一种动态加载的电测-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动态加载的电测‑数字图像相关法同步实验系统及方法，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；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同时测得的数据，能够更加准确、科学、定量地研究裂纹起裂及扩展过程中的断裂机理；该系统既能对试件施加动态荷载，也能对试件施加准静态荷载，且同时适用于透明及非透明材料试件的实验测量，应用灵活广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种动态加载的电测-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，尤其涉及一种研究裂纹起裂及扩展过程中断裂机理的实验系统及方法。
技术介绍
岩石是自然界最常见的材料之一，同时也是人类建造工程最常用的材料。因此研究并了解岩石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。在岩土工程中，岩石的动态断裂现象广泛地存在于矿物开采、能源开发、环境保护和土木工程之中，且是大部分地质灾害现象(如地震、山体滑坡及岩爆等)的根本起因之一，这使得研究岩石类准脆性材料在动态载荷作用下，裂纹起裂及扩展过程中的断裂机理具有重要的实际意义。但是，岩石介质由于其自身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已显得十分必要。近年来，随着科技的不断进步，国内外众多学者通过相对成熟的理论体系以及相对精密的实验设备对岩石材料的动态断裂机理进行研究。目前，国内外学者已采取不同的测试方法对裂纹起裂及扩展过程中的动态断裂变化规律和机理进行了研究，并取得了一定的成果，但是利用应变片电测方法和数字图像相关(DIC)方法同步分析运动裂纹尖端位移场、应力场和应变场变化规律的研究尚未进行。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。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可同步利用应变片电测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：一种动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，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模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；数据处理中心中安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；在配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：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；试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，选取裂纹扩展区域；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5接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪和超高速摄影机，超高速摄影机通过信号线传递信号至电容充电器；此时，超动态应变仪开始采集电测数据并存储于数据采集仪中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器充电完毕的LED闪光灯光源开始工作，超高速摄影机拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序；从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。所述的实验系统，通过改变落锤8的重量，可以改变冲击头9对试件34施加载荷的大小；通过改变落锤8的下落高度，可以改变冲击头9对试件34的加载率。所述的实验系统，可在试件34上粘贴多个应变片，从而可以实现裂纹扩展全过程中的电测数据测量。所述的实验系统，将实验加载台7上的落锤8和冲击头9更换为伺服液压机，对试件34施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。所述的实验系统，通过改变LED闪光灯光源的放置位置，可以实现透射式和反射式数字图像相关实验的光路要求，从而可以广泛应用于透明性和非透明性材料的数字图像相关实验测量。所述的实验系统，基于不同材料起裂时间和裂纹扩展速度不同的特点，通过调节延迟信号控制器5控制电测数据和数字图像相关法图片的记录起始时间，从而更精确地记录试件34在断裂过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。所述的实验系统，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度等力学参数；实验前，输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间；超动态应变仪配套测试程序根据上述各项数据，利用公式：裂尖动态应力强度因子：式中，变量变量变量κ＝-cos(2α)；为应变片测得的应变峰值。所述的实验系统，利用matlab软件编程，通过采集到的DIC应变数据直接得出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展加速度等各项参数；数字散斑图像计算程序中具体算法如下：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；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，通过迭代本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态加载的电测‑数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，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模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；数据处理中心中安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；在配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：子区窗口：大小31～41像素长；子区间隔：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；试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，选取裂纹扩展区域；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5接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪和超高速摄影机，超高速摄影机通过信号线传递信号至电容充电器；此时，超动态应变仪开始采集电测数据并存储于数据采集仪中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器充电完毕的LED闪光灯光源开始工作，超高速摄影机拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序；从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。...

【技术特征摘要】
1.一种动态加载的电测-数字图像相关法同步实验系统，其特征在于，包括LED闪光灯光源、电容充电器、超高速摄影机、延迟信号控制器、数据处理中心、实验加载台、落锤、冲击头、数据采集仪、超动态应变仪、桥盒、信号线、屏蔽线、应变片、电源充电线、试件；用屏蔽线连接桥盒和试件上的应变片，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模式为“断通”触发模式，用信号线连接桥盒和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超动态应变仪，用信号线连接延迟信号控制器和超高速摄影机，用信号线连接超动态应变仪和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和数据处理中心，用信号线连接超高速摄影机和电容充电器；数据处理中心中安装数字散斑图像计算程序和超动态应变仪配套测试程序；将数据处理中心中安装的超动态应变仪配套测试程序的触发方式设置为外触发；在配套测试程序设置各项参数和数字散斑图像计算程序设置各项参数；配套测试程序参数包括输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；数字散斑图像计算程序设置各项参数包括：子区窗口：大小31～41像素长；子区间隔：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；试件一面喷斑另一面粘贴应变片；超高速摄影机置于试件喷斑表面的正前方30至40厘米处，将超高速摄影机的焦距调节至试件喷斑表面处，将LED闪光灯光源对称地置于试件喷斑表面斜前方，保证光源发出的光线与试件喷斑表面的法线呈45°角；用电源充电线连接电容充电器和LED闪光灯光源；将超高速摄影机的触发方式设置为外触发；向数字散斑图像计算程序中导入散斑参考图像，选取裂纹扩展区域；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5接到断通信号，延迟信号控制器接到断通信号后，发出触发信号至超动态应变仪和超高速摄影机，超高速摄影机通过信号线传递信号至电容充电器；此时，超动态应变仪开始采集电测数据并存储于数据采集仪中并传输到超动态应变仪配套测试程序，同时，已经过电容充电器充电完毕的LED闪光灯光源开始工作，超高速摄影机拍摄记录数字散斑图像，传输到数字散斑图像计算程序；从而实现了电测法和数字图像相关法的同步测试和两种方法的实验数据同步采集和记录。2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，通过改变落锤的重量，可以改变冲击头对试件施加载荷的大小；通过改变落锤的下落高度，可以改变冲击头对试件的加载率。3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，试件上粘贴多个应变片，从而可以实现裂纹扩展全过程中的电测数据测量。4.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，将实验加载台上的落锤和冲击头更换为伺服液压机，对试件施加准静态荷载，使系统在不同加载率下具有更广泛的应用价值。5.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，通过改变LED闪光灯光源的放置位置，可以实现透射式和反射式数字图像相关实验的光路要求，从而可以广泛应用于透明性和非透明性材料的数字图像相关实验测量。6.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，基于不同材料起裂时间和裂纹扩展速度不同的特点，通过调节延迟信号控制器控制电测数据和数字图像相关法图片的记录起始时间，从而更精确地记录试件在断裂过程中的电测数据和数字图像相关法的图片信息。7.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于，超动态应变仪配套测试程序根据应变片电测结果自动计算出裂纹尖端动态应力强度因子、裂纹扩展速度等力学参数；实验前，输入应变片个数、每个应变片与裂纹扩展路径的垂直距离y、试件中横波波速c1、试件中纵波波速c2、试件的剪切模量μ、应变片朝向角α、运动裂纹类型等参数；实验过程中，每个应变片会采集应变峰值以及产生应变峰值的时间；超动态应变仪配套测试程序根据上述各项数据，利用公式：裂尖动态应力强度因子：式中，变量变量变量κ＝-cos(2α)；为应变片测得的应变峰值。8.根据权利要求1所述的实验系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳中文，宋耀，王煦，田世颖，李鹏辉，胡子杭，路燕龙，李站飞，
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