用于爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理研究的系统及方法与流程

本发明涉及光测力学研究领域的动态裂纹扩展研究实验方法，尤其涉及一种研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理的实验系统及方法。

背景技术：

目前爆破技术广泛应用于各种大型工程项目中，如三峡工程的硐室开挖、高速铁路的穿山隧道等，在实际爆破工程中，爆破对象往往是大体量的岩体，这就需要布置大量的炸药进行爆破作业，在爆破过程中，由于人为的控制或者火工品的精度问题，各个炮孔中的炸药的爆炸时间或多或少会存在一定的间隔，这导致了爆生运动裂纹与后爆爆炸应力波之间产生相互作用的问题，这种耦合作用对裂纹的扩展将产生何种影响，有必要进行研究。

随着科技的进步，用于光测力学的实验设备也在不断更新，目前，已有许多国内外的学者通过先进的实验设备对爆炸应力波与静态裂纹的相互作用机理进行了研究，取得了一系列的成果，但是，对于爆炸应力波和运动裂纹相互作用机理的研究较少，因此，本发明是对该研究领域的一项重要补充，为岩石在耦合动荷载作用下的裂纹扩展机理提供研究方法，具有重要的理论和实际意义。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理研究的系统。该系统能够实现在实验模型中产生一条或多条沿任意方向扩展的运动裂纹，在裂纹产生的同时通过引爆一个或者多个药包产生一个或者多个爆炸应力波，用于研究爆炸应力波与运动裂纹的相互作用机理。通过研究单个或者多个运动裂纹扩展时对应力波的传播产生的影响，以及单个或者多个爆炸应力波对裂纹扩展速度、方向的影响，从而科学、定量的研究爆炸应力波与运动裂纹的互相作用机理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理研究的系统，包括落锤提升机(1)、自动卡槽装置(2)、电磁弹射装置(3)、落锤(4)、冲头(5)、刀片夹具(6)、刀片(7)、预制裂纹(8)、模型(9)、炮孔(10)、爆炸加载夹(11)、模型支架(12)、测速仪(13)、测速预留孔(14)、脉冲起爆器(15)、控制装置(16)、加载架(17)、起爆探针(18)、信号屏蔽线；电磁弹射装置包括线圈(24)和永磁体(25)，线圈(24)固定在加载架(17)上，永磁体(25)与落锤(4)连为一体；自动卡槽装置(2)固定在加载架(17)上，永磁体(25)上有凹槽，可以卡在自动卡槽装置(2)上，阻止落锤(4)下落；落锤提升机(1)为电机，落锤提升机(1)与永磁体(25)通过拉线(26)相连；利用控制装置(16)设置线圈(24)的电流大小，通过线圈(24)作用在永磁体(25)的电磁力对落锤(4)进行加速，落锤(4)和永磁体(25)共同沿加载架(17)的导轨下落，在落锤下落过程中，拉线(26)随着落锤(4)的下落自然伸长；实验完成后，通过控制装置(16)控制落锤提升机(1)卷起拉线(26)将落锤(4)提升；与落锤(4)连为一体的永磁体(25)与自动卡槽装置(2)卡住后，触发自动卡槽装置(2)上的接触开关产生通断信号，通过信号屏蔽线(21)传递到控制装置(16)，控制装置(16)接到信号后，将切断落锤提升机电源，使落锤(4)停止提升。

所述的系统，落锤(4)沿着加载架(17)下落，当落锤(4)与冲头(5)刚接触时，测速仪(13)将采集落锤(4)击中冲头(5)时刻的速度，并同时发出通断信号，通过信号屏蔽线传递至控制装置(16)，再由控制装置(16)发出信号传递至脉冲起爆器(15)，脉冲起爆器(15)使起爆探针(18)产生瞬间强电压引爆炸药，实现冲击与爆炸荷载同时作用于模型；冲头(5)在冲击荷载作用下，使刀片(7)对模型(9)施加荷载，使裂纹扩展，同时炸药起爆后，爆炸应力波将以炮孔(10)为圆心在模型(9)中向四周传播，爆炸应力波在模型(9)中与运动裂纹相遇，使裂纹处在耦合动载的作用下；

