一种传统加热下实时高温环境中应力波传播测试系统的制作方法

本发明涉及一种应力波传播测试系统，属于岩体力学分析技术领域，尤其涉及一种传统加热高温环境中应力波传播测试系统。

背景技术：

岩体中的裂缝称为裂隙或者节理，是由长期复杂地质作用产生的。这些缺陷的存在影响或控制着岩体的力学性能和动力特性，当应力穿过含有节理的岩体时，会发生衰减和弥散。但岩石中并非全都是肉眼可见的宏观裂隙，在完整的岩石的表面和内部同样存在着微观缺陷。含有微缺陷和微裂纹的岩石在动态载荷作用下往往不表现为弹性，而是表现为粘弹性的性质。当应力波在含有微缺陷和微裂纹的岩石中传播时，也会伴随着应力波衰减和耗散的现象发生。前人对此已经对此做了很多的研究。

岩体往往不是处于一个常温的环境，在地层的深处和高温岩石工程中，岩体处于一个高温状态。高温会使岩体产生微裂纹和微缺陷，导致应力波在高温岩体中传播时同样会衰减和弥散，但是应力波在高温岩体内表现出怎样的传播规律尚不清楚，目前对于实时高温环境下岩体内部的应力波传播的研究还很少。

应力波在含微裂纹岩体中传播时会发生衰减和弥散，即应力波的幅值和相速会衰减。通常用波的传播系数γ(ω)来描述应力波在岩石中传播时的衰减规律。传播系数γ(ω)是一个复合参量，表达式为式(1)。由两部分组成，实数部分为衰减系数α(ω)，虚数部分为波数k(ω)：

γ(ω)＝α(ω)+k(ω)i(1)

α(ω)和k(ω)的表达式分别如下(2)和(3)：

其中

ε(t)＝由应变片记录的，应力波在岩石中传播产生的应变值；

的傅里叶变换，见式(4)；

l＝入射波和反射波两次应变时间间隔内应力波在岩石中传播的距离；

re＝复数表达式里的实数部分，由上述(1)式可知；

im＝复数表达式里的虚数部分，同样由上述(1)式可知。

上述表达式中的入射波应变和反射波应变通常由实验测得，采用的方法是取一根长细比大(>25)的圆柱形岩杆(近似的看做一维杆)，在其中间黏贴应变片，从岩石的一个自由端对其进行加载，实验装置如图1所示。外界加载产生的应力波在岩杆中的传播过程如图2所示。

当施加外部荷载后，会产生应力波，应力波在岩杆中向右传播，第一次通过应变片时，被记录下来，就是图2中所示的ε1(t)，ε1(t)即为入射波应变εi(t)；继续传播，当接触到右边的自由端时，应力波会发生反射，向左传播，当反射的应力波通过应变片时，再次被记录下来，就是图2中所示的ε2(t)，ε2(t)即为反射波应变εr(t)；如此反复，应力波会在两个自由端面重复反射，应变片也会依次记录到ε3(t)、ε4(t)····，直至应力波衰减为零。将应变片记录到的第一个入射波应变ε1(t)和第一个反射波应变ε2(t)，带入上述(4)式进行傅里叶变换，再带入到上述(2)和(3)中就可以求得衰减系数和波数，从而研究应力波在岩石中的传播规律。

由上可知，研究动态荷载作用下试件内应力波的传播规律常用的方法是在试件的中间位置黏贴应变片，通过应变片记录加载产生的入射波和反射波的应变值，然后对其进行计算得出应力波的传播系数，从而研究应力波的传播规律。但是在高温环境下尤其是当温度高于300℃时，应变片、粘结剂和连接导线等已经不能承受高温的作用而会产生剥落甚至破坏等问题，即无法再通过接触式测量获得试样内部的应变值。这对研究高温环境下应力波的传播问题造成一些障碍。

以往在研究高温对于试样内的应力波传播产生的影响时，往往是将加热到指定温度的试样进行冷却后，再通过传统的方式，在试样的中间黏贴应变片，用应变片记录加载产生的入射波应变和反射波应变，然后对入射波应变和反射波应变进行计算，从而得出反映应力波传播的传播系数。但是这种方法，存在一定的弊端，即无法准确地得出在实时高温环境下应力波的传播情况，因为在高温环境下，试样会发生膨胀，导致试样的各向异性增大，从而对实时高温环境下应力波的传播产生一定的影响。传统方法对冷却后的试样进行研究，高温对于试样的影响在传统的方法中被忽略。

