CN114544391B - 高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法，所述装置包括：动静组合剪切加载系统、法向拉力加载机构及温控系统。本装置通过设置动态拉剪模具实现法向拉应力作用下的骨头状岩石类固体材料动态剪切试验研究，通过设置对中模块减少由于剪切位移导致的偏心拉应力，设置控温箱体对试样温度进行调节，可以开展高温条件下岩石等固体材料在静态拉应力作用下的动静组合剪切力学特性测试研究，使得本发明下的岩石等固体材料动态拉剪力学特性测试结果更加接近真实情况，对工程实践具有重要的科学价值和实际意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种实验装置，尤其涉及岩石和混凝土等固体材料动静组合拉剪实验技术领域。
背景技术
随着工业化与现代化进程的推进，世界范围内的自然资源需求日益增加，传统自然资源作为主要能源资源其开发与利用日渐向地壳深处发展。高温(100～300℃)作为深部开采的主要特征之一，对岩石材料强度及变形性能有极大影响；同时，在地震、开采及爆破等自然或人为动态扰动的作用下，岩石破坏比常温、静态条件下更加突然且规模往往更大。在高温与动态扰动的共同作用下深部开采往往面临着围岩大变形、失稳、岩爆等威胁生产安全的工程问题。因此开展岩石等固体材料在高温条件下的动态拉剪实验研究，了解并掌握其动态力学响应和破坏模式对矿山等地下工程的科学设计、安全运营以及稳定性评估等具有十分重要的作用。
目前，由于缺少可用于开展动态拉剪实验的实验装置，少有人开展岩石等固体材料的动态拉剪力学性能研究。近年来，虽然有学者提供了一种法向拉应力作用下的岩石动力剪切强度测试装置(例如CN 213516698U)，可以开展法向拉应力作用下的动态剪切试验，但该实验方法通过高强度结构胶连接试样及模具，结构胶强度受到温度的影响，无法开展高温下动态拉剪实验，更无法开展高温环境下岩石等固体材料动静组合拉剪加载条件下的力学特性实验研究。
因此，需要对现有用于开展动态拉剪实验的分离式霍普金森压杆装置进行创新改进，以解决现有技术难点。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法，用于解决偏心拉力对高温动态拉剪实验结果的影响，进而开展高温下的骨头状岩石类材料动静组合拉剪实验。为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，包括试样、动静组合剪切加载系统、法向拉力加载机构以及温控系统；试样为骨头状试样，测试装置以待测试的试样为中心，动静组合剪切加载系统以试样为中心布置于试样左右两侧，法向拉力加载机构以试样为对称中心垂直于加载杆轴向平面上下对称设置，动静组合剪切加载系统包括静态剪切加载机构和动态剪切加载机构，静态剪切加载机构为试样提供静态剪切荷载，动态剪切加载机构为试样提供动态剪切荷载；试样设置在温控系统内部，温控系统为设置在其内部的试样升温，通过温控系统设置目标温度及升温速率且将温度维持在目标温度，使得在设计温度开展实验；上法向拉力加载机构包括上拉力加载油缸、上拉力对中模块、上拉力施加模具及滚珠，其中上拉力加载油缸位于最上方，上拉力对中模块整体为T形，上拉力对中模块翼缘放置于上拉力施加模具预留滑槽中，两者间设有滚珠，滚珠预先放入上拉力施加模具滑槽内部上、下表面限位槽中，上拉力施加模具下部圆弧状棘爪与骨头状试样圆弧过渡段紧密贴合；下法向拉力加载机构包括下拉力加载油缸、下拉力对中模块、下拉力施加模具及滚珠，其中下拉力加载油缸位于最下方，下拉力对中模块翼缘放置于下拉力施加模具预留滑槽中，两者间设有滚珠，滚珠预先放入下拉力施加模具滑槽内部上、下表面限位槽中，下拉力施加模具上部为圆弧状棘爪与骨头状试样圆弧过渡段紧密贴合。
作为本发明的进一步改进，所述动态剪切加载机构包括右侧动态剪切加载机构和左侧动态剪切加载机构；右侧动态剪切加载机构包括右侧动态加载电磁脉冲发射器底座、右侧动态加载电磁脉冲发射器、右侧加载杆及右侧加载模具，其中右侧动态加载电磁脉冲发射器底座、右侧动态加载电磁脉冲发射器放置于右侧加载框中，右侧加载杆与右侧动态加载电磁脉冲发射器共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器左端面与右侧加载杆的右端面自由贴合，右侧加载模具套接于右侧加载杆左端，右侧加载模具左端面与试样中间拉剪区域右侧表面紧密贴合；左侧动态剪切加载机构包括左侧动态加载电磁脉冲发射器、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座、左侧加载杆及左侧加载模具，其中左侧动态加载电磁脉冲发射器、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座放置于左侧加载框中，并能够沿加载杆轴线方向左右移动，左侧加载杆与左侧动态加载电磁脉冲发射器共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器右端面与左侧加载杆的左端面自由贴合，左侧加载模具套接于左侧加载杆右端，左侧加载模具右端面与试样中间拉剪区域左侧表面紧密贴合。
作为本发明的进一步改进，所述静态剪切加载机构包括右侧静态剪切加载机构和左侧静态剪切加载机构；右侧静态剪切加载机构包括右侧静态加载油缸底座、右侧静态加载油缸、右侧静态加载油缸活塞，右侧加载框及右侧法兰环，其中右侧静态加载油缸底座位于整体实验装置最右端，右侧静态加载油缸固定于右侧静态加载油缸底座上，右侧静态加载油缸活塞为右侧静态加载油缸的液压作动机构，右侧静态加载油缸活塞左端面与右侧加载框右端面自由贴合，右侧加载框左端面与右侧法兰环右端面自由接触；左侧静态剪切加载机构包括左侧静态加载油缸底座、左侧静态加载油缸、左侧静态加载油缸活塞、左侧加载框及左侧法兰环，其中左侧静态加载油缸底座位于整体实验装置最左端，左侧静态加载油缸固定左侧静态加载油缸底座上，左侧静态加载油缸活塞为左侧静态加载油缸的液压作动机构，左侧静态加载油缸活塞右端面与左侧加载框左端面自由贴合，左侧加载框左端面与左侧法兰环右端面自由接触。
