CN113218750A - 岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，包括对待观测的岩石平面进行处理；连续获取待观测的岩石平面在断裂前后的图像数据信息；计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度；根据连续获取的图像数据信息之间的时间间隔计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间；计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。本发明还公开了一种实现所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法的测量装置。本发明通过数字图像技术，实现了岩石断裂裂纹扩展速度的测量，不仅克服了肉眼观察主观性强、精度不足、贴应变片步骤繁琐、成本高等弊端，而且可靠性高、精确度高且简单方便。
Description
技术领域
本发明属于岩石测量领域，具体涉及一种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法及测量装置。
背景技术
岩石的裂纹扩展速度是重要的岩石断裂力学参数之一；特别是动态断裂过程中，岩石的动态裂纹扩展韧度与其裂纹扩展速度紧密相关，如何精确获取岩石裂纹扩展速度，特别是在动态加载条件下的裂纹扩展速度，对确定岩石动态裂纹扩展韧度和理解岩石断裂特性具有重要的作用。但由于岩石等脆性材料断裂时裂纹扩展速度快，且由于岩石的不均质性使得裂纹扩展路径复杂，以致无法准确测定岩石的裂纹扩展速度。
目前，常用的岩石裂纹扩展速度测试方法主要如下两种：(1)基于高速摄影图片的肉眼观测法，通过肉眼确定高速摄影图片上岩石表面裂纹扩展位置变化，根据图片间隔时间确定裂纹扩展速度。此方法简单便捷，但受限于高速照片的像素和人眼的分辨精度，测定的裂纹扩展速度精度不足，受观测者的主观意识影响较大；(2)基于应变片的信号测试法，将一排平行的应变片或特制的裂纹扩展计沿着预计裂纹扩展方向粘贴，当裂纹扩展至此，该位置的应变片发生断裂，电信号发生跃升，根据电信号图片时刻和应变片粘贴位置可计算裂纹扩展速度，此方法在测试金属材料时效果较好，但应用于岩石类材料时存在如下弊端：(1)岩石等不均质材料的裂纹扩展路径通常难以确定；(2)应变片中电阻丝的韧性较强，其断裂应变大于岩石断裂应变，导致岩石起裂时电阻丝还能承受一定的变形，故电信号的变化具有一定滞后性。此外，粘贴联排应变片步骤繁琐，而特制裂纹扩展计价格较高，还需自制电阻回路，操作复杂。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、精确度高且简单方便的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法的测量装置。
本发明提供的这种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，包括如下步骤：
S1.对待观测的岩石平面进行处理；
S2.连续获取待观测的岩石平面在断裂前、后的图像数据信息；
S3.根据步骤S2获取的图像数据信息，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度；
S4.根据步骤S2中连续获取的图像数据信息之间的时间间隔，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间；
S5.根据步骤S3得到的裂纹扩展长度和步骤S4得到的裂纹扩展时间，计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。
所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，还包括如下步骤：
S0.采用高速摄像仪采集待观测的岩石平面的图像数据信息，并对高速摄像仪进行设置。
所述的对高速摄像仪进行设置，具体包括如下步骤：
A.将高速摄像仪的镜头轴线垂直于待观测的岩石平面；
B.设定高速摄像仪与待观测的岩石平面之间的距离，以及高速摄像仪的焦距，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据的清晰度满足设定的要求；
C.设定高速摄像仪的最优采样频率，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据信息满足设定的要求。
步骤S1所述的对待观测的岩石平面进行处理，具体为保证待观测的岩石平面的平整度小于设定值，而且在待观测的岩石平面制作白底黑点的散斑场。
步骤S2所述的连续获取待观测的岩石平面在断裂前、后的图像数据信息，具体为获取待观测的岩石平面在正常情况下的图像数据信息，同时获取待观测的岩石平面在裂纹起裂扩展时段的图像数据信息。
步骤S3所述的根据步骤S2获取的图像数据信息，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度，具体为采用如下步骤得到裂纹扩展长度：
