基于SHPB系统的岩石动态抗折试验装置及其试验方法与流程
本发明涉及岩石性能测试技术领域，尤其涉及到一种基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置及其试验方法。
背景技术：
针对岩石动态抗压和抗拉试验的研究主要采用霍普金森压杆系统，又称shpb系统，该系统主要包括发射装置、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆、超动态应变仪、示波器等数据采集处理装置，通过贴在入射杆上的应变片记录下入射脉冲和反射脉冲信号，而贴在透射杆上的应变片记录下透射脉冲信号，在此基础上基于一维应力波理论即可得到材料的相关动态力学性能数据，但是该系统在岩石的动态抗折试验方面未得到拓展应用。由于在工程项目建设过程中，存在长径比较大的工程构件，例如建筑中的梁构件、桥梁中的桩等，其破坏的薄弱点在于折断，丧失使用功能。基础设施建成运营后，将受到更多的动荷载冲击，现有的静力学抗折试验显然已经不能满足实际工程的需求，因此，为服务国家服务经济建设主战场，开发一套开展岩石动态抗折试验的装置具有显著的现实意义。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术中存在的不足，本发明提供基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置及其试验方法，其试验可靠且试验效果较好。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置，包括发射装置、撞击杆、入射杆、透射杆、吸收杆和测量系统，所述的发射装置用于发射子弹并通过所述的撞击杆撞击所述的入射杆，所述的入射杆、所述的透射杆和所述的吸收杆三者同轴设置，所述的入射杆与所述的透射杆之间留有间隙，所述的吸收杆贴合在所述的透射杆的一端，所述的测量系统用于捕捉所述的入射杆和所述的透射杆的冲击效果，所述的入射杆的一端连接有折弯杆，所述的透射杆上连接有岩样折冲杆，所述的岩样折冲杆的一端开设有用于放置试样的卡槽，所述的岩样折冲杆上还开设有供所述的折弯杆伸入的避让槽，所述的避让槽与所述的卡槽相连通。
所述的折弯杆的直径与所述的岩样折冲杆的直径相等，所述的折弯杆的长度与所述的岩样折冲杆的长度相等，所述的折弯杆的一端具有楔形头，所述的楔形头的两侧分别开设有弓形面，所述的弓形面的弦高为所述的折弯杆长度的1/4-1/2。该结构中，折弯杆与岩样折冲杆规格相同，利于加工制造，节省制造成本，折弯杆的一端具有的楔形头，当与试样接触时，能使试样折弯进入到避让槽中，便于试验。
所述的避让槽的宽度为所述的岩样折冲杆直径的1/3-2/5，所述的避让槽的深度为所述的岩样折冲杆长度的1/4-1/2。其好处在于与折弯杆相适配，利于楔形头顺畅平稳进入到避让槽中。
所述的折弯杆与所述的入射杆之间设置有第一锁紧组件。该结构中，第一锁紧组件的设置利于折弯杆与入射杆快速拆装，且两者之间连接较为牢靠。
所述的第一锁紧组件包括第一抱箍和第二抱箍，所述的第一抱箍紧贴在所述的折弯杆的上侧壁与所述的入射杆的上侧壁之间，所述的第二抱箍紧贴在所述的折弯杆的下侧壁与所述的入射杆的下侧壁之间，所述的第一抱箍和所述的第二抱箍之间通过第一锁紧螺栓固定。该结构中，当需要将折弯杆安装到入射杆上时，首先将折弯杆与入射杆对接，然后依次安装第一抱箍和第二抱箍，最后通过第一锁紧螺栓将第一抱箍和第二抱箍锁死，从而实现折弯杆与入射杆之间的可靠连接。
所述的透射杆与所述的岩样折冲杆之间设置有第二锁紧组件。该结构中，第二锁紧组件的设置利于岩样折冲杆与透射杆快速拆装，且两者之间连接较为牢靠。
所述的第二锁紧组件包括第三抱箍和第四抱箍，所述的第三抱箍紧贴在所述的透射杆的上侧壁与所述的岩样折冲杆的上侧壁之间，所述的第四抱箍紧贴在所述的透射杆的下侧壁与所述的岩样折冲杆的下侧壁之间，所述的第三抱箍和所述的第四抱箍之间通过第二锁紧螺栓固定。该结构中，当需要将岩样折冲杆安装到透射杆上时，首先将岩样折冲杆与透射杆对接，然后依次安装第三抱箍和第四抱箍，最后通过第二锁紧螺栓将第三抱箍和第四抱箍锁死，从而实现岩样折冲杆与透射杆之间的可靠连接。
所述的测量系统包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片、高速摄像机、第一超动态应变仪和第二超动态应变仪，所述的第一应变片安装在所述的入射杆上，所述的第二应变片安装在所述的透射杆上，所述的第三应变片安装在所述的折弯杆上，所述的第四应变片安装在所述的岩样折冲杆上，所述的高速摄像机记录整个子弹发射撞击试样时，试样的破坏过程，所述的第一超动态应变仪分别与所述的第一应变片和所述的第二应变片电连接，所述的第二超动态应变仪分别与所述的第三应变片和所述的第四应变片电连接。其好处在于能准确记录试验结果。