作为本发明的进一步改进，左侧加载模具、右侧加载模具起到传递荷载的作用，右侧加载模具的形状与尺寸与右侧加载杆形状与尺寸吻合，以传递由右侧动态加载电磁脉冲发射器输出的应力波，右侧加载模具靠近试样一侧为凸出结构，凸出结构过模具圆心垂直于剪切加载系统与法向拉力系统所在平面，左侧加载模具的形状与尺寸与左侧加载杆形状与尺寸吻合，以传递由左侧动态加载电磁脉冲发射器输出的应力波，左侧加载模具靠近试样一侧为凸出结构，左侧加载模具凸出结构中间的凹槽与右侧加载模具凸出部分耦合，为对试样施加剪切荷载。
作为本发明的进一步改进，左侧加载模具及右侧加载模具为套筒结构。
作为本发明的进一步改进，温控系统包括第一控温箱体、第二控温箱体、温度传感器、观察窗及温度显示器，其中所述第一控温箱体与第二控温箱体均包括：升温层、保温层以及外壳，第一控温箱体与第二控温箱体固定为一可拆卸式温控箱，上拉力施加模具、下拉力施加模具、试样以及右侧加载模具和左侧加载模具放置于由第一控温箱体与第二控温箱体构成的温控箱中，第一控温箱体与第二控温箱体上下两侧分别预制放置上拉力对中模具与下拉力对中模具的通孔，第一控温箱体与第二控温箱体左右两侧分别预制放置左侧加载杆与右侧加载杆的通孔，温度传感器位于由第一控温箱体与第二控温箱体组成的温控箱中，与温度传感器相连的温度显示器位于第一控温箱体或第二控温箱体外表面，观察窗设置于第一控温箱体或第二控温箱体中间部分，由透明耐高温玻璃构成。
作为本发明的进一步改进，还包括左侧应变片和右侧应变片，其中左侧应变片和右侧应变片分别粘贴于左侧加载杆和右侧加载杆表面中间位置。
作为本发明的进一步改进，所述骨头状试样，两端比中间被拉伸部分略宽，两端与中间受剪切部分以圆弧过渡。
一种高温下岩石类材料动静组合拉剪力学特性测试方法，所述方法利用上述任意一项所述的测试装置进行测试，测试方法包括如下步骤：
试样升温、法向静态拉应力加载、轴向静态剪切应力加载以及轴向动态剪切加载四个部分，每一部分的施加均独立进行，其中试样升温、法向静态拉应力加载、轴向静态剪切应力加载为可选项，根据需要选择进行加载；
试样升温时，升温层按设定升温速率将试样升温至目标温度，温度显示器实时显示由温度传感器测得的温控系统内部温度，达到温度目标后由保温层进行保温；
上方法向荷载施加时，计算机软件伺服控制上拉力加载油缸对上拉力对中模块施加向上的荷载，上拉力对中模块通过翼缘将荷载传递给上拉力施加模具，之后通过圆弧状棘爪传递给试样上方圆弧过渡段；
下方法向荷载施加时，计算机软件伺服控制下拉力加载油缸对下拉力对中模块施加向下的荷载，下拉力对中模块通过翼缘将荷载传递给下拉力施加模具，之后通过圆弧状棘爪传递给试样下方圆弧过渡段；
右侧静态剪切荷载加载时，右侧静态加载油缸由计算机软件伺服控制驱动右侧静态加载油缸活塞加载，右侧静态加载油缸活塞将荷载由右侧加载框、右侧法兰环、右侧加载杆、右侧加载模具传递到试样；
左侧静态剪切荷载加载时，左侧静态加载油缸由计算机软件伺服控制驱动左侧静态加载油缸活塞加载，左侧静态加载油缸活塞将荷载由左侧加载框、左侧法兰环、左侧加载杆、左侧加载模具传递到试样；
右侧动态剪切荷载加载时，计算机软件控制右侧动态加载电磁脉冲发射器激发并从其左端面输出荷载，荷载以应力波形式在右侧加载杆中自右向左传播到右侧加载模具对试样进行右侧动态剪切加载；
左侧动态剪切荷载加载时，计算机软件控制左侧动态加载电磁脉冲发射器激发并从其右表面输出荷载，荷载以应力波形式在左侧加载杆中自左向右传播到左侧加载模具对试样进行左侧动态剪切加载；
数据监测与采集系统主要由同步高速记录仪、应变片和摄影仪构成；
动态拉剪加载过程中，左侧应变片和右侧应变片分别将左侧加载杆和右侧加载杆上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存，最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动态压剪加载过程亦可通过摄影仪实时拍摄试样表面动态应变演化及破坏全过程用于分析试样动态压剪加载下的变形与破坏规律。
作为本发明的进一步改进，动态加载中，根据一维应力波传播理论，当左右两侧加载杆上应变片分别监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时，可认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同温度环境、不同拉应力和剪切加载条件下岩石等固体材料的动态剪切应力，具体公式为：
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片从左侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片从右侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态轴向剪切荷载。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种开展高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置和测试方法，通过将材料处理为骨头状试样施加法向静态拉应力，避免高强度结构胶的使用，使得能够在高温下对试样施加静态拉应力，解决了现有拉剪加载过程无法实时考虑环境温度影响的技术难题，并且通过在温度控制箱上设置的透明观察窗，可以在实验过程中结合超高速摄影量测等其他监/观测手段对其动态剪切破坏全过程进行实时监/观测研究和分析；本发明通过在拉力对中模块翼缘和拉力施加模具滑槽接触面设置滚珠，使滚珠位于拉力施加模具滑槽内部上、下表面限位槽中，保证剪切过程中法向拉应力始终垂直于轴向加载，解决了现有拉剪强度测试实验装置拉力偏心的问题；左侧加载模具和右侧加载模具构成双剪模具，针对骨头状试样，利用双剪模具对骨头状试样施加荷载的优点在于，一方面其可以调整应力分布从而对试样施加剪切荷载，另一方面其可以避免试样由于长宽比较大而在加载过程中发生的折断等问题；左右两侧加载模具可以直接方便地应用于开展动态压缩试验的传统力学实验系统当中，在现有试验设备的基础上开展动态剪切试验，节省实验室空间及成本；此外，本发明通过设置静态轴压加载系统，解决了现有装置无法开展高温环境下岩石等固体材料动静组合加载条件下的剪切力学测试难题。