技术实现要素：

本发明的目的在于考虑到高温环境下试样的热膨胀以及各向异性的增大对于应力波传播的影响，提出了一种在实时高温环境下测量应力波传播的装置。该装置不需要黏贴应变片即可测量实时高温环境下试样的应变值，从而得出实时高温环境试样内的应力波传播规律。该装置先利用设计的加温系统将试样加温到指定温度，再利用高速摄像机对加温系统内试样中间散斑区域进行拍摄，记录试样在动态荷载作用下内因应力波传播产生的变形，通过dic软件进行分析处理，得出入射波和反射波的应变曲线，从而研究应力波在实时高温环境下的传播规律。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种实时高温环境中应力波传播测试系统，该测试系统共由四个部分组成，分别为加载系统、加温系统、测量系统和控制系统。

加载系统、加温系统和测量系统分别与控制系统相连接，控制系统控制加载系统释放子弹，对试样提供动态荷载。加载系统和测量系统之间设置一个同步触发程序，加载系统释放瞬间，触发测量系统开始测量，并将测量的信息传输到控制系统进行处理。

加载系统由一个发射器6和铜制子弹组成。发射器内部为一个弹簧弹射装置，如图4所示。通过对弹簧弹射装置进行通电，弹簧弹射装置一侧挡板会产生磁力向左侧吸引从而压缩中间的弹簧，控制系统断电，弹簧弹射装置一侧挡板失去磁力，弹簧瞬间释放，会产生一个冲击力将子弹弹出，从而撞击试样产生应力波。

加温系统由钢管、加热区、加温系统外壳和底座、保温隔热层和隔热塞组成。钢管穿过加热区并通过松紧螺栓17固定在加温系统外壳的固定支架9上，加热区通过螺栓固定在加温系统的底座上。在加温系统外壳部和加热区外壳之间为保温隔热层，全部填充保温隔热材料。

钢管：试样放置在钢管1中，并将试样置于钢管内的中间区域。钢管内部焊装有两个固定滑片2，使试样在加载后可以在钢管内自由滑动。钢管两侧的中间部位分别有一个槽洞3，通过钢管两侧中间位置留出的槽洞观测内部的试样，钢管材料为2520钢。钢管的两个端口并不是封闭的，一个端口与加载系统连接，另一个是用来放入试样的入口；

加热区：加热区由长方体加热区外壳4和上下两段半圆状电阻丝加热区域5组成。加热区外壳为不锈钢材料，将电阻丝加热区域包在其中，有利于加热过程中热量集中在加热区内。为了观察钢管内的试样，加热区外壳两侧开洞。电阻丝加热区域通过螺栓10固定在加热区外壳中，并将钢管上下包住。电阻丝加热区域覆盖钢管内含试样的部分，保证对钢管内的试样进行均匀加热，电阻丝材料为cr20ni80。加热区由加温系统控制工作，根据实验要求，通过调节仪表盘7的参数即可改变电阻丝的输入电流和输出功率，实现不同的加热温度和加热速率；

加温系统底座和外壳：加温系统底座8和外壳起到支撑和包裹加温系统主体的作用，材料为不锈钢。加热区通过膨胀螺栓16固定在加温系统底座8上。加温系统在钢管两侧槽洞区域处是贯通的，即从加温系统的两侧看，可以直接看到钢管内槽洞区域处的试样，便于高速摄像机对试样进行拍摄。仪表盘7焊接在加温系统的外壳上；

保温隔热层和隔热塞：隔热塞长度与保温隔热层厚度相同，对试样加热前将隔热塞11推入加温系统在钢管两侧槽洞处的贯通区域内，与加温系统内填充的保温隔热层形成一个整体，对试样进行拍摄时将隔热塞拔出贯通区域。钢管两端的隔热塞12也是如此，在加热前将隔热塞推入钢管管口，加载和放入试件时，将隔热塞拔出。保温隔热层和隔热塞材料均为氧化铝陶瓷纤维。每个隔热塞末端部均外接一个热电偶13，将隔热塞推入时，热电偶与试样接触，从而测量试样温度，并将温度显示在隔热塞端部的仪表14上。推入两侧贯通区域的隔热塞末端为不锈钢板15，推入时末端的不锈钢板可以盖住长方体加热区外壳的开洞，使加热区成为一个密封的整体，有利于减少加热区内的热量散失。

