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技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。所述的同步实验系统，光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源12，扩束镜13，第一凸透镜14，第一偏振片15，第一四分之一波片16，第二四分之一波片17，第二偏振片18，第二凸透镜19；其中，激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16五者中心点在同一条直线上，并且该直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为激光光源12、扩束镜13、第一凸透镜14、第一偏振片15、第一四分之一波片16；第二超高速摄影仪5镜头中心点与第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17的中心点在同一直线上，并且该直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为第二超高速摄影仪5、第二凸透镜19、第二偏振片18、第二四分之一波片17；第一偏振片15与第二偏振片18的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片16、第二四分之一波片17的快、慢轴均与第一偏振片15、第二偏振片18的偏振轴呈45°夹角；扩束镜13位于第一凸透镜14的焦点处，第二超高速摄影仪5镜头中心点位于第二凸透镜19的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块7连接，调节第二超高速摄影仪5镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源12直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤9、冲击头10和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器20与第二超高速摄影仪5，设定第二超高速摄影仪5为外触发模式。所述的同步实验系统，第一超高速摄影仪4置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将第一超高速摄影仪4的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源1与第二LED闪光灯光源2对称地置于试件喷斑表面的斜前方，保证光源发出的光线与试件表面的法线呈45°角；用电源充电线连接第一LED闪光灯光源1、第二LED闪光灯光源2与电容充电器3连接，充电三十秒；用信号线将延迟信号控制器20与第一超高速摄影仪4连接，用信号线将第一超高速摄影仪4与电容充电器3连接，用信号线将第一超高速摄影仪4与数字散斑图像计算模块6连接；将第一超高速摄影仪4的触发方式设置为外触发。所述的同步实验系统，设置第一超高速摄影仪4与第二超高速摄影仪5至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块6中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域；散斑参考图像是实验开始前拍摄的试件表面散斑图片；数字散斑图像计算模块6将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，确定试件表面的散斑发生了多少偏移，获得散斑坐标值(x、y)。所述的同步实验系统，数字散斑图像计算模块6设置各项参数包括：子区窗口(也称相关计算窗口)(subsetsize)：大小31～41像素长；子区间隔(subsetspacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割；应变计算窗口：大小一般选择15个像素长；数字散斑图像计算模块6中具体方法如下：裂纹尖端附近位移场公式如下：上式中：μ为岩石材料剪切模量；平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；具体步骤如下：A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解；将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝argminxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于动态加载的光弹‑数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，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；实验开始时，落锤下落击中冲击头，冲击头对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹；落锤和冲击头均为金属制品，落锤击中冲击头的瞬间，落锤、冲击头、信号线形成闭合通路，使延迟信号控制器接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪，第一超高速摄影仪通过信号线传递信号至电容充电器，电容充电器控制第一LED闪光灯光源和第二LED闪光灯光源开始工作；同时，第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪开始工作，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。

【技术特征摘要】