附图说明
图1本发明实施例提供的高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法三维示意图；
图2本发明实施例提供的高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法三维剖切面示意图；
图3本发明实施例提供的高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法正视图；
图4本发明实施例提供的法向拉力加载系统三维示意图；
图5本发明实施例提供的上方法向拉力加载机构拆分示意图；
图6本发明实施例提供的剪切加载模具及试样示意图；
图7A本发明实施例提供的动态剪切加载模具三维示意图；
图7B本发明实施例提供的动态剪切加载模具另一角度三维示意图；
图8本发明实施例提供的动态剪切加载模具侧视图；
图9本发明实施例提供的第二控温箱体三维示意图。
图中各部件名称如下：
1-右侧静态加载油缸底座，2-右侧静态加载油缸，3-右侧静态加载油缸活塞，4-右侧加载框，5-右侧动态加载电磁脉冲发射器底座，6-右侧动态加载电磁脉冲发射器，7-右侧法兰环，8-右侧加载杆，9-右侧加载模具，10-左侧静态加载油缸底座，11-左侧静态加载油缸，12-左侧静态加载油缸活塞，13-左侧加载框，14-左侧动态加载电磁脉冲发射器底座，15-左侧动态加载电磁脉冲发射器，16-左侧法兰环，17-左侧加载杆，18-左侧加载模具，19-上拉力加载油缸，20-上拉力对中模块，21-上拉力施加模具，22-滚珠，23-试样，24-下拉力加载油缸，25-下拉力对中模块，26-下拉力施加模具，27-第一控温箱体，28-第二控温箱体，29-温度传感器，30-观察窗，31-温度显示器，32-右侧应变片，33-左侧应变片，34-升温层，35-保温层，36-外壳。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1至图9所示，本发明实施例提供一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，包括动静组合剪切加载系统、垂直于加载杆轴线水平面对称设置的法向拉力加载机构以及温控系统。
具体来说，首先进行测试装置的安装，试样23为骨头状试样，测试装置以待测试的试样23为中心，动静组合剪切加载系统以试样23为中心布置于试样23左右两侧，法向拉力加载机构以试样23为对称中心垂直于加载杆轴向平面上下对称设置。动静组合剪切加载系统包括静态剪切加载机构和动态剪切加载机构。
静态剪切加载机构起到为试样提供静态剪切荷载的作用。
右侧静态剪切加载机构包括右侧静态加载油缸底座1、右侧静态加载油缸2、右侧静态加载油缸活塞3，右侧加载框4及右侧法兰环7，其中右侧静态加载油缸底座1位于整体实验装置最右端，右侧静态加载油缸2固定于右侧静态加载油缸底座1上，右侧静态加载油缸活塞3为右侧静态加载油缸2的液压作动机构，右侧静态加载油缸活塞3左端面与右侧加载框4右端面自由贴合，右侧加载框4左端面与右侧法兰环7右端面自由接触；
说明：
自由贴合：受力时两端面贴合，不受力时两端面可分开；
自由接触：受力时接触，不受力时可分开；
自由贴合的两个部件接触面积更大一些。
以下自由贴合及自由接触的解释同此处。
左侧静态剪切加载机构包括左侧静态加载油缸底座10、左侧静态加载油缸11、左侧静态加载油缸活塞12、左侧加载框13及左侧法兰环16，其中左侧静态加载油缸底座10位于整体实验装置最左端，左侧静态加载油缸11固定左侧静态加载油缸底座10上，左侧静态加载油缸活塞12为左侧静态加载油缸11的液压作动机构，左侧静态加载油缸活塞12右端面与左侧加载框13左端面自由贴合，左侧加载框13左端面与左侧法兰环16右端面自由接触。
动态剪切加载机构起到为试样提供动态剪切荷载的作用。
右侧动态剪切加载机构包括右侧动态加载电磁脉冲发射器底座5、右侧动态加载电磁脉冲发射器6、右侧加载杆8及右侧加载模具9，其中右侧动态加载电磁脉冲发射器底座5、右侧动态加载电磁脉冲发射器6放置于右侧加载框4中，右侧动态加载电磁脉冲发射器底座5与右侧动态加载电磁脉冲发射器6可由试验人员移动并固定于右侧加载框4内部所需位置，右侧加载杆8与右侧动态加载电磁脉冲发射器6共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器6左端面与右侧加载杆8的右端面自由贴合，右侧加载模具9套接于右侧加载杆8左端，右侧加载模具9左端面与试样23中间拉剪区域右侧表面紧密贴合。
左侧动态剪切加载机构包括左侧动态加载电磁脉冲发射器15、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座14、左侧加载杆17及左侧加载模具18，其中左侧动态加载电磁脉冲发射器15、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座14放置于左侧加载框13中，并可沿加载杆轴线方向左右移动，左侧加载杆17与左侧动态加载电磁脉冲发射器15共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器6右端面与左侧加载杆17的左端面自由贴合，左侧加载模具18套接于左侧加载杆17右端，左侧加载模具18右端面与试样23中间拉剪区域左侧表面紧密贴合。
