[发明专利]中低应变率动静一体化试验测试系统

说明书

本发明提供了一种中低应变率动静一体化试验测试系统，其包括：试样、加热板、刚性压板、声发射传感器、静力加载装置、动力加载装置、磁致伸缩位移传感器、试样加载机构、荷载传感器。本发明克服了声发射传感器抗压能力差，无法在高压环境下工作这一缺陷。在岩石试样六个方向的刚性压板中设计掏槽，刚性压板中的掏槽应为圆柱形，开槽直径应为2~4 cm，将声发射传感器嵌入至刚性压板中，通过主动激发与接收超声波，分析岩石试样三维内部应力波传播特征，三维各向异性和非均匀性。

技术领域

本发明涉及材料力学领域，尤其涉及岩石、混凝土等材料温压耦合中低应变率加载条件下力学特性研究。

背景技术

冲击、振动、碰撞和爆炸等动力问题广泛存在于世界科学领域。许多岩石工程问题，如干热岩开发、油气开采、煤矿开采和隧道进行等均属于动力学范畴。然而在以往的研究中，这些岩石工程问题往往简化为准静态问题进行试验分析。岩石在动态荷载作用下的变形和破裂规律与静态荷载作用下存在显著的区别，这种由动态分析向准静态分析的简化对实际岩石工程问题的认识和评估将造成偏差。这样不仅不利于有效地开发地下空间和矿产资源，同时有碍于地下结构稳定性的准确评估，继而造成财产的损失和人员安全的威胁。

当岩石所处应变率水平大于10^-3s^-1时，其自身惯性效应的影响不可忽略，为动力学研究范畴。最常用测试岩石动态力学性能的试验装置为霍普金森杆试验系统，能够提供中高应变率范围，即10¹s^-1至10²s^-1范围内的应变率加载。目前的霍普金森杆试验装置不仅可以测岩石动态压、拉、扭、剪力学特性，同时可以满足初始静力条件下的动态扰动加载。相比而言，中低应变率范围，即应变率在10^-3s^-1至10¹s^-1范围内试验装置相对较少。常规的液压伺服机最高只能提供10^-1s^-1的应变率加载。落锤试验机虽然可以提供10⁰s^-1至10¹s^-1范围内的应变率加载，但是该装置试验数据获取困难、加载控制精度不高且无法考虑初始静力条件下的动态扰动。在这一方面，Logan和Handin开发了动力三轴试验机，该装置采用气动液压加载方式，可对直径和高度分别为20mm和40mm的圆柱形试样轴向进行动态加载，且最大动态轴压可达100吨。中科院武汉岩土所研制的RDT—10000型高压动力三轴仪同样采用气动液压加载方式，分别可以实现轴向和径向两个方向动态加载。其中轴向静载和动载最高可达220吨，动载最快加载时间为9毫秒；径向动态围压最高可达120吨，且最快加载时间为40毫秒。中南大学研制的真三轴动静加载试验装置，在施加静态荷载的基础上，通过不同直径(10至30毫米)的扰动杆对试样施加局部动态扰动。扰动波形为正弦波，加载频率最大可达70Hz，且最大的动态扰动力为50吨。中国矿业大学(北京)设计研制了真三轴冲击岩爆试验系统，可实现16种不同的基本波形加载，扰动频率为0～1Hz，最大位移振幅0～1mm。

应变率在10^-3s^-1至10¹s^-1范围内动态试验装置中，仍然存在以下几个问题：

1、传统的液压加载方法激发的扰动波频率受到限制。由于现有伺服阀响应频率的限制，激发应力波波形频率往往小于70Hz。对于正弦波这类需要采用多点控制的波形，其频率一般只有十几Hz，甚至几Hz。岩石在这种低频波扰动时，很难达到较高的应变率水平，无法研究应变率在10^-1s^-1至10¹s^-1范围内岩石的动态力学特性。