一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法与流程

本发明属于材料力学特性测试领域，涉及一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法，适用于应变率介于10¹～10⁴s^-1之间，固体材料试样在不同法向压力作用下的动态剪切强度的测试。

背景技术：

材料的剪切强度是一个非常重要的力学参数，对于工程结构经济和安全地设计以及稳定性评估具有不可替代的作用。目前常用测量固体材料剪切强度的方法主要是单面直接剪切试验和单(双)面压剪试验。上述两种测试方法，均为静态或准静态(加载应变率介于10^-5～10⁰s^-1之间)加载条件下的材料剪切强度测试方法。在工程领域，除常规静态荷载的作用外，动荷载的作用亦非常普遍，例如冲击荷载，爆破荷载，地震波作用。因此，测量动态荷载(应变率介于10¹～10⁴s^-1之间)作用下材料动态剪切强度则显得十分必要。目前，由于受测试方法和技术的限制，材料动态剪切强度测试方法非常有限。近来报道的利用同心圆柱型试样测试脆性材料动态剪切强度的方法，虽然弥补了过往材料动态剪切强度测试的空白，但是利用该方法测试时，其缺点亦非常明显：一方面同心圆柱型试样的加工非常复杂和困难，试样精度往往不容易达到动态测试标准；另一方面同心圆柱型试样剪切破坏时，其剪切面内的剪切裂纹扩展以及剪切应变场均无法直接观测和测量；其次，该方法只能用于测试完整材料的动态剪切强度，无法用于测试结构面的动态剪切强度；另外，该方法无法给完整试样或者结构面施加法向荷载。

技术实现要素：

为解决动态荷载(应变率介于10¹～10⁴s^-1之间)作用下，固体材料动态剪切强度测试困难问题，本发明提供具有测试试样加工简单，测试简便，测试结果精度高，可直接观测试样剪切变形和裂纹扩展，以及可施加不同法向作用力的一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、制作圆筒形凹凸剪切夹具一副，所述圆筒形凹凸剪切夹具内径及其制作材料均与霍普金森压杆的直径和材料相同，所述圆筒形凹凸剪切夹具外径略大于霍普金森压杆直径，所述圆筒形凹凸剪切夹具的长度分别为霍普金森压杆直径的1～2倍，所述圆筒形凹面剪切夹具凹槽深度以及所述圆筒形凸面剪切夹具凸出长度分别为测试试样长度的1/3～1/10；

2)、将步骤1所述圆筒形凹面和凸面剪切夹具分别安装在安放测试试样的霍普金森压杆系统的透射杆和入射杆两端；

3)、制作方形带凹槽双面剪切试样，所述试样长度宜与霍普金森压杆直径相当，所述试样凹槽深度与步骤1所述圆筒形凹面剪切夹具凹槽深度一致，将试样凹槽两侧的透射杆侧承载端嵌入步骤2所述圆筒形凹面剪切夹具的凹槽加载端中；

4)、根据测试试样的长度和加载力的大小制作螺栓加载装置一副，并利用固定肋条将其与步骤2所述圆筒形凹面剪切夹具连接形成一体结构；

5)、利用步骤4所述螺栓加载装置，通过拧动加压螺母给步骤3所述方形带凹槽双面剪切试样两侧施加法向压力，通过安装在步骤4所述螺栓加载装置内部的法向压力测试传感器即可获取施加于方形带凹槽双面剪切试样两侧法向压力的大小；

6)、将步骤2所述安置于入射杆上凸面剪切夹具的凸面加载端与步骤5所述方形带凹槽双面剪切试样的入射杆侧承载面紧密的接合在一起，以待动态加载；

7)、利用压缩气体驱动霍普金森压杆系统的撞击杆撞击步骤2所述入射杆的撞击端部以对步骤6所述方形带凹槽双面剪切试样施加动态冲击荷载；

8)、利用粘贴在霍普金森压杆杆件中心处的应变片可获取作用于双面剪切试样两端的动态荷载信号；根据一维弹性波理论，当作用于双面剪切试样两端动态荷载达到平衡时，可按以下公式计算双面剪切试样的动态剪切强度τ(t)：