左侧加载模具18、右侧加载模具9起到传递荷载的作用，右侧加载模具9为套筒结构，右侧加载模具9靠近右侧加载杆8一端为筒状，其形状与尺寸与右侧加载杆8形状与尺寸吻合，以传递由右侧动态加载电磁脉冲发射器6输出的应力波，右侧加载模具9靠近试样一侧为凸出结构，凸出结构过模具圆心垂直于剪切加载系统与法向拉力系统所在平面，其主要作用为对试样施加剪切荷载。
左侧加载模具18为套筒结构，左侧加载模具18靠近左侧加载杆17一端为筒状，其形状与尺寸与左侧加载杆17形状与尺寸吻合，以传递由左侧动态加载电磁脉冲发射器15输出的应力波，左侧加载模具18靠近试样一侧为凸出结构，左侧加载模具18凸出结构中间的凹槽与右侧加载模具9凸出部分耦合，其主要作用为对试样施加剪切荷载。
法向拉力加载机构起到为试样提供所需的法向静态拉应力的作用。
上法向拉力加载机构包括上拉力加载油缸19、上拉力对中模块20、上拉力施加模具21及滚珠22，其中上拉力加载油缸19位于最上方，上拉力对中模块20整体为T形，上拉力对中模块20翼缘放置于上拉力施加模具21预留滑槽中，两者间设有滚珠22，滚珠22预先放入上拉力施加模具21滑槽内部上、下表面限位槽中，滚珠22的主要作用为使得上拉力对中模块20与上拉力施加模具21可发生沿轴向的相对滑动，以消除由剪切位移造成的法向拉力偏心对实验结果造成的影响，上拉力施加模具21下部圆弧状棘爪与骨头状试样23圆弧过渡段紧密贴合。
下法向拉力加载机构包括下拉力加载油缸24、下拉力对中模块25、下拉力施加模具26及滚珠22，其中下拉力加载油缸24位于最下方，下拉力对中模块25翼缘放置于下拉力施加模具26预留滑槽中，两者间设有滚珠22，滚珠22预先放入下拉力施加模具26滑槽内部上、下表面限位槽中，滚珠22的主要作用为使得下拉力对中模块25与下拉力施加模具26可发生沿轴向的相对滑动，以消除由剪切位移造成的法向拉力偏心对实验结果造成的影响，下拉力施加模具26上部为圆弧状棘爪与骨头状试样23圆弧过渡段紧密贴合。
温控系统起到为设置在其内部的试样升温的作用，通过温控系统可设置目标温度及升温速率且将温度维持在目标温度，使得可以在设计温度开展实验。
温控系统包括第一控温箱体27、第二控温箱体28、温度传感器29、观察窗30及温度显示器31，其中所述第一控温箱体27与第二控温箱体28均包括：升温层34、保温层35以及外壳36，第一控温箱体27与第二控温箱体28通过螺栓固定为一可拆卸式温控箱，上拉力施加模具21、下拉力施加模具26、试样23以及右侧加载模具9和左侧加载模具18放置于由第一控温箱体27与第二控温箱体28构成的温控箱中，第一控温箱体27与第二控温箱体28上下两侧分别预制放置上拉力对中模块20与下拉力对中模块25的通孔，第一控温箱体27与第二控温箱体28左右两侧分别预制放置左侧加载杆17与右侧加载杆8的通孔，温度传感器29位于由第一控温箱体27与第二控温箱体28组成的温控箱中，起到实时监测并反馈温控箱内温度的作用，与温度传感器29相连的温度显示器31位于第一控温箱体27或第二控温箱体28外表面，观察窗30设置于第一控温箱体27或第二控温箱体28中间部分，由透明耐高温玻璃构成，起到用于观察试样剪切过程的作用，也可结合其他监测手段对试样破坏过程进行分析。
至温控系统安装完成时，高温环境固体材料动态拉剪实验装置整体安装完成，接下来可进行加载，总的来说实验加载可分为：试样升温，法向静态拉应力加载，轴向静态剪切应力加载以及轴向动态剪切加载四个部分，每一部分的施加均独立进行，其中试样升温、法向静态拉应力加载、轴向静态剪切应力加载为可选项。
试样23升温时，升温层34按设定升温速率将试样23升温至目标温度，温度显示器31实时显示由温度传感器29测得的温控系统内部温度，达到温度目标后由保温层35进行保温。
上方法向荷载施加时，计算机软件(未示出)伺服控制上拉力加载油缸19对上拉力对中模块20施加向上的荷载，上拉力对中模块20通过翼缘将荷载传递给上拉力施加模具21，之后通过圆弧状棘爪传递给试样23上方圆弧过渡段；
下方法向荷载施加时，计算机软件(未示出)伺服控制下拉力加载油缸24对下拉力对中模块25施加向下的荷载，下拉力对中模块25通过翼缘将荷载传递给下拉力施加模具26，之后通过圆弧状棘爪传递给试样23下方圆弧过渡段。
右侧静态剪切荷载加载时，右侧静态加载油缸2由计算机软件(未示出)伺服控制驱动右侧静态加载油缸活塞3加载，右侧静态加载油缸活塞3将荷载由右侧加载框4、右侧法兰环7、右侧加载杆8、右侧加载模具9传递到试样23；
左侧静态剪切荷载加载时，左侧静态加载油缸11由计算机软件(未示出)伺服控制驱动左侧静态加载油缸活塞12加载，左侧静态加载油缸活塞11将荷载由左侧加载框13、左侧法兰环16、左侧加载杆17、左侧加载模具18传递到试样23。
右侧动态剪切荷载加载时，计算机软件(未示出)控制右侧动态加载电磁脉冲发射器6激发并从其左端面输出荷载，荷载以应力波形式在右侧加载杆8中自右向左传播到右侧加载模具9对试样23进行右侧动态剪切加载；
左侧动态剪切荷载加载时，计算机软件(未示出)控制左侧动态加载电磁脉冲发射器15激发并从其右表面输出荷载，荷载以应力波形式在左侧加载杆17中自左向右传播到左侧加载模具18对试样23进行左侧动态剪切加载。
数据监测与采集系统主要由同步高速记录仪(未示出)、应变片和(超)高速摄影仪(未示出)等构成，此处的高速、超高速是所属技术领域的技术人员根据实际选择能够满足实验要求和实验效果仪器，可以理解为参数尽可能的好。
