脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性損傷變化測量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脆性材料測量系統(tǒng)及方法，特別是一種脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性損傷變化測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石等脆性材料是一種極其不均勻材料，包含很多缺陷如節(jié)理、孔、裂縫、裂縫和斷層。深部巖石通常在加載下表現(xiàn)出非線性的力學(xué)性質(zhì)并且具有不可逆的特性。另一方面，地下結(jié)構(gòu)在采礦工程，巖土工程，石油地球科學(xué)研究中，對巖石破壞失穩(wěn)過程的研究有非常重要的意義。
[0003]傳統(tǒng)的巖石試件力學(xué)特性研究僅僅是通過試驗機(jī)對巖樣試件進(jìn)行基本的參數(shù)的測定(如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等)和借助聲發(fā)射檢測技術(shù)獲得相關(guān)的指標(biāo)特征。深部巖石所處的環(huán)境是比較復(fù)雜的，是在不同的溫度場以及不同的應(yīng)力狀態(tài)下，這就使得巖石(巖體)這種非均質(zhì)的各向異性的材料的性質(zhì)更加復(fù)雜，所以在室內(nèi)試驗研究進(jìn)行巖石力學(xué)實驗時，考慮溫度和應(yīng)力的耦合效應(yīng)對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響是必不可少的，利用高低溫環(huán)境箱或者高溫爐可以在室內(nèi)實驗時進(jìn)行實時或者高溫后的巖石力學(xué)實驗，這樣使得實驗環(huán)境更能接近深部巖石所處的環(huán)境，也使得實驗研究結(jié)果更具有參考價值。
[0004]脆性材料的表面和內(nèi)部含有大量的弱面、裂隙等缺陷，在工程中，由于外界應(yīng)力環(huán)境的擾動，一系列的弱化結(jié)構(gòu)發(fā)生了裂隙的萌生，擴(kuò)展，聯(lián)合甚至貫通，一般的室內(nèi)試驗系統(tǒng)在實驗過程中只能測試到力-位移曲線，這些數(shù)據(jù)只能提供很有限的特征性質(zhì)，也不能檢測到在整個變形過程中的不均勻的裂隙的形成與演化。
[0005]經(jīng)典的實驗力學(xué)包括應(yīng)變電測方法和各種光測方法。以電阻應(yīng)變計為敏感元件的應(yīng)變電測技術(shù)因其尺寸小、重量輕、測量靈敏度高、測量應(yīng)變量程大、頻率響應(yīng)高等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于自動化監(jiān)測控制、稱重計量自動化、工程和科學(xué)實驗中，但是它不適應(yīng)于某些特殊環(huán)境(如高溫)。后來發(fā)展起來的其他應(yīng)變傳感元件，如電容應(yīng)變計等，可用于高溫結(jié)構(gòu)長期應(yīng)變測量。應(yīng)變電測法的不足:應(yīng)變電測方法一般是單點或逐點測量，無法得到構(gòu)件的全局應(yīng)力應(yīng)變分布，只能測量構(gòu)件表面上的應(yīng)變，而且是構(gòu)件表面的平均應(yīng)變，對于應(yīng)力梯度很大或應(yīng)力集中的構(gòu)件表面測量誤差較大，而且對測量環(huán)境要求較高，任何的風(fēng)吹草動都會影響到測量結(jié)果。
[0006]常用的光測方法如光彈性法、貼片光彈法、全息光彈法、全息干涉法、云紋干涉法、散斑干涉法等，這些傳統(tǒng)的光測力學(xué)方法的數(shù)據(jù)采集是利用膠片或干板記錄帶有被測物體表面位移或變形信息的光強(qiáng)分布，通過顯影定影得到照片。但是由于顯影定影操作費(fèi)時費(fèi)力，實驗條件難于精確控制，實驗結(jié)果難于精確重復(fù)，不利于后續(xù)的利用計算機(jī)圖像處理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是要提供一種全場測量精度高，實驗結(jié)果準(zhǔn)確的脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性及損傷變化測量系統(tǒng)及方法。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:測量系統(tǒng)包括:力學(xué)特性測試裝置、溫度應(yīng)力耦合加載裝置、聲發(fā)射信號檢測裝置和影像采集裝置；影像采集裝置位于溫度應(yīng)力耦合加載裝置的一側(cè)，力學(xué)特性測試裝置和聲發(fā)射信號檢測裝置分別與溫度應(yīng)力耦合加載裝置連接。
[0009]所述的力學(xué)特性測試裝置:一個計算機(jī)系統(tǒng)，全程數(shù)字控制，能夠自動計算實驗試件的應(yīng)力、應(yīng)變，能夠控制高低溫環(huán)境箱的溫度，能夠安全方便的操控加載裝置。
[0010]所述的溫度應(yīng)力耦合加載裝置:由具有透明壁的高低溫環(huán)境箱與電液伺服的加載裝置構(gòu)成，加載裝置能在環(huán)境箱工作的同時進(jìn)行加載，實現(xiàn)了溫度場與應(yīng)力場的耦合；環(huán)境箱具有透明壁，方便影像采集裝置采集影像。