(1)沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
(2)计算裂纹扩展后两组虚拟位移计算组之间的间距，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展长度。
步骤S4所述的根据步骤S2中连续获取的图像数据信息之间的时间间隔，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间，具体为采用如下步骤得到裂纹扩展时间：
a.沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
b.根据观测的岩石平面在实验前的图像数据(参考图像)和在裂纹起裂扩展时段的图像数据，利用数字图像相关技术，计算得到水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果；
c.根据步骤b得到的水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果，计算得到各个测点的水平方向位移和竖直方向位移；
d.根据步骤c得到的各个测点的水平方向位移和竖直方向位移，计算得到各个测点处垂直于裂纹方向的位移分量；
e.计算每一组测点之间的垂直于裂纹方向的位移分量的差值，从而得到对应的虚拟位移计算组的裂纹张开位移；
f.根据步骤e得到的虚拟位移计算组的裂纹张开位移和对应的图像数据信息的获取时间，得到裂纹张开位移与时间之间的演化曲线；
g.在步骤f得到的演化曲线上，裂纹张开位移的突变时刻为对应的裂纹扩展时刻；
h.计算两组虚拟位移计算组所对应的裂纹扩展时刻之间的时间差值，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展时间。
步骤S5所述的根据步骤S3得到的裂纹扩展长度和步骤S4得到的裂纹扩展时间，计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度，具体为计算裂纹扩展长度与裂纹扩展时间的商，从而得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。
本发明还提供了一种实现所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法的测量装置，包括高速摄像仪和上位机；高速摄像仪与上位机连接；高速摄像仪用于获取待观测的岩石平面的图像数据信息，并将获取的图像数据信息上传上位机；上位机用于根据接收到的图像数据信息，采用所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，计算得到最终的待观测的岩石平面的岩石断裂裂纹扩展速度。
本发明提供的这种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法及测量装置，通过数字图像技术，实现了岩石断裂裂纹扩展速度的测量，不仅克服了肉眼观察主观性大、精度不足、贴应变片步骤繁琐、成本高等弊端，而且可靠性高、精确度高且简单方便。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明的实验室实施例的测量示意图。
图3为本发明的实验室实施例的虚拟位移计布置示意图。
图4为本发明的实验室实施例的虚拟位移计测量裂纹COD的结果示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，包括如下步骤：
S0.采用高速摄像仪采集待观测的岩石平面的图像数据信息，并对高速摄像仪进行设置；具体包括如下步骤：
A.将高速摄像仪的镜头轴线垂直于待观测的岩石平面；
B.设定高速摄像仪与待观测的岩石平面之间的距离，以及高速摄像仪的焦距，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据的清晰度满足设定的要求；
C.设定高速摄像仪的最优采样频率，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据信息满足设定的要求；
S1.对待观测的岩石平面进行处理；具体为保证待观测的岩石平面的平整度小于设定值(平整度小于2％)，而且在待观测的岩石平面制作白底黑点的散斑场；
S2.连续获取待观测的岩石平面在断裂前、后的图像数据信息；具体为获取待观测的岩石平面在实验前的图像数据信息，同时获取待观测的岩石平面在裂纹起裂扩展时段的图像数据信息；
S3.根据步骤S2获取的图像数据信息，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度；具体为采用如下步骤得到裂纹扩展长度：
(1)沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
(2)计算裂纹扩展后两组虚拟位移计算组之间的间距，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展长度；