其中左侧应变片33和右侧应变片32分别粘贴于左侧加载杆17和右侧加载杆8表面中间位置，动态拉剪加载过程中，左侧应变片33和右侧应变片32分别将左侧加载杆17和右侧加载杆8上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存，最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动态压剪加载过程亦可通过(超)高速摄影仪实时拍摄试样23表面动态应变演化及破坏全过程用于分析试样动态压剪加载下的变形与破坏规律。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种基于上述高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置的测试方法。
具体来说，动态加载中，根据一维应力波传播理论，当左右两侧加载杆上应变片分别监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时(例如＜5％)，可认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同温度环境、不同拉应力和剪切加载条件下岩石等固体材料的动态剪切应力，具体公式为：
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片33从左侧加载杆17上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片32从右侧加载杆8上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态轴向剪切荷载。
下面通过具体实施例，来对本发明所述提供的基于上述高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置及测试方法，做进一步的解释说明。
具体实施例1
本实施例进行一种200℃时法向拉应力1.5MPa下的砂岩高温动态剪切实验。
首先进行右侧动静组合加载机构安装，右侧静态加载油缸底座1放置于装置最右端，右侧静态加载油缸2固定放置于右侧静态加载油缸底座1上，右侧静态加载油缸活塞3为右侧静态加载油缸2的液压作动机构，其左端面与右侧加载框4右端面自由贴合，右侧动态加载电磁脉冲发射器底座5与右侧动态加载电磁脉冲发射器6放置于右侧加载框4内部，并可沿加载杆轴线方向左右移动，将长2000mm，直径50mm的TC21钛合金材料右侧加载杆8放置于加载杆支撑底座(未示出)上，其右端(右侧法兰环7右侧部分)通过右侧加载框4左端面预留通孔伸入到右侧加载框4中与右侧动态加载电磁脉冲发射器6的左端面自由贴合，右侧加载模具9套接于右侧加载杆8左端；同理，进行左侧动静组合加载机构安装，左侧静态加载油缸底座10放置于装置最左侧，左侧静态加载油缸11固定放置于左侧静态加载油缸底座10上，左侧静态加载油缸活塞12为左侧静态加载油缸11的液压作动机构，其右端面与左侧加载框13左端面自由贴合，左侧动态加载电磁脉冲发射器底座14与左侧动态加载电磁脉冲发射器15放置于左侧加载框13内部，并可沿加载杆轴线方向左右移动，将长2000mm，直径50mm的TC21钛合金材料左侧加载杆17放置于加载杆支撑底座(未示出)上，其左端(左侧法兰环16左侧部分)通过左侧加载框13右端面预留通孔伸入到左侧加载框13中与左侧动态加载电磁脉冲发射器15的右端面自由贴合，左侧加载模具18套接于左侧加载杆17右端。
然后进行法向拉力加载机构的安装，上拉力加载油缸19放置于最上方，上拉力对中模块20翼缘从侧面滑动放入上拉力施加模具21预留滑槽中，两者间设有滚珠22；下拉力加载油缸24位于最下方，下拉力对中模块25翼缘从侧面滑动放入下拉力施加模具26预留滑槽中，两者间设有滚珠22。试样23上下两端较宽部分放置于上拉力施加模具21与下拉力施加模具26中部空间，使试样23上下两端圆弧过渡部分分别与上下拉力施加模具21和26的圆弧状棘爪紧密贴合。
最后进行温控系统安装，第一控温箱体27与第二控温箱体28通过螺栓固定组成的可拆式箱体把试样23、上拉力施加模具21、下拉力施加模具26、温度传感器29以及右侧加载模具9和左侧加载模具18包括在内，上拉力对中模块20，下拉力对中模块25，左侧加载杆17与右侧加载杆8通过预留孔洞部分伸入温度箱内。
至此完成实验装置的安装，接下来进行升温：第一控温箱体27与第二控温箱体28对试样23进行升温，待温度显示器31显示温度到达200℃时停止升温；
试样23达到预定温度后先对其施加法向拉力，通过计算机软件(未示出)控制上伺服控制油箱19对上拉力对中模块20及上拉力施加模具21施加向上的拉直到传感器(未示出)显示拉力达到目标荷载1.5MPa，同时通过计算机软件(未示出)控制下伺服控制油箱24对下拉力对中模块25及下拉力施加模具26施加向下的拉直到传感器(未示出)显示拉力达到目标荷载1.5MPa，此时即完成法向拉应力加载；
法向拉力加载至目标且稳定后施加轴向动态剪切荷载，通过计算机软件(未示出)控制左侧动态加载电磁脉冲发射器15激发并从其右端面输出幅值为100MPa，持续时长300μs的应力波，应力波沿左侧加载杆17自左向右传播，此时左侧应变片33上监测到的为入射波；同时，通过计算机软件(未示出)控制右侧动态加载电磁脉冲发生器5激发并从其左端面输出幅值为100MPa，持续时长300μs的应力波，沿右侧加载杆8自右向左传播，此时右侧应变片31上监测到的为入射波，左右两侧应力波同时到达试样23对其进行加载，保证试样两侧同步对称加载且剪切加载时试样内部应力分布均匀。
