[发明专利]一种动态加载的光弹-数字图像相关法同步实验系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于动态加载的光弹‑数字图像相关法同步实验系统及方法，包括第一LED闪光灯光源，第二LED闪光灯光源，电容充电器，第一超高速摄影仪，第二超高速摄影仪，数字散斑图像计算模块，光弹条纹测定模块，试件，落锤，冲击头，实验加载台，光弹性光路，延迟信号控制器，电源充电线，信号线；该系统综合了两种实验方法的优点，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；该系统既能够对试件施加动态载荷，也能对试件施加准静态载荷，应用范围灵活广泛。

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，尤其涉及一种研究岩石材料断裂过程中裂纹扩展机理的实验和方法。

背景技术

岩石是自然界常见的材料之一，也是人类建造工程较常用的材料，因此研究并了解岩石材料在不同外界条件下的物理和力学性质对工程结构的安全性设计具有非常重要的意义。其中，岩石的动态断裂问题一直是该领域的热点。研究动荷载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，能够为改进施工方案、提高施工效率提供指导。但是，岩石介质由于其内部存在的大量微裂隙、节理及断层，使得其动态断裂行为变得极为复杂且具有较高的随机性。因此，选取合理的测试方法对岩石类准脆性材料的动态断裂机理进行实验研究显得十分必要。

目前，国内外学者已采取不同的测试方法对岩石材料动态断裂过程中裂纹起裂和扩展过程中的力学机理进行了研究，并取得了一定的研究成果，但是利用动态光弹性方法和数字图像相关方法同步研究分析岩石材料中运动裂纹起裂和扩展过程中断裂力学机理的研究尚未进行。

目前市面上的数字图像相关(DIC)实验系统，只能应用于宏观的、低速的实验情况下测定试件的应变，测试对象一般为汽车外壳、笔记本外壳、钢筋、钢板等等在外力作用下应变非常明显的实验材料，并且材料发生变形的整个过程十分缓慢。而岩石是典型的脆性材料，在冲击荷载作用下，发生的应变非常微小，几乎难以观测。同时，岩石的断裂过程非常迅速，只有几微秒，到目前为止，从来没有数字图像相关(DIC)实验系统能够观测岩石材料在冲击荷载作用下的断裂行为。目前的光弹性实验系统，几乎都是透射式光弹性实验系统以及静态光弹性实验系统，尚未有学者利用超高速的、动态的、反射式光弹性实验系统对岩石类材料的动态断裂行为和裂纹扩展机理进行研究。

发明内容

本发明提供了一种可同步利用反射式动态光弹性方法和数字图像相关法研究岩石材料中运动裂纹起裂和扩展机理的实验系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于动态加载的光弹-数字图像相关法同步实验系统，包括第一LED闪光灯光源1，第二LED闪光灯光源2，电容充电器3，第一超高速摄影仪4，第二超高速摄影仪5，数字散斑图像计算模块6，光弹条纹测定模块7，试件8，落锤9，冲击头10，实验加载台11，光弹性光路，延迟信号控制器20，电源充电线，信号线；其中，落锤9和冲击头10位于实验加载台11中；实验开始时，落锤9下落击中冲击头10，冲击头10对试件8施加荷载，使试件8产生运动裂纹；由于落锤9和冲击头10均为金属制品，落锤9击中冲击头10的瞬间，落锤9、冲击头10、信号线25-27形成闭合通路，使延迟信号控制器20接到断通信号，延迟信号控制器20接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5，第一超高速摄影仪4通过信号线传递信号至电容充电器3，电容充电器3控制第一LED闪光灯光源1和第二LED闪光灯光源2开始工作；同时，第一超高速摄影仪4和第二超高速摄影仪5开始工作，分别采集数字图像相关实验数据和动态光弹性实验数据，从而实现了动态光弹性法和数字图像相关法的同步测试。