测量系统由红外摄像仪和两台高速摄像机18组成。并通过同步触发程序与加载系统同步触发，子弹发出的同时，触发高速摄像机进行拍摄。

控制系统为带有dic软件的电脑19，控制加载系统对试样进行加载，并处理测量系统记录的图像信息，得出试样内的应变值。

利用上述测试系统进行的测试方法，其实现过程如下，

s1、在试样两测的中间位置分别喷涂4cm*4cm散斑，采用喷涂模板进行喷涂。喷涂材料选用耐高温材料，避免高温作用破坏散斑。对于一些表面特征较多的试样，具有天然表面随机特征，如岩石表面等，无需对试件进行表面处理就能够使用。

s2、将试样放入钢管1中，让试样喷涂散斑的中心区域位于槽洞的中心区域处。用高速摄像机拍摄检查是否可以将试样散斑区域拍摄清楚，且对准散斑的中心区域。如果拍出的画面较暗，外加聚光灯为相机打光。并将高速摄像机固定在拍摄点，准备拍摄。

s3、准备完成后，将贯通区域的隔热塞11和钢管两端端口的隔热塞12推入加温系统中并塞紧，与保温隔热层形成一个整体。启动加温系统并设定实验要求温度，对试样进行加热，当隔热塞上的仪表14显示的温度均到达指定温度后根据材料的吸热能力保温相应的时间。

s4、拔出贯通区域处的隔热塞11，用红外摄像机对准试样的散斑区域进行测量，测量散斑区域的温度是否达到指定温度；如果未达到指定温度，塞紧隔热塞，继续加热或者保温一段时间。

s5、如果试样已经达到了指定温度，将钢管一端的隔热塞12以及贯通区域两端的隔热塞11拔出，将加载装置靠在加温系统的钢管端口处，并释放弹射装置，进行加载，高速摄像机开始记录，直至试样停止运动时，停止记录。

s6、对高速摄像机18拍摄的画面利用dic软件处理分析，首先划定计算的散斑区域，然后选取拍摄试样的中心点处作为种子点，再进行工程计算，以种子点为中心向周围各点计算。通过追踪物体表面的散斑图像对相机记录的每一帧画面进行计算，最后结果分析，得出整个过程里散斑区域内的应变值。

s7、将种子点处第一次应变值从零到达峰值再到零的这一区段记为入射波，第二次应变值从零到达峰值再到零的这一区段记为反射波，对入射波和反射波产生的应变进行计算，就得出在动态荷载作用下实时高温环境中试样内应力波传播的规律。

传统的接触式测量手段在高温环境下已经不再适用，本发明设计的测试系统可以对试样进行加热并进行同步观测和拍摄，通过非接触式测量的方式，利用高速摄像机拍摄实时高温环境下的试样，再利用dic软件对拍摄的画面进行分析，得出实时高温环境下试样内的应变随时间的的变化。从而研究应力波的传播规律。

附图说明

图1为接触式测量应力波传播系数的实验装置图。

图2为应变仪记录到的应力波在岩杆中的传播过程图。

图3为本发明装置结构示意图。

图4为弹簧弹射装置结构示意图。

图5为散斑图。

图6为处理流程图。

图7为2520钢管示意图。

图8为加热区示意图。

图9为加载系统示意图。

图10为固定支座示意图。

图11为隔热塞、热电偶和示温仪表示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种实时高温环境中应力波传播测试系统，该测试系统共由四个部分组成，分别为加载系统、加温系统、测量系统和控制系统。

加载系统、加温系统和测量系统分别与控制系统相连接，控制系统控制加载系统释放子弹，对试样提供动态荷载。加载系统和测量系统之间设置一个同步触发程序，加载系统释放瞬间，触发测量系统开始测量，并将测量的信息传输到控制系统进行处理。

加载系统由一个发射器6和铜制子弹组成。发射器内部为一个弹簧弹射装置，通过对弹簧弹射装置进行通电，弹簧弹射装置一侧挡板会产生磁力向左侧吸引从而压缩中间的弹簧，控制系统断电，弹簧弹射装置一侧挡板失去磁力，弹簧瞬间释放，会产生一个冲击力将子弹弹出，从而撞击试样产生应力波。

加温系统由钢管、加热区、加温系统外壳和底座、保温隔热层和隔热塞组成。钢管穿过加热区并通过松紧螺栓17固定在加温系统外壳的固定支架9上，加热区通过螺栓固定在加温系统的底座上。在加温系统外壳部和加热区外壳之间为保温隔热层，全部填充保温隔热材料。

钢管：试样放置在钢管1中，并将试样置于钢管内的中间区域。钢管内部焊装有两个固定滑片2，使试样在加载后可以在钢管内自由滑动。钢管两侧的中间部位分别有一个槽洞3，通过钢管两侧中间位置留出的槽洞观测内部的试样，钢管材料为2520钢。钢管的两个端口并不是封闭的，一个端口与加载系统连接，另一个是用来放入试样的入口；