当左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变信号显示剪切过程左右两侧加载杆上动态荷载基本一致时(例如荷载误差<5％)，认为试样达到内部应力平衡状态，即可根据下述公式计算得到3MPa拉应力及幅值为100MPa，持续时长为300μs的应力波速度下固体材料试样的动态拉剪强度，具体公式为：
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片从左侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为左侧应变片从右侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号。
具体实施例2
本实施例进行一种150℃下法向拉预应力2MPa、轴向剪切预应力5MPa的岩石高温动态剪切实验。
首先进行右侧动静组合加载机构安装，右侧静态加载油缸底座1放置于装置最右端，右侧静态加载油缸2固定放置于右侧静态加载油缸底座1上，右侧静态加载油缸活塞3为右侧静态加载油缸2左侧的液压作动机构，其左端面与右侧加载框4右端面自由贴合，右侧动态加载电磁脉冲发射器底座5与右侧动态加载电磁脉冲发射器6从右到左放置于右侧加载框4内部，并可沿加载杆轴线方向左右移动，将长2000mm，直径50mm的TC21钛合金材料右侧加载杆8置于加载杆支撑底座(未示出)上，其右端(右侧法兰环7侧部分)通过右侧加载框4左面预留通孔深入到右侧加载框4中与右侧动态加载电磁脉冲发射器6的左端面自由贴合，右侧加载模具9套接于右侧加载杆8左端；同理，安装左侧动静组合加载机构，左侧静态加载油缸底座10置于装置最左，左侧加载油缸11固定放置于左侧静态加载油缸底座10上，左侧静态加载油缸活塞12为左侧静态加载油缸11的液压作动机构，其右端面与左侧加载框13自由贴合，左侧动态加载电磁脉冲发射器底座14与左侧动态加载电磁脉冲发射器15放置于左侧加载框13内部，并可沿加载杆轴线方向左右移动，将长2000mm，直径50mm的TC21钛合金材料左侧加载杆17放置于加载杆支撑底座(未示出)上，其左端(左侧法兰环15左侧部分)通过左侧加载框13右端面预留通孔伸入到左侧加载框13中与左侧动态加载电磁脉冲发射器15的右端面自由贴合，左侧加载模具18套接于左侧加载杆17右端。
然后进行法向拉力加载机构的安装，上拉力加载油缸19放置于最上方，上拉力对中模块20翼缘从侧面滑动放入上拉力施加模具21预留滑槽中，两者间设有滚珠22；下拉力加载油缸24位于最下方，下拉力对中模块25翼缘从侧面滑动放入下拉力施加模具26预留滑槽中，两者间设有滚珠22。试样23上下两端较宽部分放置于上拉力施加模具20与下拉力施加模具26中部空间，使试样23上下两端圆弧过渡部分分别与上下拉力施加模具21和26的圆弧状棘爪紧密贴合。
最后进行温控系统安装，第一控温箱体27与第二控温箱体28通过螺栓固定组成的可拆式箱体把试样23、上拉力施加模具21、下拉力施加模具26、温度传感器29以及右侧加载模具9和左侧加载模具18包括在内，上拉力对中模块20，下拉力对中模块25，左侧加载杆17与右侧加载杆8通过预留孔洞部分伸入温度箱内。
至此完成实验装置的安装，接下来进行升温：第一控温箱体27与第二控温箱体28的升温层34对试样23以20℃/h的速率进行升温至150℃，待温度显示器31显示温度到达150℃时停止升温，保温层35对试样23进行保温；
接下来进行预应力施加，通过计算机软件(未示出)控制上伺服控制油箱19对上拉力对中模块20及上拉力施加模具21施加向上的拉直到传感器(未示出)显示拉力达到目标荷载2MPa，同时通过计算机软件(未示出)控制下伺服控制油箱24对下拉力对中模块25及下拉力施加模具26施加向下的拉直到传感器(未示出)显示拉力达到目标荷载2MPa；此时进行轴向剪切预应力加载，右侧静态荷载加载时，计算机软件(未示出)控制右侧静态加载油缸2由向左对右侧静态加载油缸活塞3伺服施加5MPa预应力，右侧静态加载油缸活塞3将荷载由右侧加载框4，右侧法兰环7，右侧加载杆8传递到试样23，左侧静态荷载加载时，左侧静态加载油缸11由计算机软件(未示出)伺服控制向右对左侧静态加载油缸活塞12伺服施加5MPa预应力，左侧静态加载油缸活塞12将荷载由左侧加载框13，左侧法兰环16，左侧加载杆17传递到试样23。
静态预应力施加稳定后开展动态剪切荷载加载，通过计算机软件(未示出)控制左侧动态加载电磁脉冲发射器15激发并输出幅值为50MPa，持续时长300μs的应力波，应力波沿左侧加载杆17自左向右传播，此时左侧应变片33上监测到的为入射波；同时，通过计算机软件(未示出)控制右侧动态加载电磁脉冲发射器6激发并输出幅值为50MPa，持续时长300μs的应力波，沿右侧加载杆8自右向左传播，此时右侧应变片32上监测到的为入射波，左右两侧应力波同时到达试样23对其进行加载，保证加载时试样内部应力平衡。
当左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变信号显示剪切过程左右两侧加载杆上动态荷载基本一致时(例如荷载误差<5％)，认为试样达到内部应力平衡状态，即可根据下述公式计算得到150℃时2MPa拉应力、5MPa静态剪切应力下及幅值为100MPa，持续时长为300μs的应力波加载下岩石类材料试样的动态剪切强度，具体公式为：
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片从左侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为左侧应变片从右侧加载杆上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态轴向剪切荷载。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，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，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 (7)
