CN113588448A - 脆性材料i型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料性能检测方法，公开了一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，包括如下步骤：A)制备有直切槽的试样(1)，在试样上喷印有点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对试样进行三点弯加载实验，利用数字图像测量装置测量各对位测量点处的裂尖张开位移量，以得出位移量时间变化曲线；C)根据试样规格和加载实验中对试样的载荷数据和应变数据得出试样的应力强度因子时间曲线得出加载率；D)结合位移量时间变化曲线，确定各对测量点的位移量的突增时间，以根据突增时间得出试样在该加载率下的动态裂纹扩展速度。本发明的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法能够不受试样尺寸的影响且精度高。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能检测方法，具体涉及一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法。
背景技术
岩石、混凝土作为我国地下空间工程中常见的开挖主体与支护主体材料，准确测定其在高速荷载下的裂尖张开位移及裂纹扩展速度对于爆破开挖、地震、机械冲击以及支护结构等均具有重要的工程意义。
以岩石、混凝土等为代表的脆性材料，其抗拉强度远小于抗压强度，而I型(张开型)裂纹往往意味着岩石的拉伸断裂，对工程稳定性造成了巨大的威胁，因此对于I型断裂的研究显得更为重要，而裂尖张开位移和裂纹扩展速度是反映材料失稳破裂过程的重要参数，对地质灾害的准确预报和工程结构的稳定运行及安全评价具有重要的参考价值。
目前常用于测试岩石类脆性材料裂尖张开位移和裂纹扩展速度的方法以接触式应变片法为主，但是应变片的粘贴位置受限于被测试样的尺寸，而且应变片在高速冲击下极易脱落、损坏，导致变形数据失真或者很难获取变形数据。
有鉴于此，需要提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其能够不受试样尺寸以及形状的影响，且具有更高的测量精度。
为实现以上发明目的，本发明提供一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，包括如下步骤：A)制备具有直切槽的试样，在所述试样的观测面上喷印点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对所述试样进行三点弯加载实验，并利用数字图像测量装置测量各对所述测量点处的裂尖张开位移量，以得出裂尖张开方向位移量时间变化曲线；C)根据所述试样的规格以及加载实验中所述试样的载荷数据和应变数据得出所述试样的应力强度因子时间曲线，以得出加载率；D)结合所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线，确定各对所述测量点沿裂尖张开方向位移量的突增时间，以根据所述突增时间得出所述试样在所述加载率下的动态裂纹扩展速度。
优选地，步骤A)中的所述试样为半圆盘试样，所述直切槽设于所述半圆盘试样上平面的中部，并沿所述半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。
具体地，步骤B)中所述点阵参考系的建立步骤包括：a)清理所述观测面，并喷涂底层涂层；b)在所述底层涂层上印戳或喷涂，以形成散点场，从而建立所述点阵参考系。
进一步具体地，步骤B)中所述三点弯加载实验基于霍普金森压杆设备进行，所述霍普金森压杆设备包括撞击杆、入射杆和透射杆，所述试样夹装于所述入射杆和所述透射杆之间，所述撞击杆撞击所述入射杆，所述入射杆上设有入射杆应变片，所述入射杆应变片与波形采集显示装置连接，以能够测量入射应变和反射应变，所述透射杆上设有透射杆应变片，所述透射杆应变片与所述波形采集显示装置连接，以能够测量透射应变。
进一步具体地，步骤B)中的所述数字图像测量装置包括高速相机和照明设备，该高速相机与所述波形采集显示装置以及所述计算机电连接，以实现该高速相机与所述波形采集显示装置的同步触发，并实时采集所述观测面的数字图像。
进一步具体地，所述计算机通过分析所述数字图像中的所述点阵参考系的变化得出裂尖张开方向位移云图，并根据该裂尖张开方向位移云图得出各对所述测量点在所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线。
进一步具体地，步骤C)中所述应力强度因子时间曲线由所述入射杆端的入射应力、所述透射杆端的透射应力以及无量纲应力强度因子得出。
进一步具体地，所述入射应力由所述入射杆的横截面积、所述入射杆的弹性模量、所述入射应变和所述反射应变得出；所述透射应力由所述透射杆的横截面积、所述入射杆的弹性模量以及所述透射应变得出；所述无量纲应力强度因子由所述直切槽的长度、所述半圆盘试样的半径和所述透射杆上用于支撑所述半圆盘试样的支撑点之间的距离得出。