加热区：加热区由长方体加热区外壳4和上下两段半圆状电阻丝加热区域5组成。加热区外壳为不锈钢材料，将电阻丝加热区域包在其中，有利于加热过程中热量集中在加热区内。为了观察钢管内的试样，加热区外壳两侧开洞。电阻丝加热区域通过螺栓10固定在加热区外壳中，并将钢管上下包住。电阻丝加热区域覆盖钢管内含试样的部分，保证对钢管内的试样进行均匀加热，电阻丝材料为cr20ni80。加热区由加温系统控制工作，根据实验要求，通过调节仪表盘7的参数即可改变电阻丝的输入电流和输出功率，实现不同的加热温度和加热速率；

加温系统底座和外壳：加温系统底座8和外壳起到支撑和包裹加温系统主体的作用，材料为不锈钢。加热区通过膨胀螺栓16固定在加温系统底座8上。加温系统在钢管两侧槽洞区域处是贯通的，即从加温系统的两侧看，可以直接看到钢管内槽洞区域处的试样，便于高速摄像机对试样进行拍摄。仪表盘7焊接在加温系统的外壳上；

保温隔热层和隔热塞：隔热塞长度与保温隔热层厚度相同，对试样加热前将隔热塞11推入加温系统在钢管两侧槽洞处的贯通区域内，与加温系统内填充的保温隔热层形成一个整体，对试样进行拍摄时将隔热塞拔出贯通区域。钢管两端的隔热塞12也是如此，在加热前将隔热塞推入钢管管口，加载和放入试件时，将隔热塞拔出。保温隔热层和隔热塞材料均为氧化铝陶瓷纤维。每个隔热塞末端部均外接一个热电偶13，将隔热塞推入时，热电偶与试样接触，从而测量试样温度，并将温度显示在隔热塞端部的仪表14上。推入两侧贯通区域的隔热塞末端为不锈钢板15，推入时末端的不锈钢板可以盖住长方体加热区外壳的开洞，使加热区成为一个密封的整体，有利于减少加热区内的热量散失。

测量系统由红外摄像仪和两台高速摄像机18组成。并通过同步触发程序与加载系统同步触发，子弹发出的同时，触发高速摄像机进行拍摄。

控制系统为带有dic软件的电脑19，控制加载系统对试样进行加载，并处理测量系统记录的图像信息，得出试样内的应变值。

利用上述测试系统进行的测试方法，其实现过程如下，

s1、在试样两测的中间位置分别喷涂4cm*4cm散斑，采用喷涂模板进行喷涂。喷涂材料选用耐高温材料，避免高温作用破坏散斑。对于一些表面特征较多的试样，具有天然表面随机特征，如岩石表面等，无需对试件进行表面处理就能够使用。

s2、将试样放入钢管1中，让试样喷涂散斑的中心区域位于槽洞的中心区域处。用高速摄像机拍摄检查是否可以将试样散斑区域拍摄清楚，且对准散斑的中心区域。如果拍出的画面较暗，外加聚光灯为相机打光。并将高速摄像机固定在拍摄点，准备拍摄。

s3、准备完成后，将贯通区域的隔热塞11和钢管两端端口的隔热塞12推入加温系统中并塞紧，与保温隔热层形成一个整体。启动加温系统并设定实验要求温度，对试样进行加热，当隔热塞上的仪表14显示的温度均到达指定温度后根据材料的吸热能力保温相应的时间。

s4、拔出贯通区域处的隔热塞11，用红外摄像机对准试样的散斑区域进行测量，测量散斑区域的温度是否达到指定温度；如果未达到指定温度，塞紧隔热塞，继续加热或者保温一段时间。

s5、如果试样已经达到了指定温度，将钢管一端的隔热塞12以及贯通区域两端的隔热塞11拔出，将加载装置靠在加温系统的钢管端口处，并释放弹射装置，进行加载，高速摄像机开始记录，直至试样停止运动时，停止记录。

s6、对高速摄像机18拍摄的画面利用dic软件处理分析，首先划定计算的散斑区域，然后选取拍摄试样的中心点处作为种子点，再进行工程计算，以种子点为中心向周围各点计算。通过追踪物体表面的散斑图像对相机记录的每一帧画面进行计算，最后结果分析，得出整个过程里散斑区域内的应变值。

s7、将种子点处第一次应变值从零到达峰值再到零的这一区段记为入射波，第二次应变值从零到达峰值再到零的这一区段记为反射波，对入射波和反射波产生的应变进行计算，就得出在动态荷载作用下实时高温环境中试样内应力波传播的规律。