1.一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，其特征在于：包括试样(23)、动静组合剪切加载系统、法向拉力加载机构以及温控系统；试样(23)为骨头状试样，测试装置以待测试的试样(23)为中心，动静组合剪切加载系统以试样(23)为中心布置于试样(23)左右两侧，法向拉力加载机构以试样(23)为对称中心垂直于加载杆轴向平面上下对称设置，动静组合剪切加载系统包括静态剪切加载机构和动态剪切加载机构，静态剪切加载机构为试样提供静态剪切荷载，动态剪切加载机构为试样提供动态剪切荷载；试样(23)设置在温控系统内部，温控系统为设置在其内部的试样升温，通过温控系统设置目标温度及升温速率且将温度维持在目标温度，使得在设计温度开展实验；上法向拉力加载机构包括上拉力加载油缸(19)、上拉力对中模块(20)、上拉力施加模具(21)及滚珠(22)，其中上拉力加载油缸(19)位于最上方，上拉力对中模块(20)整体为T形，上拉力对中模块(20)翼缘放置于上拉力施加模具(21)预留滑槽中，两者间设有滚珠(22)，滚珠(22)预先放入上拉力施加模具(21)滑槽内部上、下表面限位槽中，上拉力施加模具(21)下部圆弧状棘爪与骨头状试样(23)圆弧过渡段紧密贴合；下法向拉力加载机构包括下拉力加载油缸(24)、下拉力对中模块(25)、下拉力施加模具(26)及滚珠(22)，其中下拉力加载油缸(24)位于最下方，下拉力对中模块(25)翼缘放置于下拉力施加模具(26)预留滑槽中，两者间设有滚珠(22)，滚珠(22)预先放入下拉力施加模具(26)滑槽内部上、下表面限位槽中，下拉力施加模具(26)上部为圆弧状棘爪与骨头状试样(23)圆弧过渡段紧密贴合；所述动态剪切加载机构包括右侧动态剪切加载机构和左侧动态剪切加载机构；右侧动态剪切加载机构包括右侧动态加载电磁脉冲发射器底座(5)、右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)、右侧加载杆(8)及右侧加载模具(9)，其中右侧动态加载电磁脉冲发射器底座(5)、右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)放置于右侧加载框(4)中，右侧加载杆(8)与右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)左端面与右侧加载杆(8)的右端面自由贴合，右侧加载模具(9)套接于右侧加载杆(8)左端，右侧加载模具(9)左端面与试样(23)中间拉剪区域右侧表面紧密贴合；左侧动态剪切加载机构包括左侧动态加载电磁脉冲发射器(15)、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座(14)、左侧加载杆(17)及左侧加载模具(18)，其中左侧动态加载电磁脉冲发射器(15)、左侧动态加载电磁脉冲发射器底座(14)放置于左侧加载框(13)中，并能够沿加载杆轴线方向左右移动，左侧加载杆(17)与左侧动态加载电磁脉冲发射器(15)共轴设置，右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)右端面与左侧加载杆(17)的左端面自由贴合，左侧加载模具(18)套接于左侧加载杆(17)右端，左侧加载模具(18)右端面与试样(23)中间拉剪区域左侧表面紧密贴合；所述静态剪切加载机构包括右侧静态剪切加载机构和左侧静态剪切加载机构；右侧静态剪切加载机构包括右侧静态加载油缸底座(1)、右侧静态加载油缸(2)、右侧静态加载油缸活塞(3)，右侧加载框(4)及右侧法兰环(7)，其中右侧静态加载油缸底座(1)位于整体实验装置最右端，右侧静态加载油缸(2)固定于右侧静态加载油缸底座(1)上，右侧静态加载油缸活塞(3)为右侧静态加载油缸(2)的液压作动机构，右侧静态加载油缸活塞(3)左端面与右侧加载框(4)右端面自由贴合，右侧加载框(4)左端面与右侧法兰环(7)右端面自由接触；左侧静态剪切加载机构包括左侧静态加载油缸底座(10)、左侧静态加载油缸(11)、左侧静态加载油缸活塞(12)、左侧加载框(13)及左侧法兰环(16)，其中左侧静态加载油缸底座(10)位于整体实验装置最左端，左侧静态加载油缸(11)固定左侧静态加载油缸底座(10)上，左侧静态加载油缸活塞(12)为左侧静态加载油缸(11)的液压作动机构，左侧静态加载油缸活塞(12)右端面与左侧加载框(13)左端面自由贴合，左侧加载框(13)左端面与左侧法兰环(16)右端面自由接触；还包括左侧应变片(33)和右侧应变片(32)，其中左侧应变片(33)和右侧应变片(32)分别粘贴于左侧加载杆(17)和右侧加载杆(8)表面中间位置。
2.根据权利要求1所述的一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，其特征在于：左侧加载模具(18)、右侧加载模具(9)起到传递荷载的作用，右侧加载模具(9)的形状与尺寸与右侧加载杆(8)形状与尺寸吻合，以传递由右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)输出的应力波，右侧加载模具(9)靠近试样一侧为凸出结构，凸出结构过模具圆心垂直于剪切加载系统与法向拉力系统所在平面，左侧加载模具(18)的形状与尺寸与左侧加载杆(17)形状与尺寸吻合，以传递由左侧动态加载电磁脉冲发射器(15)输出的应力波，左侧加载模具(18)靠近试样一侧为凸出结构，左侧加载模具(18)凸出结构中间的凹槽与右侧加载模具(9)凸出部分耦合，为对试样施加剪切荷载。