1.用于动态加载的光弹-数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，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；实验开始时，落锤下落击中冲击头，冲击头对试件施加荷载，使试件产生运动裂纹；落锤和冲击头均为金属制品，落锤击中冲击头的瞬间，落锤、冲击头、信号线形成闭合通路，使延迟信号控制器接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪，第一超高速摄影仪通过信号线传递信号至电容充电器，电容充电器控制第一LED闪光灯光源和第二LED闪光灯光源开始工作；同时，第一超高速摄影仪和第二超高速摄影仪开始工作，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。2.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，光弹性光路系统呈“V”字形，包括激光光源，扩束镜，第一凸透镜，第一偏振片，第一四分之一波片，第二四分之一波片，第二偏振片，第二凸透镜；其中，激光光源、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片五者中心点在同一条直线上，并且该直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为激光光源、扩束镜、第一凸透镜、第一偏振片、第一四分之一波片；第二超高速摄影仪镜头中心点与第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片的中心点在同一直线上，并且该直线与试件贴片表面的法线呈45°角，距试件由远及近依次为第二超高速摄影仪、第二凸透镜、第二偏振片、第二四分之一波片；第一偏振片与第二偏振片的偏振轴相互平行或垂直，第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴相互垂直，并且第一四分之一波片、第二四分之一波片的快、慢轴均与第一偏振片、第二偏振片的偏振轴呈45°夹角；扩束镜位于第一凸透镜的焦点处，第二超高速摄影仪镜头中心点位于第二凸透镜的焦点处；用信号线将第二超高速摄影仪与光弹条纹测定模块连接，调节第二超高速摄影仪镜头对焦至试件贴片表面，调节激光光源直至试件区域清晰可见；用信号线将落锤、冲击头和延迟信号控制器连接，并调节延迟信号控制器触发方式为“断通”触发，用信号线连接延迟信号控制器与第二超高速摄影仪，设定第二超高速摄影仪为外触发模式。3.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，第一超高速摄影仪置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将第一超高速摄影仪的焦距调节至试件喷斑表面处，将第一LED闪光灯光源与第二LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面的斜前方，保证光源发出的光线与试件表面的法线呈45°角；用电源充电线连接第一LED闪光灯光源、第二LED闪光灯光源与电容充电器连接，充电三十秒；用信号线将延迟信号控制器与第一超高速摄影仪连接，用信号线将第一超高速摄影仪与电容充电器连接，用信号线将第一超高速摄影仪与数字散斑图像计算模块连接；将第一超高速摄影仪的触发方式设置为外触发。4.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，设置第一超高速摄影仪与第二超高速摄影仪至“等待触发”状态，向数字散斑图像计算模块中导入散斑参考图像，并设置各项计算参数，选取裂纹扩展区域；散斑参考图像是实验开始前拍摄的试件表面散斑图片；数字散斑图像计算模块将实验过程中拍摄的数字散斑图像和参考图像进行对比，确定试件表面的散斑发生了多少偏移，获得散斑坐标值(x、y)。5.根据权利要求4所述的同步实验系统，其特征在于，数字散斑图像计算模块6设置各项参数包括：子区窗口(也称相关计算窗口)(subsetsize)：大小31～41像素长；子区间隔(subsetspacing)：一般选取0，可得到选区每个像素点的位移；勾选不连续区域分析：在子区跨过不连续区域时可将子区分割；应变计算窗口：大小一般选择15个像素长；数字散斑图像计算模块中具体方法如下：裂纹尖端附近位移场公式如下：上式中：μ为岩石材料剪切模量；平面应变问题中平面应力问题中k＝3-4v，v是材料的泊松比；具体步骤如下：A1、识别、处理散斑参考图像，读取上述设置的各项计算参数；A2、识别、处理一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；A3、若能够精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则直接按照步骤A4计算；若无法精确得到该图片中的裂纹尖端位置x0、y0，则将上述裂纹尖端附近位移场公式简化，可得：用非线性最小二乘法求解；将拟合的函数用f(x)表示，其中x＝[x1,x2,x3.....xm]，xm为所求的未知量的个数，构造函数f(x)＝[f1(x),f2(x),f3(x)......fn(x)]，n为所选数据点的个数，最小二乘问题则是找到当x*＝argminxF(x)选取初值，通过迭代找到满足|F(xk+1)-F(xk)|＜ε，此时的xk+1为所求值，可用xk+1代替x0进行后续的计算；其中Jk为雅克比矩阵；按照同样方法可以算得到yk+1，用yk+1代替y0进行后续的计算；A4、将得到的裂纹尖端位置x0、y0，以及该图片中各个散斑的位置x、y代入裂纹尖端附近位移场公式得：即u＝h×x，由最小二乘法求解线性超定方程可知x＝(hTh)-1hTu；A5、再由求出应力强度因子；裂纹扩展速度ΔL为Δt在时间段中，焦散斑的移动距离；裂纹扩展加速度Δv为Δt在时间段中，裂纹扩展速度的变化量；A6、识别、处理下一张散斑变形图片，获取试件应变场与应力场，确定该图片中各个散斑的位置x、y；重复步骤A3到A5，直到处理完所有散斑变形图片为止；A7、导出得到的数据。6.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，通过延迟信号控制器20调节第一超高速摄影仪、第二超高速摄影仪、电容充电器开始工作的时间，从而满足不同岩石材料起裂时刻不同的实验要求。7.根据权利要求1所述的同步实验系统，其特征在于，通过改变试件中预制裂纹的数量，研究试件中一条或多条裂纹的扩展断裂机理；通过改变试件中预制裂纹的预制角度，在试...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳中文，王煦，宋耀，宋晨哲，胡庆文，王鹏，张士春，明晓丹，彭麟智，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11