所述的系统，模型(9)根据实验目的预制多条裂纹(8)和多个炮孔(10)，完成模型(9)的加工之后，在炮孔内填装炸药，每个炮孔都埋入起爆探针(18)，另一端穿过爆炸加载夹(11)，然后拧紧爆炸加载夹(11)的螺栓，将炮孔(10)堵严，然后用模型支架(12)固定模型(9)，最后通过螺栓将模型支架(12)与加载架(17)固定。

所述的系统，起爆探针(18)用普通漆包线制作即可，将两根漆包线拧在一起，相互缠绕，用剪刀剪掉一端尖端，裸露出导线，埋入炮孔(10)内，另一端用砂纸打磨后穿过爆炸加载夹(11)的预留小孔，与脉冲起爆器(15)相连。

所述的系统，爆炸加载架(11)朝向模型(9)部分，预留有一圈凹槽，在凹槽内放入橡皮圈，拧紧螺栓堵塞炮孔(10)，使炮孔(10)被爆炸加载夹完全堵塞。

所述的系统，如果需要在模型(9)中产生多条运动裂纹，需要设置相应数量的刀片(7)。

所述的系统，刀片(7)与模型(9)相接触，保持垂直，并通过螺栓与刀片夹具(6)相连。

所述的系统，预制裂纹(8)长短及预制方向可以任意设置，当研究多条运动裂纹时，预制裂纹(8)的数量可以根据实验需要，设置1-3条。

所述的系统，脉冲起爆器(15)有多个信号输出端口，一次能够输出多个同步信号，可以控制多个炮孔的同时起爆。

根据任一所述的系统研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理的方法，包括以下步骤：

首先，预制模型的裂纹(8)及炮孔(10)，并装入适当炸药，将起爆探针(18)一端埋入炸药中，另一端穿过爆炸加载夹(11)中的小孔；将刀片(7)与刀片夹具(6)组装，安装在加载架(17)中；

其次，用信号屏蔽线(19)连接控制装置(16)与脉冲起爆器(15)，用信号屏蔽线(20)连接控制装置(16)与落锤提升机(1)，用信号屏蔽线(21)连接控制装置(16)与自动卡槽(2)，用信号屏蔽线(22)连接控制装置(16)与电磁弹射装置(3)，用信号屏蔽线(23)连接控制装置(16)与测速仪(13)；

再次，启动控制装置(16)，接通电源并设置电磁弹射装置(3)的电流，观察电流表，线圈中的电流是否稳定，并等待电流稳定；

最后，待线圈中电流稳定后，将脉冲起爆器(15)与起爆探针(18)连接，打开所有仪器，操作控制装置(16)放下落锤(4)进行实验。

本发明用于爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理研究的系统及方法，利用控制装置，实现了在冲击荷载作用下的裂纹扩展过程中，同时施加爆炸荷载，研究裂纹在动态扩展过程中，爆炸应力波与运动裂纹的相互作用关系，并可以通过调节实验中多功能冲头的刀片数量，炮孔数量实现单裂纹或者多裂纹的扩展过程中与单孔或者多孔爆炸应力波的相互作用关系，实验系统具有很强的灵活性。

本发明所述的用于新型爆炸冲击耦合加载装置及系统的优点在于：(1)能够实现冲击与爆炸荷载的同时施加；(2)用于施加冲击荷载的落锤可以通过落锤提升机，自动卡槽，电磁弹射装置实现自动加载与提升，并通过改变电磁弹射装置内线圈电流的大小，改变落锤下落的速度，实现不同大小荷载的施加；(3)能够实现动焦散与动光弹的同光路同系统，适当调整场镜，可以实现两种实验的切换；(4)系统利用多用途冲头，可根据实验需要组装和拆卸，操作简便；(5)落锤在下落的过程中，将沿着加载架下落，能够实现与冲头的对心撞击，为实验的可靠性提供保障；(6)系统使用多通道控制装置，能够实现对多个药包的同时起爆，使系统具有更广泛的应用价值。本实验系统已进行了相关的实验，得到了较好的实验结果。