3.根据权利要求1所述的一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，其特征在于：左侧加载模具(18)及右侧加载模具(9)为套筒结构。
4.根据权利要求1所述的一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，其特征在于：温控系统包括第一控温箱体(27)、第二控温箱体(28)、温度传感器(29)、观察窗(30)及温度显示器(31)，其中所述第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)均包括：升温层(34)、保温层(35)以及外壳(36)，第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)固定为一可拆卸式温控箱，上拉力施加模具(21)、下拉力施加模具(26)、试样(23)以及右侧加载模具(9)和左侧加载模具(18)放置于由第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)构成的温控箱中，第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)上下两侧分别预制放置上拉力对中模块(20)与下拉力对中模块(25)的通孔，第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)左右两侧分别预制放置左侧加载杆(17)与右侧加载杆(8)的通孔，温度传感器(29)位于由第一控温箱体(27)与第二控温箱体(28)组成的温控箱中，与温度传感器(29)相连的温度显示器(31)位于第一控温箱体(27)或第二控温箱体(28)外表面，观察窗(30)设置于第一控温箱体(27)或第二控温箱体(28)中间部分，由透明耐高温玻璃构成。
5.根据权利要求1所述的一种高温环境固体材料动态拉剪力学特性测试装置，其特征在于：所述骨头状试样，两端比中间被拉伸部分略宽，两端与中间受剪切部分以圆弧过渡。
6.一种高温下岩石类材料动静组合拉剪力学特性测试方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1至5任意一项所述的测试装置进行测试，测试方法包括如下步骤：
试样升温、法向静态拉应力加载、轴向静态剪切应力加载以及轴向动态剪切加载四个部分，每一部分的施加均独立进行，其中试样升温、法向静态拉应力加载、轴向静态剪切应力加载为可选项，根据需要选择进行加载；
试样(23)升温时，升温层(34)按设定升温速率将试样(23)升温至目标温度，温度显示器(31)实时显示由温度传感器(29)测得的温控系统内部温度，达到温度目标后由保温层(35)进行保温；
上方法向荷载施加时，计算机软件伺服控制上拉力加载油缸(19)对上拉力对中模块(20)施加向上的荷载，上拉力对中模块(20)通过翼缘将荷载传递给上拉力施加模具(21)，之后通过圆弧状棘爪传递给试样(23)上方圆弧过渡段；
下方法向荷载施加时，计算机软件伺服控制下拉力加载油缸(24)对下拉力对中模块(25)施加向下的荷载，下拉力对中模块(25)通过翼缘将荷载传递给下拉力施加模具(26)，之后通过圆弧状棘爪传递给试样(23)下方圆弧过渡段；
右侧静态剪切荷载加载时，右侧静态加载油缸(2)由计算机软件伺服控制驱动右侧静态加载油缸活塞(3)加载，右侧静态加载油缸活塞(3)将荷载由右侧加载框(4)、右侧法兰环(7)、右侧加载杆(8)、右侧加载模具(9)传递到试样(23)；左侧静态剪切荷载加载时，左侧静态加载油缸(11)由计算机软件伺服控制驱动左侧静态加载油缸活塞(12)加载，左侧静态加载油缸活塞(12)将荷载由左侧加载框(13)、左侧法兰环(16)、左侧加载杆(17)、左侧加载模具(18)传递到试样(23)；
右侧动态剪切荷载加载时，计算机软件控制右侧动态加载电磁脉冲发射器(6)激发并从其左端面输出荷载，荷载以应力波形式在右侧加载杆(8)中自右向左传播到右侧加载模具(9)对试样(23)进行右侧动态剪切加载；
左侧动态剪切荷载加载时，计算机软件控制左侧动态加载电磁脉冲发射器(15)激发并从其右表面输出荷载，荷载以应力波形式在左侧加载杆(17)中自左向右传播到左侧加载模具(18)对试样(23)进行左侧动态剪切加载；
数据监测与采集系统主要由同步高速记录仪、应变片和摄影仪构成；
动态拉剪加载过程中，左侧应变片(33)和右侧应变片(32)分别将左侧加载杆(17)和右侧加载杆(8)上监测到的应变信号通过屏蔽导线传输至同步高速记录仪器进行记录和储存，最终输出至计算机上进行存储和分析，同时动态压剪加载过程亦可通过摄影仪实时拍摄试样(23)表面动态应变演化及破坏全过程用于分析试样动态压剪加载下的变形与破坏规律。
7.根据权利要求6所述的一种高温下岩石类材料动静组合拉剪力学特性测试方法，其特征在于：
动态加载中，根据一维应力波传播理论，当左右两侧加载杆上应变片分别监测到的左右两侧加载杆上的动态荷载误差小于可接受的限度时，可认为试样达到了动态应力平衡状态，此时利用左右两侧应变片监测得到的左右两侧加载杆应变数值，根据下述公式计算得到不同温度环境、不同拉应力和剪切加载条件下岩石固体材料的动态剪切应力，具体公式为：
其中，A和E分别为应力波加载杆的横截面面积与弹性模量；As为测试试样的剪切面面积；ε左入射和ε左反射分别为左侧应变片(33)从左侧加载杆(17)上监测的入射应变信号和反射应变信号，ε右入射和ε右反射分别为右侧应变片(32)从右侧加载杆(8)上监测的入射应变信号和反射应变信号，F为静态轴向剪切荷载。
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