脆性材料高低溫加載下力學(xué)特性損傷變化測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種脆性材料測量系統(tǒng)，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)。
【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對巖樣試件進行基本的參數(shù)的測定(如抗壓強度、抗剪強度等)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分布，通過顯影定影得到照片。但是由于顯影定影操作費時費力，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)的利用計算機圖像處理。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]技術(shù)問題:本實用新型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)。
[0008]技術(shù)方案:本實用新型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)，其特征是: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)特性測試裝置包括一個全程數(shù)字控制的計算機系統(tǒng)，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，并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)境箱工作的同時進行加載，實現(xiàn)溫度場與應(yīng)力場的耦合;環(huán)境箱具有方便采集影像的透明壁。
[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)射信號進行分析。
[0012]所述的影像采集裝置:由高速攝像機與材料試件兩側(cè)的對稱光源組成，并采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對采集到的影像進行位移場與應(yīng)變場分析。
[0013]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。相對于現(xiàn)有的測試系統(tǒng)優(yōu)點在于:
[0014]1.通過利用高低溫環(huán)境箱可以在室內(nèi)實驗時進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。
[0015]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，測量系統(tǒng)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。
[0016]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途徑。
【附圖說明】
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[0017]圖1為本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述:
[0019]本實用新型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)，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。
[0020]所述的力學(xué)特性測試裝置:一個高智能的計算機系統(tǒng)，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;與現(xiàn)有的力學(xué)特性測試裝置相比更加智能化，操作更加簡單，更加安全，更能夠節(jié)省人力。
[0021]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。
[0022]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)射信號進行分析;與現(xiàn)有的聲發(fā)射采集裝置相比靈敏度更高，而且希爾伯特黃變換的后處理方法比現(xiàn)階段的采用的小波變換或傅里葉變換方法分析更加準(zhǔn)確，更加全面。
[0023]所述的影像采集裝置:由高速攝像機與材料試件兩側(cè)的對稱光源組成，并采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對采集到的影像進行位移場與應(yīng)變場分析，現(xiàn)階段脆性材料實驗力學(xué)采用應(yīng)變電測方法和各種光測方法，與其相比，本實用新型采用的裝置與方法精度更高，能用于全場測量，應(yīng)用更廣。
【主權(quán)項】
1.一種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)，其特征是: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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述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)，其特征是:所述的力學(xué)特性測試裝置包括一個全程數(shù)字控制的計算機系統(tǒng)，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，并能夠安全方便的操控加載裝置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述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)，其特征是: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)境箱工作的同時進行加載，實現(xiàn)溫度場與應(yīng)力場的耦合;環(huán)境箱具有方便采集影像的透明壁。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述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)，其特征是: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)射信號進行分析。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述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)，其特征是:所述的影像采集裝置:由高速攝像機與材料試件兩側(cè)的對稱光源組成，并采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對采集到的影像進行位移場與應(yīng)變場分析。
【專利摘要】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)，屬于脆性材料測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加了溫度應(yīng)力耦合加載裝置，聲發(fā)射信號采集裝置以及影像采集裝置；利用溫度應(yīng)力耦合加載裝置，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，使得實驗研究結(jié)果更具有參考價值；利用影像采集裝置結(jié)合數(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。利用聲發(fā)射信號采集裝置，通過測量壓裂的能量釋放來檢測裂隙的形成和演化，使得加載環(huán)境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行描述。
【IPC分類】G01N3/00
【公開號】CN205175809
【申請?zhí)枴緾N201520978760
【發(fā)明人】劉峰宇, 彭維紅, 張驥, 張海翔, 杜夢琳, 曹國華, 程紅梅, 張志鎮(zhèn)
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年12月1日