式中：e、a分别为霍普金森压杆杆件的弹性模量和横截面积，εi为入射杆上监测的入射应变信号，εr为入射杆上监测的反射应变信号，εt为透射杆上监测的透射应变信号，as为双面剪切试样的单侧剪切面面积。

所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样既可以是剪切加载面连续的完整试样也可以是剪切加载面不连续的结构面试样。

所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样的剪切面两端都预切割一相同厚度和长度的裂纹面，以便于加载中剪切裂纹的形成和发展。

利用法向压力测试传感器可测量出所述步骤4中螺栓加载装置施加于所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样两侧的法向压力。

所述步骤7中霍普金森压杆的撞击杆既可以是与入射杆和透射杆等径的圆柱杆，也可以是变截面杆如纺锤形撞击杆。若撞击杆是等径圆柱杆，则需在入射杆冲击端粘贴一个整形器，撞击杆在撞击入射杆前先与整形器接触。若撞击杆是变截面杆，则无需粘贴整形器，撞击杆直接与入射杆撞击端接触。此两种撞击方法均能在入射杆内产生一个带有缓慢上升沿的半正弦状压缩脉冲波，该形状脉冲波能够使剪切试样两端快速达到动态应力平衡，以保证试验的准确性和有效性。

利用超高速摄影仪可以实时观测所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样的剪切面内剪切裂纹的起裂，扩展和贯通全过程。高速摄影仪采用自动触发方式，其自动触发信号来自所述步骤8中入射杆中心处应变片监测的入射应变信号。同时，基于高速摄影仪拍摄的剪切裂纹扩展过程图片，利用图像测量技术可快速、简便的确定动态冲击加载下剪切裂纹扩展的速度大小。

利用数字图像处理技术可以获取所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样的剪切面内剪切应变场的演化过程，可用于分析剪切破坏机制。

利用所述方法，通过调节并控制所述步骤7中撞击杆驱动压缩空气的压力大小，可获取应变率为10¹～10⁴s^-1之间的完整试样或结构面试样在不同法向压力作用下的动态剪切强度。

具体说明如下：

一种用于测试完整试样和结构面试样动态剪切强度的方法

1)、制作圆筒形凹凸剪切夹具一副，所述圆筒形凹凸剪切夹具内径及其制作材料均与霍普金森压杆的直径和材料相同，所述圆筒形凹凸剪切夹具外径略大于霍普金森压杆直径，所述圆筒形凹凸剪切夹具的长度分别为霍普金森压杆直径的两倍和一倍左右，所述圆筒形凹面剪切夹具凹槽深度以及所述圆筒形凸面剪切夹具凸出长度分别为测试试样长度的1/3和1/10左右；

2)、将步骤1所述圆筒形凹面和凸面剪切夹具分别安装在安放测试试样的霍普金森压杆系统的透射杆和入射杆两端；

3)、制作方形带凹槽双面剪切试样，所述试样长度宜与霍普金森压杆直径相当，所述试样凹槽深度与步骤1所述圆筒形凹面剪切夹具凹槽深度一致。为便于剪切裂纹的形成和扩展，将所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样的剪切加载面两端都预切割一相同厚度和长度的裂纹面；随后将所述步骤3中方形带凹槽双面剪切试样凹槽两侧的透射杆侧承载端嵌入步骤2所述圆筒形凹面剪切夹具的凹槽加载端中；

4)、根据测试试样的长度和加载力的大小制作螺栓加载装置一副，并利用固定肋条将其与步骤2所述圆筒形凹面剪切夹具连接形成一体结构；

5)、利用步骤4所述螺栓加载装置，通过拧动加压螺母给步骤3所述方形带凹槽双面剪切试样两侧施加法向压力，通过安装在步骤4所述螺栓加载装置内部的法向压力测试传感器即可获取施加于方形带凹槽双面剪切试样两侧法向压力的大小；