进一步具体地，所述加载率为所述应力强度因子时间曲线近似弹性段的斜率。
进一步具体地，所述动态裂纹扩展速度由两对所述测量点沿裂尖张开方向位移量突增的时间差以及相邻的所述两对测量点之间沿裂纹扩展长度方向的间距得出。
本发明所要提供的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，以在试样的观测面上采用喷涂印戳的方法形成点阵参考系，并利用数字图像测量装置对点阵参考系中各个散点在沿裂尖张开方向的位移量进行测量。由于点阵参考系是喷涂印制于试样的观测面上，因此，一方面，能够使得参考系的布置不受试样尺寸大小的影响；另一方面，在试样受到撞击载荷产生形变的过程中，喷印的点阵参考系不会因为受到撞击而脱落，且喷印形成的点阵参考系对于试样的结构强度的影响极小，因而能够更为稳定以及准确地获取到点阵参考系上标定的观测点在沿裂尖张开方向的位移量时间变化曲线，从而能够更为精确地测量出裂纹扩展速度。
本发明实例的其它特征和优点将在随后的具体实例方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实例的流程图；
图2是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中实验装置示意图；
图3是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的正视图；
图4是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的剖视图；
图5是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一个实施例中试样的观测面示意图；
图6是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的应力强度因子时间曲线图；
图7是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开方向位移云图；
图8是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开方向位移量时间变化曲线图(其中0表示第一测量点61,1表示第二测量点62，2表示第三测量点63，3表示第四测量点64，COD01表示第一对测量点处的裂尖张开位移，COD23表示第二对测量点处的裂尖张开位移)；
图9是本发明脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法中的裂尖张开位移变化曲线图(COD01表示第一对测量点处的裂尖张开位移，COD23表示第二对测量点处的裂尖张开位移)。
附图标记说明
1-试样 11-直切槽
21-撞击杆 22-入射杆
221-入射杆应变片 23-透射杆
231-透射杆应变片 3-波形采集显示装置
4-计算机 51-高速相机
52-照明设备 61-第一测量点
62-第二测量点 63-第三测量点
64-第四测量点
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，下述的“竖直方向”是指直切槽11的宽度方向。
如图1所示，在本发明所提供的一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一种实施例中，其包括如下步骤：A)制备具有直切槽11的试样1，在试样1的观测面上喷印点阵参考系，并标定至少两对测量点；B)对试样1进行三点弯加载实验，并利用数字图像测量装置测量各对测量点处的裂尖张开位移量，以得出裂尖张开方向位移量时间变化曲线；C)根据试样1的规格以及加载实验中试样的载荷数据和应变数据得出试样的应力强度因子时间曲线，以得出加载率；D)结合裂尖张开方向位移量时间变化曲线，确定各对测量点沿裂尖张开方向位移量突增的时间，以根据突增时间得出试样在该加载率下的动态裂纹扩展速度。
本发明一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其以喷涂印戳的方式在试样1的观测面上形成点阵参考系，并利用数字图像测量装置对点阵参考系中各个散点在沿裂尖张开方向的位移量进行测量。由于点阵参考系是喷印于试样1的观测面上，因此，一方面，能够使得参考系的布置不受试样1的尺寸大小的影响；另一方面，在试样1受到撞击载荷产生形变的过程中，喷印的点阵参考系不会因为受到撞击而脱落，且喷印形成的点阵参考系对于试样的结构强度的影响极小，因而能够更为稳定以及准确地获取到点阵参考系上标定的观测点在沿裂尖张开方向的位移量时间变化曲线，从而能够更为精确地测量出裂纹扩展速度。