S4.根据步骤S2中连续获取的图像数据信息之间的时间间隔，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间；具体为采用如下步骤得到裂纹扩展时间：
a.沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
b.根据观测的岩石平面在正常情况下的图像数据和在裂纹起裂扩展时段的图像数据，计算得到水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果；
c.根据步骤b得到的水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果，计算得到各个测点的水平方向位移和竖直方向位移；
d.根据步骤c得到的各个测点的水平方向位移和竖直方向位移，计算得到各个测点处垂直于裂纹方向的位移分量；
e.计算每一组测点之间的垂直于裂纹方向的位移分量的差值，从而得到对应的虚拟位移计算组的裂纹张开位移；
f.根据步骤e得到的虚拟位移计算组的裂纹张开位移和对应的图像数据信息的获取时间，得到裂纹张开位移与时间之间的演化曲线；
g.在步骤f得到的演化曲线上，裂纹张开位移的突变时刻为对应的裂纹扩展时刻；
h.计算两组虚拟位移计算组所对应的裂纹扩展时刻之间的时间差值，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展时间；
S5.根据步骤S3得到的裂纹扩展长度和步骤S4得到的裂纹扩展时间，计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度；具体为计算裂纹扩展长度与裂纹扩展时间的商，从而得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。
以下结合一个实验室实施例，对本发明方法进行进一步说明：
图2为本发明的实验室实施例的测量示意图；图中标号为：
1、动力发生装置；2、入射杆；3、动态应变片；4、透射杆；5、高强聚光灯；6、带散斑的直切槽半圆盘试样；7、惠斯通电桥；8、动态应变仪；9、示波器；10、高速摄像仪
该实施例中，采用动态直切槽半圆盘弯曲实验为例，试样为直切槽半圆盘，直径为50mm，直切槽长度为5mm；同时采用加载装置，诱导试样产生裂纹，并同时启动高速摄像仪，记录试样的破坏过程。
实验时，在试样观测平面制作白点黑底的散斑场；
调试好霍普金森压杆装置，并将试样夹持于入射杆和透射杆之间；
高速摄像仪拍摄频率为125000帧/秒，即拍摄时间间隔为8μs，分辨率为256×224像素。调整高速摄像仪的位置、焦距等，使之镜头垂直于试样观测平面，且观测试样全貌在相机视野之内；
启动动力发生装置，产生荷载冲击试样，使之发生破裂，此实施例的加载率为26.4GPa·m1/2/s。当入射杆应变片信号大于-34mV时，示波器可产生TTL脉冲触发高速摄像仪开始记录试样裂纹扩展过程，从而可实现加载与记录的同步；
利用数字图像相关技术处理软件，导入参考图片和目标图片，可获得目标图片的位移场；
沿着裂纹扩展路径方向布置两个虚拟位移计(如图3所示，图3中，11为试样表面垂直方向位移场；12为裂纹路径；13为预制裂纹尖端；14为虚拟位移计1；15为虚拟位移计2)，其中虚拟位移计1距离裂纹尖端5个像素，虚拟位移计2距离虚拟位移计60个像素，根据数字图像相关处理软件可得每个像素直径约为0.26306mm，两虚拟位移计间隔距离为L＝0.26306×60＝15.7836mm；
通过布置的虚拟位移计，可获得对应位置的裂纹垂直方向张开位移COD，结果如图4所示(图4中，1为虚拟位移计1的COD结果；2虚拟位移计2的COD结果)。COD曲线上升时刻即表示裂纹扩展至此。虚拟位移计1位置起裂时间为88μs，而虚拟位移计2位置起裂时间为144μs，则两虚拟位移计间裂纹扩展时间为△t＝144-88＝56μs；
最后，计算得到裂纹扩展速度为：Vc＝L/△t＝15.7836mm/56μs＝281.9m/s。
此外，本发明还提供了一种实现所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法的测量装置，包括高速摄像仪和上位机；高速摄像仪与上位机连接；高速摄像仪用于获取待观测的岩石平面的图像数据信息，并将获取的图像数据信息上传上位机；上位机用于根据接收到的图像数据信息，采用所述岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，计算得到最终的待观测的岩石平面的岩石断裂裂纹扩展速度。
Claims (9)
1.一种岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，包括如下步骤：
S1.对待观测的岩石平面进行处理；
S2.连续获取待观测的岩石平面在断裂前、后的图像数据信息；
S3.根据步骤S2获取的图像数据信息，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度；