6)、将所述步骤2中所述安装于入射杆和凸面剪切夹具的凸面加载端与所述步骤5中方形带凹槽双面剪切试样的入射杆侧承载面紧密的接合在一起；同时，将高速摄影仪拍摄镜头对准所述步骤5中方形带凹槽双面剪切试样的一侧剪切面，调整高速摄影仪至合适的拍摄帧数和分辨率，并将其设置成自动触发模式，以待动态加载；

7)、先在步骤2所述入射杆冲击端粘贴一个整形器，然后利用压缩气体驱动霍普金森压杆系统的等径圆柱杆撞击步骤2所述入射杆的撞击端部以对步骤6所述方形带凹槽双面剪切试样施加动态冲击荷载；

8)、利用粘贴在霍普金森压杆杆件中心处的应变片可获取作用于双面剪切试样两端的动态荷载，同时通过入射杆中应变片监测的入射应变信号触发步骤6所述高速摄影仪自动实时记录并保存动态冲击加载下剪切裂纹的起裂和扩展过程。根据一维弹性波理论，当作用于双面剪切试样两端动态荷载达到平衡时，可按以下公式计算双面剪切试样的动态剪切强度τ(t)：

式中：e、a分别为霍普金森压杆杆件的弹性模量和横截面积，εi为入射杆上监测的入射应变信号，εr为入射杆上监测的反射应变信号，εt为透射杆上监测的透射应变信号，as为双面剪切试样的单侧剪切面面积。

本发明一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法具有以下优点：

本发明一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法，一方面，利用所述方法，不仅测试试样加工简单、测试简便，并且可以高精度的获取动态荷载(应变率介于10¹～10⁴s^-1之间)作用下完整固体材料和结构面的动态剪切强度，解决了传统测试方法无法测试材料动态剪切强度的难题。另一方面，利用所述方法，可对双面剪切试样施加法向作用力，从而可获取不同法向荷载作用下完整测试试样和结构面的动态剪切强度，填补了结构面动态剪切强度测试研究的空白。另外，使用所述方法，利用高速摄影仪和数字图像处理技术可以获取方形带凹槽双面剪切试样的剪切面内剪切裂纹和剪切应变场的演化过程，有助于分析并理解材料剪切破坏机制。

附图说明

图1为基于霍普金森压杆系统，采用本发明方法测试完整试样或结构面动态剪切强度的示意图；

图2(a)为完整材料双面剪切试样平面示意图；

图2(b)为完整材料双面剪切试样立体示意图；

图3(a)为结构面材料双面剪切试样平面示意图；

图3(b)为结构面材料双面剪切试样立体示意图；

图4(a)为圆筒形凹面剪切夹具平面示意图；

图4(b)为圆筒形凹面剪切夹具凹槽方向立体示意图；

图4(c)为圆筒形凹面剪切夹具立体示意图；

图4(d)为圆筒形凸面剪切夹具平面示意图；

图4(e)为圆筒形凸面剪切夹具凸出端方向立体示意图；

图4(f)为圆筒形凸面剪切夹具立体示意图；

图5(a)为螺栓加载装置俯视图；

图5(b)为螺栓加载装置左视图；

图5(c)为螺栓加载装置右视图；

图5(d)为螺栓加载装置立体示意图；

图中标号说明：1-等径圆柱撞击杆，2-整形器，3-入射杆应变片，4-入射杆，5-圆筒形凸面剪切夹具，6-加压螺杆，7-双面剪切试样，8-加压螺母，9-圆筒形凹面剪切夹具，10-螺栓加载装置固定肋条11-透射杆，12-透射杆应变片，13-吸收杆，14-法向压力测试传感器，15-肋条固定螺丝，16-完整材料双面剪切试样，17-预切割裂纹，18-双面剪切试样透射杆侧加载承载端，19-双面剪切试样入射杆侧承载端，20-结构面材料双面剪切试样，21-结构面材料双面剪切试样的剪切面，22-圆筒形凹面剪切夹具的凹槽加载端，23-圆筒形凸面剪切夹具的凸面加载端，24-加压板，25-螺栓加载装置固定板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施步骤对本发明作进一步说明：

