[发明专利]一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置和方法

权利要求书

1.一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置，其特征在于：该装置包括DIC图像(1)、下部温控平板(2)、上透明玻璃(3)、拉力传感器(4)、移动轨道(5)、固定螺栓(6)、底座(7)、控箱(8)、拉头(9)、固定夹板(10)、驱动电机(11)、实时温拉力控制器(12)和计算机(13)；

模拟类岩石材料裂隙扩展的试件的两端被固定夹板(10)所夹持，固定夹板(10)的外侧设有拉头(9)；拉头(9)由驱动电机(11)驱动控制，拉头(9)与固定夹板(10)之间设有拉力传感器(4)；固定夹板(10)的底部固定在移动轨道(5)上，移动轨道(5)固定在底座(7)上；模拟类岩石材料裂隙扩展的试件底部设有下部温控平板(2)，下部温控平板(2)与实时温控箱(8)连接，实时温控箱(8)控制下部温控平板(2)的温度，进而控制试件的温度；下部温控平板(2)上设有下玻璃板，模拟类岩石材料裂隙扩展的试件顶部设有上透明玻璃(3)；DIC图像(1)设置在上透明玻璃(3)的顶部；下玻璃板和上玻璃板3通过固定螺栓(6)连接，下玻璃板和上玻璃板3形成的空间为DIC图像(1)拍摄提供空间；计算机(13)通过拉力控制器(12)与驱动电机(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置，其特征在于：模拟类岩石材料裂隙扩展的试件为3D打印光敏树脂材料，试件的裂隙为任意形状，试件厚度为0.5-1cm。

3.根据权利要求1所述的一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验观测装置，其特征在于：模拟类岩石材料裂隙扩展的试件为契形形状，以便于固定夹板(10)的固定。

4.利用权利要求1所述装置进行的一种模拟类岩石材料裂隙扩展的实验测定方法，其特征在于：该方法的实施包括如下流程：(1)选取试件材料与尺寸；试件材料为透明的光敏树脂材料，内部的裂隙为任意形状；为了能够有效施加拉力，试件为轻薄厚度的契形结构，试件的制作尺寸长5-20cm、宽5-15cm，厚0.5-1cm；

(2)采用固定夹板固定试件，固定夹板的表面制成凸状，以便夹牢试件；夹持的部分得长度至少为契形夹具长度的3/4；然后在左右两侧固定拉力传感器，接上驱动电机及计算机；

(3)采用的实时温控箱的温度范围为-80℃～0℃；把实时温控箱打开，提前进行预热；使试件下部温控平板直接将温度传递给试件，从温控箱的显示器上能够直观的观察到温度的变化；温度分别控制在-80℃，-60℃，-40℃，-20℃和-0℃五种情况；

(4)在实时温控的同时，开动驱动电机，使试件受到缓慢的拉力，拉力以位移控制加载速率，速度为1.5min/mm，直到含裂隙的试件出现了扩展破坏为止，并利用计算机的自动绘图装置分别绘出试件的拉伸图；得到含裂隙的试件在-80℃，-60℃，-40℃，-20℃和-0℃温度下裂隙扩展破坏模式，实验要保持进行记录和观察；

(5)在实验的过程中，DIC图也进行收集和记录试件变形破坏过程；在试件的上部通过DIC来收集得到疲劳裂纹尖端附近的塑性区形状；首先得到试件裂纹尖端附近的水平位移场和垂直位移场，然后对位移数据进行微分处理得到应变场，再根据胡克定律获得应力场，接着利用米塞斯或者屈雷斯加准则计算等效应力，最后，将等效应力数值与材料本身屈服应力数值相等的点连接起来，就得到了裂纹尖端塑性区的形状。