[发明专利]一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法

说明书

本发明公开了一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，特点是使用数字图像相关法（DIC技术）计算超高速摄像机记录的图片，得到杆状试件在所有图片上的所有像素点的应变历史，形成应变数据库；根据应变数据库分析得到一个杆状试件上所有层裂位置的层裂起始时刻和断裂应变。优点是通过上述方法不仅能准确确定脆性材料在霍普金森压杆实验中发生多个层裂的断裂应变及应变率，也能够确定每个层裂发生的时间和位置等数据，有效地利用了投入的人力物力以及测得的大量且可贵的实验数据，有效的解决了以往方法中在高加载率实验中不能同时获得所有断裂位置的层裂强度的问题。

技术领域

本发明涉及一种脆性材料一维层裂实验的分析方法，尤其是涉及一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法。

背景技术

脆性材料(如混凝土、岩石、玻璃和陶瓷等)的损伤演化的动态本构特性研究，已经成为当前力学、材料学界和工程界共同关注的跨学科前沿性研究热点。以工程界最广泛应用的混凝土为代表，因其低密度、高压缩强度的性能优势，被广泛应用于桥梁、大坝、核设施、军事建筑及防护工程。但是，混凝土性能也有其显著的劣势，比如严重的拉压不对称，即极低的拉伸断裂强度，低的断裂韧性。因此，混凝土主要应用在静态压缩工况下。而在其工作过程中，除了承受静态载荷的作用外，还要承受动态载荷的作用，如地震、车辆撞击混凝土结构、轮船撞击大桥桥墩、恐怖袭击等导致的爆炸载荷，这些动态载荷将在结构中产生与准静态载荷不同的效应。与受准静态压缩载荷不同，混凝土结构受爆炸等动态载荷，其内部将产生一个压缩波，当压缩波到达结构的自由面后，将反射生成拉伸波，当拉伸波与压缩波叠加之后的载荷超过混凝土材料的层裂强度时，混凝土将发生层裂破坏，造成结构物的失效甚至垮塌。上述现象表明，在爆炸等动态载荷作用下，必须重点关注脆性材料的动态抗拉性能，因此全面了解混凝土在动态载荷作用下的力学响应，对设计混凝土结构具有重要意义。目前，针对混凝土在静态压缩载荷作用下的力学行为响应已有了广泛的研究，而获得混凝土在高应变率下的力学特征量，如拉伸强度，断裂能等，仍然是一个复杂且迫切的任务。

目前关于脆性材料的动态拉伸性能的实验研究，为了获得高加载率下的层裂强度，普遍选用霍普金森压杆实验技术，即用一个金属子弹(钢或者铝合金)在正方向撞击长金属入射杆，在入射杆中产生一个压缩波，压缩波传递到脆性材料杆状试件并在杆的自由端发生反射，在此过程中，压缩波反射变成拉伸波，从自由端向撞击端传播，当拉伸波与压缩波叠加后的强度达到测试材料的拉伸强度时，试样发生层裂破坏。在一次实验中，由于脆性材料较低的动态抗拉强度，一个试件往往发生多次层裂，然而，目前现有的针对脆性材料一维层裂拉伸强度的实验分析方法通常包括以下两种：一种是通过设计特殊的入射波的形状来使层裂的裂纹按顺序发生，并且在杆状试件上贴应变片来记录杆中压缩波的信号，通过假设压缩波和拉伸波相同来计算分析第一个发生层裂位置的层裂强度，其缺点是应变率不高；另一种是在杆状试件的自由端测量端面的自由速度，来分析计算最靠近自由端的层裂位置的层裂强度，其缺点是只能计算单个层裂位置的层裂强度，不得不放弃对剩余层裂位置的测量分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种脆性材料一维层裂拉伸强度的计算方法，该方法不仅能准确确定脆性材料在霍普金森压杆实验中发生多个层裂的断裂应变及应变率，也能够确定每个层裂发生的时间和位置等数据，有效地利用了投入的人力物力以及测得的大量且可贵的实验数据。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种高加载率下脆性材料一维层裂实验的全场分析方法，包括如下步骤：

(1)在由脆性材料制成的杆状试件上，刷白色底漆；

(2)待白色底漆干燥后，在白色底漆上喷涂小的黑色斑点；

上述步骤(1)和(2)为获得清晰的高对比度的图像做准备；