[发明专利]一种动态断裂力学实验的电测-焦散线实验系统及方法

说明书

本发明公开了一种动态断裂力学实验的电测‑焦散线实验系统及方法，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、凸透镜B(4)、高速摄影机(5)、电脑(6)、实验加载台(7)、冲击头(8)、试件(9)、超动态应变仪(10)、数据采集仪(11)、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片；该系统综合了两种实验方法的优点，能够测得运动裂纹的扩展速度、裂纹尖端区域应变量、动态应力强度因子、动态断裂韧度等各项力学参数，通过综合对比分析两种方法同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究运动裂纹的扩展机理；该系统既能对试件施加动态荷载，也能对试件施加准静态荷载，应用灵活广泛。

技术领域

本发明涉及实验力学研究领域的动态断裂力学实验研究方法，尤其涉及一种研究运动裂纹扩展机理的实验系统及方法。

背景技术

人类的生产、生活离不开对自然环境的改造及自然资源的开发利用。随着我国城镇化速率进一步加快，充分开发、利用城市地下空间可以节约宝贵的土地资源，地下商场、停车场和地铁等便是地下空间应用的代表。在矿业开采领域，随着开采深度的日益增加，巷道开挖、掘进的施工难度亦在不断增大。岩石等天然材料广泛存在于自然界中，对其开采利用的效率决定了施工效率的高低。研究动载荷作用下岩体内运动裂纹尖端的应力应变水平，分析、总结裂纹尖端能量积累、释放过程及裂纹扩展过程中裂纹尖端应力应变的变化规律，能够为爆破方案优化、施工方案改进提供指导。

目前，国内外学者针对运动裂纹尖端应力场的变化规律已经有了一定的研究成果，但是利用应变片电测方法和动态焦散线方法同步分析运动裂纹尖端应力场变化规律的研究尚未进行。这两种方法各有特点：应变片电测法可以测量透明及非透明材料运动裂纹尖端区域的应变量，进而求出动态断裂韧度、动态应力强度因子等力学参数；动态焦散线方法可以直接记录运动裂纹尖端的焦散斑，由焦散斑尺寸求出动态应力强度因子。本系统可以同时利用上述两种方法，结合两种方法的优点，获得运动裂纹扩展过程中的力学参数，通过综合比较、分析上述两种方法同步测得的各项参数，研究运动裂纹的扩展机理，为今后的工程实践提供理论基础，也对动态断裂力学的发展具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明提供了一种可同步利用应变片电测法和动态焦散线法研究运动裂纹扩展机理的实验系统。应变片电测法测量设备简单，测得数据准确性高。动态焦散线法操作便捷，导出的数字图像测量方便。该系统综合了两种实验方法的优点，能够测得运动裂纹的扩展速度、裂纹尖端区域应变量、动态应力强度因子、动态断裂韧度等各项力学参数，通过综合对比分析两种方法测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究运动裂纹的扩展机理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种动态断裂力学实验的电测-焦散线实验系统，包括激光光源(1)、扩束镜(2)、凸透镜A(3)、凸透镜B(4)、高速摄影机(5)、电脑(6)、实验加载台(7)、冲击头(8)、试件(9)、超动态应变仪(10)、数据采集仪(11)、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片；其中，数据采集仪(11)位于超动态应变仪(10)内部，冲击头(8)位于实验加载台(7)中。

所述的实验系统，实验开始前，根据实验需要通过电脑(6)设置试件(9)上某一应变片为触发应变片，冲击头(8)击中试件(9)后，触发应变片发生应变，产生触发信号，通过屏蔽线传递到桥盒，再通过信号线传递到超动态应变仪(10)，超动态应变仪(10)开始采集电测数据并存储于数据采集仪(11)中。超动态应变仪(11)接到触发信号的同时，通过信号线传递触发信号到高速摄影机(5)，高速摄影机(5)接到触发信号开始采集焦散线实验数据。从而实现电测法和动态焦散线法的同步测试和两种实验方法的数据同步采集记录。

所述的实验系统，通过改变冲击头(8)的重量和下落高度，能够改变冲击头(8)对试件(9)施加冲击荷载的大小和速率。

所述的实验系统，可在试件(9)上粘贴多个应变片，采集多组电测数据。