所述的入射杆与所述的折弯杆之间涂抹有凡士林，所述的透射杆与所述的岩样折冲杆之间也涂抹有凡士林。这样使得冲击波更好传递。
本发明还公开了一种基于shpb系统的岩石动态抗折试验方法，利用基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置，包括如下步骤，
s1：通过第一应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第一电压时程曲线vi1，通过第二应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第二电压时程曲线vt1，通过第三应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第三电压时程曲线vi2，通过第四应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第四电压时程曲线vt2；
s2：将第一电压时程曲线vi1除以放大系数c得到霍普金森压杆的入射应变的第一时程曲线εi1，将第二电压时程曲线vt1除以放大系数c得到霍普金森压杆的透射应变的第二时程曲线εt1，将第三电压时程曲线vi2除以放大系数c得到霍普金森压杆的入射应变的第三时程曲线εi2，将第四电压时程曲线vt2除以放大系数c得到霍普金森压杆的透射应变的第四时程曲线εt2，然后再将第一时程曲线εi1与第三时程曲线εi2相比较，得到转化系数ηi，将第二时程曲线εt1与第四时程曲线εt2相比较，得到转化系数ηt，取ηi与ηt中较大的值除以另一个较小的值，若两者的比值在1-1.2之间，则转至步骤s3，若超过此范围，则重新安装折弯杆与岩样折冲杆，直至满足要求；
s3：在正式实验前，验证入射杆和透射杆满足一维应力波条件σi(t)+σr(t)＝σt(t)的霍普金森压杆，其中：σi(t)表示入射应力，σr(t)表示反射应力，σt(t)表示透射应力；
s4：发射装置用于发射子弹并通过撞击杆撞击入射杆，对试样进行加载，使其应变率在102～103s-1之间；
s5：通过设置在第一应变片和第二应变片测得霍普金森压杆内的入射波和透射波，并根据下列公式计算平均应变
式中：c为纵波波速m/s；ls为试样长度m；εi为入射应变，矢量；εr为反射应变，矢量；εt为透射应变，矢量；a为杆件横截面积m2；as为试样受冲击面积m2；e为杆件弹性模量gpa；
s6：根据下列公式计算得到试样的动态抗折弹性模量，
其中；εi为入射应变，矢量；εr为反射应变，矢量；εt为透射应变，矢量；a为杆件横截面积m2；e为杆件弹性模量gpa；
s7：高速摄影机拍摄试样折断破坏过程，分析确定试样宏观断裂破坏机制，之后对试样断裂处进行电镜扫描，分析折断断口微观形貌特征，分析微观破坏特征。
与现有技术相比，本发明的优点在于：岩样折冲杆上开设的卡槽用于安装待测试样，开设的避让槽则提供避让空间，使待测试样折弯后部分进入到避让槽中；折弯杆连接在入射杆上，其受理后作用于待测试样，使待测试样折弯，从而进行抗折试验；本装置试验可靠且试验效果较好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中折弯杆与岩样折冲杆配合时的立体结构示意图；
图3为本发明图2分解状态的立体结构示意图；
图4为本发明中折弯杆的立体结构示意图；
图5为本发明中岩样折冲杆的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例一：如图所示，基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置，包括发射装置1、撞击杆2、入射杆3、透射杆4、吸收杆5和测量系统6，发射装置1用于发射子弹并通过撞击杆2撞击入射杆3，入射杆3、透射杆4和吸收杆5三者同轴设置，入射杆3与透射杆4之间留有间隙，吸收杆5贴合在透射杆4的一端，测量系统6用于捕捉入射杆3和透射杆4的冲击效果，入射杆3的一端连接有折弯杆7，透射杆4上连接有岩样折冲杆8，岩样折冲杆8的一端开设有用于放置试样的卡槽81，岩样折冲杆8上还开设有供折弯杆7伸入的避让槽82，避让槽82与卡槽81相连通。
折弯杆7的直径与岩样折冲杆8的直径相等，折弯杆7的长度与岩样折冲杆8的长度相等，折弯杆7的一端具有楔形头71，楔形头71的两侧分别开设有弓形面72，弓形面72的弦高为折弯杆7长度的1/4-1/2。该结构中，折弯杆7与岩样折冲杆8规格相同，利于加工制造，节省制造成本，折弯杆7的一端具有的楔形头71，当与试样接触时，能使试样折弯进入到避让槽82中，便于试验。
避让槽82的宽度为岩样折冲杆8直径的1/3-2/5，避让槽82的深度为岩样折冲杆8长度的1/4-1/2。其好处在于与折弯杆7相适配，利于楔形头71顺畅平稳进入到避让槽82中。