附图说明

图1为本发明加载架结构图；

图2为本发明的冲头、刀片夹具、刀片；

图3为本发明的模型固定装置和方法示意图；

图4为本发明的落锤结构示意图；

图5为本发明的电磁弹射装置结构示意图；

图6为采集到的部分实验图片；a，430μs，b，440μs，c，450μs，d，460μs；

图中：1落锤提升机、2自动卡槽、3电磁弹射装置、4有导轨的落锤、5冲头、6刀片夹具、7刀片、8预制裂纹、9模型、10炮孔、11爆炸加载夹、12模型支架、13测速仪、14测速预留孔、15脉冲起爆器、16控制装置、17加载架、18起爆探针、19-23信号屏蔽线、24线圈、25永磁体、26拉线。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1-5，用于爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理研究的系统，包括落锤提升机1、自动卡槽装置2、电磁弹射装置3、落锤4、冲头5、刀片夹具6、刀片7、预制裂纹8、模型9、炮孔10、爆炸加载夹11、模型支架12、测速仪13、测速预留孔14、脉冲起爆器15、控制装置16、加载架17、起爆探针18、信号屏蔽线19-23。

其中，电磁弹射装置包括线圈24和永磁体25，线圈24固定在加载架17上，永磁体25与落锤4连为一体。自动卡槽装置2固定在加载架17上，永磁体25上有凹槽，可以卡在自动卡槽装置2上，阻止落锤4下落。

所述冲头5下部设置有容纳刀片夹具6的卡槽，卡槽中设置与刀片夹具相同数量的通孔，与设置在刀片夹具6上的通孔配合将刀片夹具6固定在冲头下部，刀片夹具6的下部设置容纳刀片7的卡槽，利用卡槽和螺栓将刀片7固定在刀片夹具6中。可根据实验需要组装和拆卸刀片夹具及刀片，操作简便。

落锤提升机1为电机，落锤提升机1与永磁体25通过拉线26相连。利用控制装置16设置线圈24的电流大小，通过线圈24作用在永磁体25的电磁力对落锤4进行加速，落锤4和永磁体25共同沿加载架17的导轨下落，在落锤下落过程中，拉线26随着落锤4的下落自然伸长。

实验完成后，通过控制装置16控制落锤提升机1卷起拉线26将落锤4提升。与落锤4连为一体的永磁体25与自动卡槽装置2卡住后，触发自动卡槽装置2上的接触开关产生通断信号，通过信号屏蔽线21传递到控制装置16，控制装置16接到信号后，将切断提升机电源，使落锤4停止提升。

落锤4沿着加载架17下落，保证了下降过程的稳定性，当落锤4与冲头5刚接触时，测速仪13将采集落锤4击中冲头5时刻的速度，并同时发出通断信号，通过信号屏蔽线传递至控制装置16，再由控制装置16发出信号传递至脉冲起爆器15，脉冲起爆器15使起爆探针18产生瞬间强电压引爆炸药，实现冲击与爆炸荷载同时作用于模型；冲头5在冲击荷载作用下，使刀片7对模型9施加荷载，使裂纹扩展，同时炸药起爆后，爆炸应力波将以炮孔10为圆心在模型9中向四周传播，爆炸应力波在模型9中与运动裂纹相遇，使裂纹处在耦合动载的作用下；

模型9可以根据实验目的预制多条裂纹8和多个炮孔10，完成模型9的加工之后，在炮孔内填装炸药，每个炮孔都埋入起爆探针18，另一端穿过爆炸加载夹11，然后拧紧爆炸加载夹11的螺栓，将炮孔10堵严，然后用模型支架12固定模型9，最后通过螺栓将模型支架12与加载架17固定。

起爆探针18用普通漆包线制作即可，将两根漆包线拧在一起，相互缠绕，用剪刀剪掉一端尖端，裸露出导线，埋入炮孔10内，另一端用砂纸打磨后穿过爆炸加载夹11的预留小孔，与脉冲起爆器15相连。

爆炸加载架11朝向模型9部分，预留有一圈凹槽，在凹槽内放入橡皮圈，拧紧螺栓堵塞炮孔10，使炮孔10被爆炸加载夹完全堵塞。

如果需要在模型9中产生多条运动裂纹，需要设置相应的冲头刀片7数量。

脉冲起爆器15有多个信号输出端口，一次能够同时起爆多个药包，该设备具有较强的抗干扰能力，同时与信号屏蔽线结合使用，确保系统的可靠性和实验的成功率。

用信号屏蔽线19连接控制装置16与脉冲起爆器15，用信号屏蔽线20连接控制装置16与落锤提升机1，用信号屏蔽线21连接控制装置16与自动卡槽2，用信号屏蔽线22连接控制装置16与电磁弹射装置3，用信号屏蔽线23连接控制装置16与测速仪13；

