侧，所述第二1/4波片、检偏镜、窄带滤光片的中心与第二高速相机的光轴位于第二直线上，且所述第二直线与所述非透明介质试件模型的光弹涂层区表面的法线呈45°角设置，且所述第二直线与所述第一直线关于所述非透明介质试件模型的中心线对称，所述爆破加载台用于加载固定所述非透明介质试件模型；
所述起偏镜与检偏镜的偏振轴位于水平方向且相互平行，第一1/4波片的快轴与起偏镜的偏振轴呈45°夹角，第二1/4波片的快轴与第一1/4波片的快轴呈90°夹角，所述第二高速相机的镜头朝向所述非透明介质试件模型的光弹涂层区，所述第一卤素闪光灯光源用于为所述光弹涂层区补光；
所述第一高速相机的镜头朝向且垂直于所述非透明介质试件模型的喷斑区，且所述第一高速相机的光轴与所述非透明介质试件模型的中心线共线，所述第二卤素闪光灯光源设置于所述喷斑区的右侧斜前方，用于为所述喷斑区补光；
所述第一高速相机与第二高速相机分别与所述图像处理分析装置连接；
还包括：信号同步控制器及脉冲起爆器，所述信号同步控制器一端与所述脉冲起爆器连接，所述信号同步控制器另一端分别与所述第一高速相机及第二高速相机连接，所述脉冲起爆器通过起爆线和炮孔中的炸药引线连接。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S20之前，所述方法还包括：在开始采集图像之前，建立介质试件模型的三维空间坐标与采集图像的像素点位置坐标系之间的映射关系。
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