S4.根据步骤S2中连续获取的图像数据信息之间的时间间隔，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间；
S5.根据步骤S3得到的裂纹扩展长度和步骤S4得到的裂纹扩展时间，计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。
2.根据权利要求1所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，还包括如下步骤：
S0.采用高速摄像仪采集待观测的岩石平面的图像数据信息，并对高速摄像仪进行设置。
3.根据权利要求2所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于所述的对高速摄像仪进行设置，具体包括如下步骤：
A.将高速摄像仪的镜头轴线垂直于待观测的岩石平面；
B.设定高速摄像仪与待观测的岩石平面之间的距离，以及高速摄像仪的焦距，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据的清晰度满足设定的要求；
C.设定高速摄像仪的最优采样频率，从而保证高速摄像仪采集到的图像数据信息满足设定的要求。
4.根据权利要求1～3之一所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于步骤S1所述的对待观测的岩石平面进行处理，具体为保证待观测的岩石平面的平整度小于设定值，而且在待观测的岩石平面制作白底黑点的散斑场。
5.根据权利要求4所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于步骤S2所述的连续获取待观测的岩石平面在断裂前、后的图像数据信息，具体为获取待观测的岩石平面在正常情况下的图像数据信息，同时获取待观测的岩石平面在裂纹起裂扩展时段的图像数据信息。
6.根据权利要求5所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于步骤S3所述的根据步骤S2获取的图像数据信息，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展长度，具体为采用如下步骤得到裂纹扩展长度：
(1)沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
(2)计算裂纹扩展后两组虚拟位移计算组之间的间距，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展长度。
7.根据权利要求6所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于步骤S4所述的根据步骤S2中连续获取的图像数据信息之间的时间间隔，计算待观测的岩石在区段上的裂纹扩展时间，具体为采用如下步骤得到裂纹扩展时间：
a.沿着裂纹方向设置两组虚拟位移计算组，每一组虚拟位移计算组均包括两个测点，测点位于裂纹两侧且测点连接垂直于裂纹方向；
b.根据观测的岩石平面在正常情况下的图像数据和在裂纹起裂扩展时段的图像数据，计算得到水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果；
c.根据步骤b得到的水平方向位移场结果和竖直方向的位移场结果，计算得到各个测点的水平方向位移和竖直方向位移；
d.根据步骤c得到的各个测点的水平方向位移和竖直方向位移，计算得到各个测点处垂直于裂纹方向的位移分量；
e.计算每一组测点之间的垂直于裂纹方向的位移分量的差值，从而得到对应的虚拟位移计算组的裂纹张开位移；
f.根据步骤e得到的虚拟位移计算组的裂纹张开位移和对应的图像数据信息的获取时间，得到裂纹张开位移与时间之间的演化曲线；
g.在步骤f得到的演化曲线上，裂纹张开位移的突变时刻为对应的裂纹扩展时刻；
h.计算两组虚拟位移计算组所对应的裂纹扩展时刻之间的时间差值，从而得到两组虚拟位移计算组之间区段的裂纹扩展时间。
8.根据权利要求7所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，其特征在于步骤S5所述的根据步骤S3得到的裂纹扩展长度和步骤S4得到的裂纹扩展时间，计算得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度，具体为计算裂纹扩展长度与裂纹扩展时间的商，从而得到最终的岩石断裂裂纹扩展速度。
9.一种实现权利要求1～8之一所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法的测量装置，其特征在于包括高速摄像仪和上位机；高速摄像仪与上位机连接；高速摄像仪用于获取待观测的岩石平面的图像数据信息，并将获取的图像数据信息上传上位机；上位机用于根据接收到的图像数据信息，采用权利要求1～8之一所述的岩石断裂裂纹扩展速度的测量方法，计算得到最终的待观测的岩石平面的岩石断裂裂纹扩展速度。
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