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1、三維應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中的應(yīng)用
爆炸力學(xué)是研究高功率密度的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，大量能量通過(guò)高速的波動(dòng)來(lái)傳遞，歷時(shí)極短而強(qiáng)度極大。其中爆炸力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)為沖擊載荷下材料的力學(xué)性能的研究提供了方法和工具。在礦業(yè)、水利和交通運(yùn)輸工程中，爆破工程也是必不可少的傳統(tǒng)方法。光面爆破、預(yù)裂爆破技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛。
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在研究?jī)?nèi)爆加載下巖土類材料的破壞機(jī)理實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)千眼狼PMLAB三維應(yīng)變測(cè)量分析技術(shù)，分析混凝土內(nèi)爆試驗(yàn)中表面裂紋在長(zhǎng)度和寬度方向的擴(kuò)展過(guò)程及表面變形場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的演化過(guò)程，討論應(yīng)力波和氣體對(duì)裂紋擴(kuò)展的分工作用，驗(yàn)證該測(cè)量分析技術(shù)在爆炸裂紋研究的有效性。（詳情可見(jiàn)《爆炸加載下混凝土表面的裂紋擴(kuò)展》）
2、實(shí)驗(yàn)方法
炸藥內(nèi)爆是巖石及混凝土等材料受載破壞的常見(jiàn)形式。裂紋擴(kuò)展過(guò)程作為斷裂力學(xué)的重要內(nèi)容，一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，測(cè)量方法也很多，三維應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)（DIC）具有非接觸、全場(chǎng)變形及應(yīng)變測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，在高速動(dòng)態(tài)過(guò)程研究中應(yīng)用較為廣泛。
此次課題實(shí)驗(yàn)搭建了混凝土內(nèi)爆試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由混凝土模型、爆破器材、DIC系統(tǒng)、沖擊鉆、發(fā)電機(jī)等輔助材料組成如圖1a所示。
圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
混凝土表面裂紋擴(kuò)展過(guò)程以面內(nèi)位移為主，故采用單臺(tái)千眼狼高速攝像機(jī)采集，調(diào)節(jié)三腳架使相機(jī)視軸垂直被測(cè)表面，高度與被測(cè)表面高度一致，拍攝的爆破過(guò)程圖像如圖1b所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎蒙逃没炷翝仓桑鐖D1c所示。被測(cè)表面噴涂散斑并描畫(huà)刻度尺以便于獲得像素與物理距離之間的比例，高速攝像機(jī)拍攝幀率為20000fps。
3、實(shí)驗(yàn)分析
1/3.起裂點(diǎn)分析
實(shí)驗(yàn)拍攝的裂紋擴(kuò)展過(guò)程如圖2所示，起爆后0.50ms模型側(cè)面開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，起裂點(diǎn)位于模型上表面與側(cè)面棱線處，隨后裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展1.75ms結(jié)束，長(zhǎng)度擴(kuò)展結(jié)束后轉(zhuǎn)而向?qū)挾葦U(kuò)張，最終于4.50ms結(jié)束。
圖2 裂紋擴(kuò)展過(guò)程
炸藥在混凝土內(nèi)部爆炸時(shí)，其作用過(guò)程有三種模式，我們基于該理論，結(jié)合裝藥結(jié)構(gòu)，最小抵抗線約9.5cm，側(cè)面抵抗線為20cm，而棱線處抵抗線約22.1cm，可知模型表面最初的裂紋應(yīng)形成于炮孔口處。側(cè)面起裂點(diǎn)沒(méi)有出現(xiàn)在側(cè)面而出現(xiàn)在棱線上，說(shuō)明一旦形成貫通裂紋，該裂紋將成為主裂紋，或稱為“優(yōu)勢(shì)”裂紋，“優(yōu)勢(shì)”裂紋在表面擴(kuò)展速度極快，也將決定后續(xù)裂紋的趨向。