折弯杆7与入射杆3之间设置有第一锁紧组件91。该结构中，第一锁紧组件91的设置利于折弯杆7与入射杆3快速拆装，且两者之间连接较为牢靠。
第一锁紧组件91包括第一抱箍93和第二抱箍94，第一抱箍93紧贴在折弯杆7的上侧壁与入射杆3的上侧壁之间，第二抱箍94紧贴在折弯杆7的下侧壁与入射杆3的下侧壁之间，第一抱箍和第二抱箍之间通过第一锁紧螺栓95固定。该结构中，当需要将折弯杆7安装到入射杆3上时，首先将折弯杆7与入射杆3对接，然后依次安装第一抱箍和第二抱箍，最后通过第一锁紧螺栓将第一抱箍和第二抱箍锁死，从而实现折弯杆7与入射杆3之间的可靠连接。
透射杆4与岩样折冲杆8之间设置有第二锁紧组件92。该结构中，第二锁紧组件92的设置利于岩样折冲杆8与透射杆4快速拆装，且两者之间连接较为牢靠。
第二锁紧组件92包括第三抱箍96和第四抱箍97，第三抱箍96紧贴在透射杆4的上侧壁与岩样折冲杆8的上侧壁之间，第四抱箍97紧贴在透射杆4的下侧壁与岩样折冲杆8的下侧壁之间，第三抱箍和第四抱箍之间通过第二锁紧螺栓98固定。该结构中，当需要将岩样折冲杆8安装到透射杆4上时，首先将岩样折冲杆8与透射杆4对接，然后依次安装第三抱箍和第四抱箍，最后通过第二锁紧螺栓将第三抱箍和第四抱箍锁死，从而实现岩样折冲杆8与透射杆4之间的可靠连接。
测量系统6包括第一应变片61、第二应变片62、高速摄像机63和第一超动态应变仪64，第一应变片61安装在入射杆3上，第二应变片62安装在透射杆4上，高速摄像机63记录整个子弹发射撞击试样时，试样的破坏过程，第一超动态应变仪64分别与第一应变片61和第二应变片62电连接。其好处在于能准确记录试验结果。
测量系统6包括第三应变片65、第四应变片66和第二超动态应变仪67，第三应变片65安装在折弯杆7上，第四应变片66安装在岩样折冲杆8上，第二超动态应变仪67分别与第三应变片65和第四应变片66电连接。其好处在于能准确记录试验结果。
入射杆3与折弯杆7之间涂抹有凡士林，透射杆4与岩样折冲杆8之间也涂抹有凡士林。
实施例二：如图所示，一种基于shpb系统的岩石动态抗折试验方法，利用实施例一中的基于shpb系统的岩石动态抗折试验装置，包括如下步骤，
s1：通过第一应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第一电压时程曲线vi1，通过第二应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第二电压时程曲线vt1，通过第三应变片测得霍普金森压杆的入射应变的第三电压时程曲线vi2，通过第四应变片分别测得霍普金森压杆透射应变的第四电压时程曲线vt2；
s2：将第一电压时程曲线vi1除以放大系数c得到霍普金森压杆的入射应变的第一时程曲线εi1，将第二电压时程曲线vt1除以放大系数c得到霍普金森压杆的透射应变的第二时程曲线εt1，将第三电压时程曲线vi2除以放大系数c得到霍普金森压杆的入射应变的第三时程曲线εi2，将第四电压时程曲线vt2除以放大系数c得到霍普金森压杆的透射应变的第四时程曲线εt2，然后再将第一时程曲线εi1与第三时程曲线εi2相比较，得到转化系数ηi，将第二时程曲线εt1与第四时程曲线εt2相比较，得到转化系数ηt，取ηi与ηt中较大的值除以另一个较小的值，若两者的比值在1-1.2之间，则转至步骤s3，若超过此范围，则重新安装折弯杆与岩样折冲杆，直至满足要求；
s3：在正式实验前，验证入射杆和透射杆满足一维应力波条件σi(t)+σr(t)＝σt(t)的霍普金森压杆，其中：σi(t)表示入射应力，σr(t)表示反射应力，σt(t)表示透射应力；
s4：发射装置用于发射子弹并通过撞击杆撞击入射杆，对试样进行加载，使其应变率在102～103s-1之间；
s5：通过设置在第一应变片和第二应变片测得霍普金森压杆内的入射波和透射波，并根据下列公式计算平均应变
式中：c为纵波波速m/s；ls为试样长度m；εi为入射应变，矢量；εr为反射应变，矢量；εt为透射应变，矢量；a为杆件横截面积m2；as为试样受冲击面积m2；e为杆件弹性模量gpa；
s6：根据下列公式计算得到试样的动态抗折弹性模量，
其中；εi为入射应变，矢量；εr为反射应变，矢量；εt为透射应变，矢量；a为杆件横截面积m2；e为杆件弹性模量gpa；
s7：高速摄影机拍摄试样折断破坏过程，分析确定试样宏观断裂破坏机制，之后对试样断裂处进行电镜扫描，分析折断断口微观形貌特征，分析微观破坏特征。
入射杆、折弯杆、透射杆与岩样折冲杆的截面面积以及所选用的材质均一致，因此杆件横截面积与杆件弹性模量为恒定值，放大系数c则为设备的本身参数，本实施例中选用600。
值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。
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