如图2所示，在本发明所提供的一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一种实施例中，对试样1的三点弯加载实验基于霍普金森压杆设备进行，具体地，霍普金森压杆设备包括撞击杆21、入射杆22和透射杆23，试样1夹装于入射杆22和透射杆23之间，其中撞击杆21通过撞击入射杆22对试样1施加高加载率的压载，并能够使得试样1产生裂纹；透射杆23用于承托试样1，透射杆23与试样1接触的一端形成有凹槽结构，在凹槽结构的两侧形成试样承托部用以承托试样1。其中，试样1的结构可如图3和图4所示，在本发明所提供的一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法的一种实施例中，试样1可设置为半圆盘试样，且直切槽11优选设于半圆盘试样上平面的中部，并沿半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样，在该半圆盘试样夹装与入射杆22和透射杆23之间时，半圆盘试样上的平面与透射杆上的试样承托部上设置的支撑点相接触，且要保证直切槽11能够处于两试样承托部之间；半圆盘试样上的曲面与入射杆相接触，且曲面与入射杆相接触的位置优选设置在直切槽11的长度方向上，以使得试样11受到撞击时易于产生裂纹。
由于在加载率较高时裂纹扩展速度大小会受到加载率大小的影响，因此需要在测量裂纹扩展速度时对加载率也进行测量。
具体地，裂纹扩展速度的测量基于数字图像测量装置进行，图像测量装置包括高速相机51和照明设备52，该高速相机51与波形采集显示装置3以及计算机4电连接，以实现该高速相机51与波形采集显示装置3的同步触发，并实时采集观测面的数字图像。高速相机51安装在距试样1的观测面中心法线1m的位置处，调整镜头表面与观测面平行，并根据试样1的尺寸和工作距离等合理设置高速相机51的参数，以保证拍摄物像(观测面)清晰并位于相机靶面的中心，且该高速相机51优选为能够实现微秒级的高速拍摄，例如拍摄速度为100000帧/秒；照明设备52可设置为2盏高速相机专用LED点光源高强照明灯，并分别安置于试样两侧，且保证与试样观测表面的距离为20-40cm，以在拍摄过程提供稳定的光源；计算机4中包括DIC(Digital Image Correlation，数字图像相关技术)分析及计算软件用于对图像中点阵参考系中各点以及测量点的位移量。
裂纹扩展速度测量的具体方法可如下所示：
首先，如图5所示，在试样1的观测面上建立点阵参考系，建立点阵参考系时，需要先对观测面进行清理，清理完成后对整个观测面进行喷涂，以形成底层涂层，喷涂材料优选为哑光材料，以防止反光量过大使得计算机4中的DIC分析软件不能清楚准确地识别出散点；待底层涂层凝固干燥后，在底层涂层上以印戳或喷涂的方式形成散点场以建立点阵参考系，需要注意的是，需要保证底层涂层的涂料颜色与散点的颜色有较高的对比度，例如涂料颜色为白色，则散点的颜色应选择红色、黑色或紫色等，特别地，散点需要随机分布，以保证散点能够随试样1的形变而产生位移，且还需要保证散点的尺寸不小于像素颗粒大小的3倍，使得计算机4中的DIC分析软件能够清楚准确地识别出散点，从而通过DIC分析软件分析高速相机51在三点弯加载实验中拍摄的点阵参考系变化图像，得到如图7所示的裂尖张开方向位移云图，即各散点的相对位移云图，其中V表示竖直方向，则正值V+表示竖直方向的正方向，负值V-表示竖直方向的负方向。
此外，如图5所示，在点阵参考系中还标定有两对测量点，其中，第一对测量点包括第一测量点61和第二测量点62，第二对测量点包括第三测量点63和第四测量点64；每对测量点中的两个测量点分别布置在裂尖张开方向的两侧，以能够通过每对测量点中的两个测量点的间距变化反映出裂纹的裂尖张开位移变化。则将第一测量点61和第二测量点62以及第三测量点63和第四测量点64所在的位置与裂尖张开方向位移云图相结合，并进一步引入时间坐标，得到两对测量点处裂纹的裂尖张开位移与时间的对应关系，形成如图8所示的裂尖张开方向位移量时间变化曲线图，则通过计算每对测量点中两个测量点的位移差即可得到如图9所示的裂尖张开位移(COD)变化曲线图，具体计算方法为：
COD＝|ΔV|＝V+-V-
在得出裂尖张开位移变化曲线图后，可以以COD突增的时间作为裂纹起裂的标志，最后根据两对测量点沿裂纹扩展长度方向的水平距离ΔL以及两对测量点处COD突增时间的间隔Δt求得动态裂纹扩展速度CPV，具体计算公式如下：
进一步具体地，加载率需要根据试样1的规格以及加载实验中试样1的载荷数据和应变数据得出。以半圆盘试样为例，试样1的规格包括直切槽长度Ln、半圆盘式样的半径R以及半圆盘式样的厚度T；试样1的载荷数据包括入射杆22端的入射应力P1(t)、透射杆23端的透射应力P2(t)；试样1的应变数据包括入射应变εI(t)、反射应变εR(t)和透射应变εT(t)。其中，入射应变εI(t)和反射应变εR(t)由设于入射杆22上并与波形采集显示装置3连接的入射杆应变片221测得；透射应变εT(t)由设于透射杆23上并与波形采集显示装置3连接的透射杆应变片231测得。加载率
的具体计算步骤如下：
P1(t)＝AeEe[εI(t)+εR(t)]…(1)
P2(t)＝AeEeεT(t)…(2)