2/3.裂紋擴(kuò)展過(guò)程
經(jīng)過(guò)裂紋檢測(cè)算法依次對(duì)圖像序列進(jìn)行檢測(cè)，得到裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展過(guò)程如圖3所示。裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展從0.50ms開(kāi)始1.75ms停止，期間最大速度225.95m/s，平均速度122.27m/s。依速度值將曲線劃為2段，0.50～1.20ms為第1段，裂紋擴(kuò)展速度始終大于平均值，起裂后速度躍升快，極值出現(xiàn)在0.60ms，極值后有一定波動(dòng)，整體穩(wěn)定于較高水平，可稱為裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展段，此間裂紋長(zhǎng)度為133.15mm，達(dá)到總長(zhǎng)的83%；第2段為1.20～1.75ms，裂紋擴(kuò)展速度急劇衰減，推測(cè)此時(shí)應(yīng)力波作用已十分微弱，甚至已停止，只有爆炸氣體繼推動(dòng)裂紋擴(kuò)展，最終裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展至159.92mm停止。
圖3 裂紋長(zhǎng)度和擴(kuò)展速度曲線
其他相關(guān)研究測(cè)得內(nèi)爆條件下應(yīng)力波在混凝土中傳播的速度達(dá)103m/s級(jí)，作用時(shí)間為幾十至幾百微秒，而側(cè)面裂紋起裂于0.5ms，止裂于1.75ms，可見(jiàn)，裂紋在長(zhǎng)度上的擴(kuò)展為應(yīng)力波和爆炸氣體共同作用的結(jié)果。
圖4 水平位移場(chǎng)的演化過(guò)程
通過(guò)三維應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算裂紋區(qū)域水平位移場(chǎng)，由圖4可知，裂紋的擴(kuò)展過(guò)程是被測(cè)表面位移場(chǎng)由無(wú)序到有序不斷演化、并在裂紋區(qū)域不斷集中的過(guò)程。
圖5 裂紋張開(kāi)寬度隨時(shí)間和裂紋長(zhǎng)度的變化曲線
以時(shí)間為橫軸，以裂紋張開(kāi)寬度Wi為縱軸，裂紋擴(kuò)張曲線如圖5a所示。從起裂點(diǎn)開(kāi)始，沿著裂紋擴(kuò)展方向，以5pixel(4.45 mm)為步長(zhǎng)，以裂紋為中心，按照上述方法分別取監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到沿?cái)U(kuò)展方向的裂紋寬度曲線。無(wú)論監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離起裂點(diǎn)多遠(yuǎn)，其相對(duì)位移發(fā)展趨勢(shì)是一致的，裂紋擴(kuò)展停止后，橫向擴(kuò)張要持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間，可達(dá)4.5ms，在裂紋發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，爆炸氣體均起到重要作用，但其對(duì)裂紋的擴(kuò)張作用更明顯。
3/3.應(yīng)變場(chǎng)演化過(guò)程
圖6 最大主應(yīng)變場(chǎng)的演化過(guò)程
最大主應(yīng)變場(chǎng)的演化過(guò)程如圖6所示，其中，紅色表示應(yīng)變較大，裂紋區(qū)域始終存在應(yīng)變集中帶。在0.25ms時(shí)，宏觀裂紋尚未產(chǎn)生，但應(yīng)變已向裂紋區(qū)域集中；0.50ms時(shí)，未來(lái)的裂紋附近應(yīng)變集中帶已經(jīng)形成，起裂點(diǎn)附近最明顯，隨著宏觀裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，應(yīng)變集中帶越發(fā)明顯，1.75ms時(shí)，應(yīng)變集中帶的總體形態(tài)已經(jīng)確定；在1.75～4.50ms，在裂紋附近應(yīng)變集中帶上，深色區(qū)域不斷擴(kuò)大，宏觀表現(xiàn)為此處裂紋正在擴(kuò)張。
4/3.斷裂過(guò)程區(qū)分析
圖7 斷裂過(guò)程區(qū)發(fā)展過(guò)程