[0011]所述的聲發(fā)射信號采集裝置:用美國的PC1-2聲發(fā)射采集裝置采集材料試驗過程中的聲發(fā)射信號并采用希爾伯特黃變換對聲發(fā)射信號進(jìn)行分析。
[0012]所述的影像采集裝置:由高速攝像機(jī)與材料試件兩側(cè)的對稱光源組成，并采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對采集到的影像進(jìn)行位移場與應(yīng)變場分析。
[0013]測量方法，具體包括如下步驟:
[0014]步驟一:制備實驗所需的試件；
[0015]步驟二:布置好高低溫環(huán)境箱在加載系統(tǒng)上面的位置，將聲發(fā)射傳感器貼在夾具壓頭上面，并用醫(yī)用耦合劑進(jìn)行粘結(jié)，使其傳輸信號良好；
[0016]步驟三:將高速攝像機(jī)對準(zhǔn)試件表面，使得拍攝面與攝像機(jī)鏡頭保持平行，并在試件的兩邊對稱的裝置好兩個光源，使得拍攝效果更加清晰；
[0017]步驟四:在保持試件所處溫度恒定的情況下進(jìn)行加載，以恒定的速率進(jìn)行加載，在進(jìn)行加載的同時進(jìn)行聲發(fā)射信號的采集以及高速攝像機(jī)同時開始拍照；在試件加載失穩(wěn)破壞以后再持續(xù)3?5秒的時間，然后停止聲發(fā)射信號采集，也停止拍照；
[0018]步驟五:將整個實驗過程中采集的聲發(fā)射信號，高清圖像以及力學(xué)加載系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理；包括:(1)聲發(fā)射信號的提取與變換；(2)高速相機(jī)拍攝的試件破壞過程圖像的后處理。
[0019]所述的聲發(fā)射信號的提取與變換:聲發(fā)射信號進(jìn)行提取選取有效能量信號作為聲發(fā)射信號參數(shù)，再將聲發(fā)射信號與聲發(fā)射信號參數(shù)信號進(jìn)行希爾伯特黃變換，希爾伯特黃變換包括經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和希爾伯特譜分析。
[0020]所述的高速相機(jī)拍攝的試件破壞過程圖像的后處理:高速攝像機(jī)拍攝的高清照片進(jìn)行感光處理，使得照片統(tǒng)一到一致的光照強(qiáng)度下，然后利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在MATLAB里面進(jìn)行計算，得到試件區(qū)域內(nèi)的位移場和應(yīng)變場。
[0021]有益效果，由于采用了上述方案，能夠測試在溫度-應(yīng)力耦合場中材料如巖石的力學(xué)特性，并在力學(xué)特性測試裝置上加上了聲發(fā)射信號檢測裝置與影像采集裝置，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)能實現(xiàn)試件位移的全場測量，精度高，使得實驗結(jié)果更加的準(zhǔn)確；對聲發(fā)射信號進(jìn)行分析可以得到試件在溫度-應(yīng)力耦合效應(yīng)下的損傷與衰減，從而數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與聲發(fā)射系統(tǒng)結(jié)合的手段實現(xiàn)了從宏觀與微觀描述材料破裂的過程。
[0022]相對于現(xiàn)有的測試系統(tǒng)優(yōu)點在于:
[0023]1.通過利用高低溫環(huán)境箱可以在室內(nèi)實驗時進(jìn)行實時或者高溫后的脆性材料如巖石力學(xué)實驗，這樣使得實驗環(huán)境更能接近實際環(huán)境，比如深部巖石所處的環(huán)境，也使得實驗研究結(jié)果更具有參考價值。
[0024]2.采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)得到試驗過程中試件局部的位移場以及應(yīng)變場，該測量方法具有非接觸、全場測量、應(yīng)用廣、精度高、對原始數(shù)據(jù)的采集方式簡單、測量要求環(huán)境低、便于實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化。
[0025]3.利用聲發(fā)射信號采集系統(tǒng)，通過測量壓裂的能量釋放來檢測裂隙的形成和演化是一種可行的和有效的技術(shù)，聲發(fā)射信號的后處理為解釋非線性和非穩(wěn)定的信號提供了一種有效的方法。方法使得加載下脆性材料比如巖石的損傷與衰減可以在宏觀和微觀下進(jìn)行描述。
【附圖說明】
:
[0026]圖1為本發(fā)明脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性及損傷變化測量系統(tǒng)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性及損傷變化測量系統(tǒng)的技術(shù)路線圖。
[0028]圖3為本發(fā)明巖石試件在溫度-應(yīng)力耦合作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及曲線上各點對應(yīng)的試件形態(tài)圖。
[0029]圖4為本發(fā)明彈性模量與試件應(yīng)變之間的關(guān)系以及聲發(fā)射能量信號與應(yīng)變之間的關(guān)系圖。
[0030]圖5為本發(fā)明通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計算出來的試件表面在某點X方向上的應(yīng)變圖。
[0031]圖6為本發(fā)明試件在線性變形階段的聲發(fā)射能量與它們