[发明专利]基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置及其试验方法

权利要求书

1.一种基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，包括发射装置、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆和测量系统，所述的发射装置用于发射子弹并通过所述的撞击杆撞击所述的入射杆，所述的入射杆、所述的透射杆和所述的吸收杆三者同轴设置，所述的入射杆与所述的透射杆之间留有间隙，所述的吸收杆贴合在所述的透射杆的一端，所述的测量系统用于捕捉所述的入射杆和所述的透射杆的冲击效果，其特征在于：所述的入射杆的一端连接有折弯杆，所述的透射杆上连接有岩样折冲杆，所述的岩样折冲杆的一端开设有用于放置试样的卡槽，所述的岩样折冲杆上还开设有供所述的折弯杆伸入的避让槽，所述的避让槽与所述的卡槽相连通。

2.根据权利要求1所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的折弯杆的直径与所述的岩样折冲杆的直径相等，所述的折弯杆的长度与所述的岩样折冲杆的长度相等，所述的折弯杆的一端具有楔形头，所述的楔形头的两侧分别开设有弓形面，所述的弓形面的弦高为所述的折弯杆长度的1/4-1/2。

3.根据权利要求2所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的避让槽的宽度为所述的岩样折冲杆直径的1/3-2/5，所述的避让槽的深度为所述的岩样折冲杆长度的1/4-1/2。

4.根据权利要求3所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的折弯杆与所述的入射杆之间设置有第一锁紧组件。

5.根据权利要求4所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的第一锁紧组件包括第一抱箍和第二抱箍，所述的第一抱箍紧贴在所述的折弯杆的上侧壁与所述的入射杆的上侧壁之间，所述的第二抱箍紧贴在所述的折弯杆的下侧壁与所述的入射杆的下侧壁之间，所述的第一抱箍和所述的第二抱箍之间通过第一锁紧螺栓固定。

6.根据权利要求3所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的透射杆与所述的岩样折冲杆之间设置有第二锁紧组件。

7.根据权利要求6所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的第二锁紧组件包括第三抱箍和第四抱箍，所述的第三抱箍紧贴在所述的透射杆的上侧壁与所述的岩样折冲杆的上侧壁之间，所述的第四抱箍紧贴在所述的透射杆的下侧壁与所述的岩样折冲杆的下侧壁之间，所述的第三抱箍和所述的第四抱箍之间通过第二锁紧螺栓固定。

8.根据权利要求6所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的测量系统包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、高速摄像机、第一超动态应变仪和第二超动态应变仪，所述的第一应变片安装在所述的入射杆上，所述的第二应变片安装在所述的透射杆上，所述的第三应变片安装在所述的折弯杆上，所述的第四应变片安装在所述的岩样折冲杆上，所述的高速摄像机记录整个子弹发射撞击试样时，试样的破坏过程，所述的第一超动态应变仪分别与所述的第一应变片和所述的第二应变片电连接，所述的第二超动态应变仪分别与所述的第三应变片和所述的第四应变片电连接。

9.根据权利要求1所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，其特征在于：所述的入射杆与所述的折弯杆之间涂抹有凡士林，所述的透射杆与所述的岩样折冲杆之间也涂抹有凡士林。

10.一种基于SHPB系统的岩石动态抗折试验方法，其特征在于：利用如权利要求8所述的基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置，包括如下步骤，

S1：通过第一应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第一电压时程曲线V_i1，通过第二应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第二电压时程曲线V_t1，通过第三应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第三电压时程曲线V_i2，通过第四应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第四电压时程曲线V_t2；

S2：将第一电压时程曲线V_i1除以放大系数C得到霍普金森压杆的入射应变的第一时程曲线ε_i1，将第二电压时程曲线V_t1除以放大系数C得到霍普金森压杆的透射应变的第二时程曲线ε_t1，将第三电压时程曲线V_i2除以放大系数C得到霍普金森压杆的入射应变的第三时程曲线ε_i2，将第四电压时程曲线V_t2除以放大系数C得到霍普金森压杆的透射应变的第四时程曲线ε_t2，然后再将第一时程曲线ε_i1与第三时程曲线ε_i2相比较，得到转化系数η_i，将第二时程曲线ε_t1与第四时程曲线ε_t2相比较，得到转化系数η_t，取η_i与η_t中较大的值除以另一个较小的值，若两者的比值在1-1.2之间，则转至步骤S3，若超过此范围，则重新安装折弯杆与岩样折冲杆，直至满足要求；

S3：在正式实验前，验证入射杆和透射杆满足一维应力波条件σ_i(t)+σ_r(t)＝σ_t(t)的霍普金森压杆，其中：σ_i(t)表示入射应力，σ_r(t)表示反射应力，σ_t(t)表示透射应力；

S4：发射装置用于发射子弹并通过撞击杆撞击入射杆，对试样进行加载，使其应变率在10²～10³s^-1之间；

S5：通过设置在第一应变片和第二应变片测得霍普金森压杆内的入射波和透射波，并根据下列公式计算平均应变和平均应力得到材料的动态应力-应变关系，

式中：c为纵波波速m/s；l_s为试样长度m；ε_i为入射应变，矢量；ε_r为反射应变，矢量；ε_t为透射应变，矢量；A为杆件横截面积m²；A_S为试样受冲击面积m²；E为杆件弹性模量GPa；

S6：根据下列公式计算得到试样的动态抗折弹性模量，

其中E_dz为动态抗折弹性模量，P(t)_max为冲击荷载P(t)的最大值，L为试样的长度mm，b试样截面宽度mm，h为试样截面高度mm，冲击荷载P(t)计算采用下列公式，

其中；ε_i为入射应变，矢量；ε_r为反射应变，矢量；ε_t为透射应变，矢量；A为杆件横截面积m²；E为杆件弹性模量GPa；

S7：高速摄影机拍摄试样折断破坏过程，分析确定试样宏观断裂破坏机制，之后对试样断裂处进行电镜扫描，分析折断断口微观形貌特征，分析微观破坏特征。