斷裂過(guò)程區(qū)（FPZ）模型觀測(cè)通常在帶有預(yù)制裂紋混凝土梁的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中進(jìn)行，屬于準(zhǔn)靜態(tài)加載，對(duì)于動(dòng)態(tài)加載過(guò)程FPZ的研究則較少。FPZ尺寸的測(cè)量也逐步發(fā)展為以DIC方法為主，結(jié)合聲發(fā)射測(cè)量、引伸計(jì)等。FPZ區(qū)域的界定不盡相同，有的以應(yīng)變作為界定標(biāo)準(zhǔn)，也有的以位移作為標(biāo)準(zhǔn)。本文中以各幀中宏觀裂紋尖端為FPZ起點(diǎn)，應(yīng)變集中帶作為FPZ邊界，如圖7所示，圖中橫縱坐標(biāo)的單位為像素，裂紋尖端和FPZ尖端坐標(biāo)也為像素，0.80ms 后FPZ已超出觀測(cè)范圍，結(jié)合圖 6，計(jì)算各時(shí)刻FPZ尺寸如表1所示。
表 1 斷裂過(guò)程區(qū)尺寸
由表可知，除起裂時(shí)刻FPZ寬度較小，為33.82mm外，其余時(shí)刻寬度變化不大，在47.17～52.51mm之間，F(xiàn)PZ長(zhǎng)度基本不變，為129.30～132.64mm，約為混凝土骨料最大粒徑的8～9倍。
4、實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果
通過(guò)進(jìn)行混凝土內(nèi)爆試驗(yàn)結(jié)合三維應(yīng)變測(cè)量（DIC）和智能圖像分析等技術(shù)，研究了內(nèi)爆加載下混凝土表面裂紋擴(kuò)展規(guī)律。該技術(shù)可觀測(cè)裂紋的擴(kuò)展和擴(kuò)張效應(yīng)以及斷裂過(guò)程區(qū)的演化規(guī)律，同時(shí)提供裂紋變化的量化數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)主要結(jié)論：
1、側(cè)面裂紋起裂點(diǎn)位于側(cè)面與頂面交線上，擴(kuò)展平均速度為122.27m/s，最大速度為225.95m/s，裂紋總長(zhǎng)為159.92mm，裂紋方向與炮孔軸線方向近似平行。
2、裂紋長(zhǎng)度擴(kuò)展集中在起爆后0.50～1.75ms內(nèi)，為應(yīng)力波和爆炸氣體共同作用結(jié)果，擴(kuò)展停止后，裂紋主要進(jìn)行橫向擴(kuò)張，持續(xù)時(shí)間可達(dá)4.5ms，主要?jiǎng)恿楸ㄉ傻臍怏w楔入裂紋內(nèi)，使模型被切割，最終裂紋最大張開(kāi)寬度為1.59mm。
3、根據(jù)應(yīng)變場(chǎng)分析了爆破這種超動(dòng)態(tài)加載下混凝土斷裂過(guò)程區(qū)的演化規(guī)律，混凝土配比和骨料粒徑固定后，其斷裂過(guò)程區(qū)尺寸基本不變，其長(zhǎng)度約為骨料最大粒徑的8～9倍。
4、試驗(yàn)采用單藥包集中裝藥，且裝藥量較小，側(cè)面只產(chǎn)生了一條宏觀主裂紋，采用多藥包裝藥，并設(shè)計(jì)不同裝藥參數(shù)和布置形式，對(duì)于全面分析多條裂紋擴(kuò)展過(guò)程大有裨益；另外，電測(cè)法擅長(zhǎng)對(duì)應(yīng)力波的測(cè)量，光測(cè)法對(duì)裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程的測(cè)量更方便，將二者結(jié)合起來(lái)更有助于研究爆炸加載下介質(zhì)的響應(yīng)和應(yīng)力波傳播規(guī)律，這將是下一步工作的方向。
5、總結(jié)
爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波和高溫高壓氣體共同作用下，介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)裂紋并向自由面擴(kuò)展，將介質(zhì)切割成塊。但對(duì)應(yīng)力波和高溫高壓氣體的作用分工研究較少，尤其是兩者共同作用下的裂紋擴(kuò)展機(jī)理尚不完全清楚。裂紋擴(kuò)展過(guò)程作為斷裂力學(xué)的重要內(nèi)容，一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。千眼狼PMLAB三維應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)（DIC）具有非接觸、全場(chǎng)變形及應(yīng)變測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，在高速動(dòng)態(tài)過(guò)程研究實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較為廣泛。（此文源自中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)）
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