首先，计算入射应力P1(t)和透射应力P2(t)，如式(1)所示，入射应力P1(t)由入射杆22的横截面积Ae、入射杆22的弹性模量Ee、入射应变εI(t)和反射应变εR(t)得出，如式(2)所示，透射应力P2(t)由透射杆23的横截面积Ae、透射杆23的弹性模量Ee以及透射应变εT(t)得出；随后，如式(3)所示，根据入射应力P1(t)和透射应力P2(t)求得平均应力P(t)，并如式(4)所示，根据平均应力P(t)、无量纲应力强度因子Y′、直切槽长度Ln、半圆盘式样的半径R以及半圆盘式样的厚度T得到应力强度因子与时间的函数关系KI(t)，从而得到如图6所示的应力强度因子时间曲线，其中，β为直切槽长度Ln与半圆盘式样的半径R的比，S为两试样承托部上支撑点之间的距离；在得到应力强度因子时间曲线之后，选取该曲线中峰值前的近似弹性段时间(t1，t2)，根据式(7)可求得对试样1施加压载的加载率
从而能够实现加载率
与动态裂纹扩展速度CPV的对应。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (10)
1.一种脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)制备具有直切槽(11)的试样(1)，在所述试样(1)的观测面上喷印点阵参考系，并标定至少两对测量点；
B)对所述试样(1)进行三点弯加载实验，并利用数字图像测量装置测量各对所述测量点处的裂尖张开位移量，以得出裂尖张开方向位移量时间变化曲线；
C)根据所述试样(1)的规格以及加载实验中所述试样的载荷数据和应变数据得出所述试样(1)的应力强度因子时间曲线，以得出加载率；
D)结合所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线，确定各对所述测量点沿裂尖张开方向的位移量的突增时间，以根据所述突增时间得出所述试样(1)在所述加载率下的动态裂纹扩展速度。
2.根据权利要求1所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤A)中的所述试样(1)为半圆盘试样，所述直切槽(11)设于所述半圆盘试样上平面的中部，并沿所述半圆盘试样的厚度方向贯穿该半圆盘试样。
3.根据权利要求2所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤(1)中所述点阵参考系的建立步骤包括：
a)清理所述观测面，并喷涂底层涂层；
b)在所述底层涂层上印戳或喷涂，以形成散点场，从而建立所述点阵参考系。
4.根据权利要求3所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤B)中所述三点弯加载实验基于霍普金森压杆设备进行，所述霍普金森压杆设备包括撞击杆(21)、入射杆(22)和透射杆(23)，所述试样(1)夹装于所述入射杆(22)和所述透射杆(23)之间，所述撞击杆(21)能够撞击所述入射杆(22)，所述入射杆(22)上设有入射杆应变片(221)，所述入射杆应变片(221)与波形采集显示装置(3)连接，以能够测量入射应变和反射应变，所述透射杆(23)上设有透射杆应变片(231)，所述透射杆应变片(231)与所述波形采集显示装置(3)连接，以能够测量透射应变。
5.根据权利要求4所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤B)中的所述数字图像测量装置包括高速相机(51)和照明设备(52)，该高速相机(51)与所述波形采集显示装置(3)以及计算机(4)电连接，以实现该高速相机(51)与所述波形采集显示装置(3)的同步触发，并实时采集所述观测面的数字图像。
6.根据权利要求5所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，所述计算机(4)通过分析所述数字图像中的所述点阵参考系的变化得出裂尖张开方向位移云图，并根据该裂尖张开方向位移云图得出各对所述测量点在弹性段内的所述裂尖张开方向位移量时间变化曲线。
7.根据权利要求6所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，步骤C)中所述应力强度因子时间曲线由所述入射杆(22)端的入射应力、所述透射杆(23)端的透射应力以及无量纲应力强度因子得出。
8.根据权利要求7所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，所述入射应力由所述入射杆(22)的横截面积、所述入射杆(22)的弹性模量、所述入射应变和所述反射应变得出；所述透射应力由所述透射杆(23)的横截面积、所述入射杆(23)的弹性模量以及所述透射应变得出；所述无量纲应力强度因子由所述直切槽(11)的长度、所述半圆盘试样的半径和所述透射杆(23)上用于支撑所述半圆盘试样的支撑点之间的距离得出。
9.根据权利要求8所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，所述加载率为所述应力强度因子时间曲线近似弹性段的斜率。
10.根据权利要求9所述的脆性材料I型裂纹裂尖张开位移及裂纹扩展速度测量方法，其特征在于，所述动态裂纹扩展速度由两对所述测量点沿裂尖张开方向位移量突增的时间差以及相邻的所述两对测量点之间沿裂纹扩展长度方向的间距得出。
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