本发明的用于研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理的实验系统，其具体操作方法是：

首先，预制模型的裂纹及炮孔，并装入适当炸药，将起爆探针一端埋入炸药中，另一端穿过爆炸加载夹中的小孔；将刀片与冲头组装，安装在加载架中；

其次，用信号屏蔽线将控制装置分别与测速仪、脉冲起爆器，落锤提升机，电磁弹射装置，自动卡槽装置连接；

再次，启动控制装置，接通电源并设置电磁弹射装置的电流，观察电流表，线圈中的电流是否稳定，并等待电流稳定；

最后，待线圈中电流稳定后，将脉冲起爆器与起爆探针连接，打开所有仪器，操作控制装置放下落锤进行实验。

所述的冲头可根据实验需求设置1-3个刀片，对模型进行冲击加载。

所述的脉冲起爆器含有多个通道，可以同时起爆多个药包。

以爆炸应力波与一条运动裂纹的相互作用为例进行说明。

如图1、2、3、4、5所示，具体步骤包括：

首先是实验材料的选择，由于本实验装置是属于光测力学范围，因此对实验材料有一定的要求，需要满足光测实验的要求，同时要求实验模型材料与岩石材料的性质相近，因此材料选择了由树脂材料按照一定的配方制成的模型9。按照实验需求对模型进行加工，在模型顶部预制一条裂纹8，在中心偏下预制炮孔10，并填装炸药(叠氮化铅)，将起爆探针18一端埋入炸药内，另一端穿过爆炸加载夹11预制的小孔，待模型准备完成之后，用模型夹具12将模型固定在加载架17上。

之后，将刀片7固定在刀片夹具6上，将冲头5穿过加载架17预留的圆孔，并使刀片垂直对准模型预制裂纹8。应该注意到，为使冲头5及各种尺寸的模型8便于安装，加载架15各构件都使用螺栓固定，可以任意拆卸和移动。

然后，需要对光路系统进行调试，本实验可以根据不同的实验需求，设置不同的场镜和高速摄影机，进行动光弹或者动焦散实验，对爆炸应力波与运动裂纹综合作用下的裂纹的扩展过程中所产生的各种现象如应变、应力、破裂、裂纹运动轨迹等进行观测、记录。

之后，用信号屏蔽线19连接控制装置16与脉冲起爆器15，用信号屏蔽线20连接控制装置16与落锤提升机1，用信号屏蔽线21连接控制装置16与自动卡槽2，用信号屏蔽线22连接控制装置16与电磁弹射装置3，用信号屏蔽线23连接控制装置16与测速仪13。

最后，将起爆探针18与脉冲起爆器15连接。打开控制装置16，对电磁线圈24的电流进行设置，落锤4中的永磁体25在电磁感应的作用下积聚能量，当电流稳定后，通过控制装置16控制自动卡槽装置2，释放落锤4，落锤4在电磁作用下弹射出去，落锤4沿着加载架17的轨道下落，保证了运动方向的稳定性，落锤4与模型9接触的瞬间，测速仪13将采集落锤4的瞬时速度，同时通过信号屏蔽线23将信号传递至控制装置16，控制装置16通过信号屏蔽线19将信号传递至脉冲起爆器15，脉冲起爆器放电，通过起爆探针18引爆炸药，对模型9进行加载。使用高速相机记录整个实验过程并保存实验数据。

进行一次实验之后，通过控制装置16控制落锤提升机1卷起线26，将落锤4向上提升，使永磁体25与自动卡槽装置2卡住，为下一次实验做准备。以上步骤重复循环就能够实现实验的多次进行，待全部实验完成后，拆除信号屏蔽线，场镜，相机及各种仪器，妥善放置以备下次再用。

图6为本实验系统实际实验过程中采集到的照片。

应当理解的是，以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。