实施例1：

如图1所示，基于霍普金森压杆系统，采用本发明方法测试完整脆性岩石试样动态剪切强度，包括以下步骤：

1)、如图1所示，将如图4(a)～(f)所示圆筒形凹面和凸面剪切夹具分别安装在安放测试试样的霍普金森压杆系统的透射杆和入射杆两端。所述霍普金森压杆的入射杆、透射杆、吸收杆以及圆柱形撞击杆的直径均为38mm，所述圆筒形凹凸剪切夹具的长度分别为75mm和35mm；

2)、将如图2(a)、(b)所示方形带凹槽双面完整脆性岩石试样透射杆侧承载端嵌入步骤1所述圆筒形凹面剪切夹具的凹槽加载端中。所述方形带凹槽双面完整脆性岩石试样长度l＝40mm，宽度w＝30mm，厚度t＝20mm；方形凹槽长度l＝15mm，宽度w＝10mm，凹槽厚度与岩石试样厚度一致。为便于加载中剪切裂纹的形成和发展，如图2(a)、(b)所示，方形带凹槽双面完整脆性岩石试样的剪切加载面两侧都预先切割一条厚度为0.5mm、长度为5mm的裂纹面；

3)、利用固定肋条将如图5(a)～(d)所示螺栓加载装置固定在步骤1所述圆筒形凹面剪切夹具端部；

4)、利用步骤3所述螺栓加载装置，通过拧动如图5(d)所示加压螺母给步骤2所述方形带凹槽双面完整脆性岩石试样的剪切加载面两侧施加法向压力(0～30mpa)。利用安置于如图5(b)～(d)所示螺栓加载装置中的法向压力测试传感器可显示出法向压力值的大小；

5)、将步骤1所述安装于入射杆和凸面剪切夹具的凸面加载端与步骤4所述方形带凹槽双面完整脆性岩石试样的入射杆侧承载面紧密的接合在一起。同时，将高速摄影仪拍摄镜头对准步骤4所述方形带凹槽双面完整脆性岩石试样的一侧剪切面，调整高速摄影仪至合适的拍摄帧数(宜大于或等于100,000帧/秒)和分辨率，并将其设置成自动触发模式，以待动态加载；

6)、先在步骤1所述入射杆冲击端粘贴一个整形器(例如圆形薄铜片)，然后利用压缩气体驱动如图1所示等径圆柱撞击杆撞击(直径为38mm，长度为200-300mm)步骤1所述入射杆的撞击端部以对步骤5所述方形带凹槽双面完整脆性岩石试样施加动态冲击荷载；

7)、利用粘贴在霍普金森压杆杆件中心处的应变片可获取作用于双面完整脆性岩石试样两端的动态荷载，同时通过入射杆中应变片监测的入射应变信号自动触发步骤5所述高速摄影仪以便实时记录并保存动态冲击加载下剪切裂纹的起裂和扩展过程；

8)、根据一维弹性波理论，当作用于双面完整脆性岩石试样两端动态荷载达到平衡时，可按以下公式计算双面完整脆性岩石试样的动态剪切强度τ(t)：

式中：e、a分别为霍普金森压杆杆件的弹性模量(240gpa)和横截面积(1134.1mm²)，εi为入射杆上监测的入射应变信号，εr为入射杆上监测的反射应变信号，εt为透射杆上监测的透射应变信号，as为双面剪切试样的单侧剪切面面积(300mm²，剪切面宽度和长度分别为15mm和20mm)；

9)、利用步骤7所述高速摄影仪拍摄记录的剪切裂纹扩展的高速摄影图像，结合数字图像处理技术可以获取所骤5述步方形带凹槽双面完整脆性岩石试样的剪切面内剪切裂纹起裂位置，剪切裂纹的扩展速度以及剪切应变场的演化过程，有助于分析和理解脆性岩石剪切破坏的机制。

本发明公开和提出的一种用于测试完整试样和结构面动态剪切强度的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。