CN109580400B - 高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法 - Google Patents

高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，包括如下步骤：步骤1：将加热板依附于试样表面对试样进行直接加热，在和试样接触的加热板中内置加热管；步骤2：在岩石试样六个方向的刚性压板中设计共6N个掏槽，N=2或N=3或N=4或N=5或N=6，将6N个声发射传感器嵌入至刚性压板中，所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能；步骤3：分别对初始状态岩石试样、温度耦合加载试验后岩石试样以及针对试验要求，对不同加载状态下岩石试样进行动态力学参数监测与获取。本发明有效的克服真三轴试验装置动态数据监测的困难，通过将声发射传感器内置刚性压板中，可实现岩石试样动态力学参数的定量测量，如波速、损伤演化特性等。

Description

高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法
技术领域
本发明涉及材料力学领域，尤其涉及岩石、混凝土等材料温压耦合中低应变率加载条件下动态力学参数的测试。
背景技术
当岩石所处应变率水平大于10-3s-1时，其自身惯性效应的影响不可忽略，为动力学研究范畴。最常用测试岩石动态力学性能的试验装置为霍普金森杆试验***，能够提供中高应变率范围，即101s-1至102s-1范围内的应变率加载。相比而言，中低应变率范围，即应变率在10-3s-1至101s-1范围内试验装置相对较少，常规的液压伺服机最高只能提供10-1s-1的应变率加载，落锤试验机则可以提供100s-1至101s-1范围内的应变率加载。
中高应变率采用的霍普金森杆试验装置通过采用粘贴于入射杆和透射杆上的应变片记录试验过程中的入射波、反射波和透射波数据计算试验过程中试样两端的受力变化特征。而中低应变率采用的液压伺服试验装置则是通过伺服控制动态加载波形，并通过粘贴在岩石试样表面的应变片以及通过布置在加载压头处位移传感器来监测试验过程中试样的变形和受力特征。同时，也有学者利用高速摄像仪、数字散斑技术和CT成像技术等分析岩石表面和内部的变形、破坏特征。
目前，岩石动态力学参数的测试仍然存在一定的不足，尤其是对于中低应变率采用的动态真三轴试验***，由于试样六个表面均与压头直接接触，无法在试样表面粘贴应变片获取试验过程中试样的变形特征。同时，高速摄像仪、散斑技术等也无法捕捉试验过程中岩石表面变形与破坏特征。此外，岩石动态相关的参数如波速、试样内部动态损伤演化等，均无法定量确定。
发明内容
为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，包括如下步骤：
步骤1：将加热板依附于试样表面对试样进行直接加热，在和试样接触的加热板中内置加热管；
步骤2：在试样六个方向的刚性压板中设计共6N个掏槽，N＝2或N＝3或N＝4或N＝5或N＝6，将6N个声发射传感器嵌入至刚性压板中，所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能；
步骤3：分别对初始状态试样、试验后试样以及针对试验要求，对不同加载状态下试样进行动态力学参数监测与获取，具体实施过程如下：
1.对岩石六个表面进行编号：X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2，并对内置于六个面上的声发射传感器依次进行编号，S1、S2、S3…S6N；
2.采用S1号声发射传感器主动激发超声波，并记录波形触发时间和波形，分别记录和计算剩余6N-1个传感器接收的超声波波形，波形触发时间及对应波速V1_S2，V1_S3，V1_S4.....V1_6NSj(j＝6N)；
V1_Sj＝d1_Sj/t1_Sj
其中j＝2，3，4.......，6N，d1_Sj表示Sj号传感器至S1号传感器距离，t1_Sj表示超声波由S1号传感器传播至Sj号传感器所需时间；
3.依次重复第二步，分别采用S2号至S6N号声发射传感器主动激发超声波，记录波形触发时间以及剩余6N-1个声发射传感器所接收的超声波波形，波形触发时间及波速Vi_Sj，其中i表示激发波形传感器编号，j表示接收波形传感器编号；
4.通过不同声发射传感器接收超声波的触发时间，通过形函数插值的方法计算岩石内部不同区域的三维应力波波速，具体步骤如下：
1)将得到的波速ViSj分解至X，Y和Z三个坐标方向Vi_Sj-X，Vi_Sj-Y和Vi_Sj-Z；
2)确定三维插值函数：
Figure GDA0002788080350000021
式中Ni为节点i的插值函数，i＝1,2,3,……6N；m，n，p分别代表每一个坐标方向的行列数减1，即每一个坐标方向拉格朗日多项式的次数；I，J，K表示节点i在每一个坐标方向的行列号；
Figure GDA0002788080350000031
和
Figure GDA0002788080350000032
可以通过以下公式确定：
Figure GDA0002788080350000033
Figure GDA0002788080350000034
Figure GDA0002788080350000035
式中ξ，η和ζ为局部坐标系中三个坐标方向，分别对应直角坐标系中X，Y和Z三个坐标方向；n＝6N，为传感器个数；(ξ，η，ζ)为试样内部任意一点的位置；(ξj，ηj，ζj)为每一传感器对应局部坐标系中的坐标值；
3)确定试样内部三维应力波波速
试样内部任意一点的X，Y和Z方向的应力波波速可以通过以下公式获得：
Figure GDA0002788080350000036
Figure GDA0002788080350000037
Figure GDA0002788080350000038
通过得到的岩石内部三维应力波波速及超声波振幅与频率，明确试样的三维各向异性和非均匀性。
作为本发明的进一步改进，所述6N个声发射传感器内置于刚性压板中，通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。
作为本发明的进一步改进，通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控。
作为本发明的进一步改进，将温度传感器内置于加热板中，实时监控加热板温度。
作为本发明的进一步改进，利用PID控制，来保证每个加热板达到目标温度，PID：比例、积分、微分。
作为本发明的进一步改进，刚性压板中的掏槽为圆柱形，开槽直径为2～4cm。
作为本发明的进一步改进，加热管加热温度的范围取值为20℃至200℃。
本发明的有益效果是：
本发明有效的克服真三轴试验装置动态数据监测的困难，通过将声发射传感器内置于刚性压板中，实现岩石试样动态力学参数的定量确定，如波速、损伤演化特性等。明确了高温和中低应变率加载下岩石动态三维各向异性和非均匀性。研究成果能够应用于分析深地环境岩体结构在动态荷载作用下的稳定性、岩体在***荷载作用下破坏机理、深埋隧道高效破岩和干热岩开采动态压裂等实际岩体工程问题。
附图说明
图1是本发明的试样及加热板结构示意图；
图2至图4是本发明的试样、加热板及刚性压板示意图；
图5是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试***XY平面图；
图6是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试***XZ平面图；
图7是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试***动力加载装置组成图。
图中各部件名称如下：
试样101、加热板102、刚性压板103、声发射传感器104；
静力加载装置201、动力加载装置202、磁致伸缩位移传感器203、试样加载机构204、荷载传感器205；
伺服控制器301、油源控制器302、电液伺服控制软件303、时域波形再现软件304、信号调理单元与传感器305、液压线性激振器306、液压油源及分油器307。
本文中英文简称PID：比例、积分、微分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明基于中低应变率动静一体化真三轴测试***，能够实现10-3s-1至101s-1范围内应变率加载。
本发明基于中低应变率动静一体化真三轴测试***，针对试验数据获取困难，尤其是无法监测试样内部动态力学参数这一现象，提供一种高温和中低应变率加载下固体动态各项异性和非均匀性的测试方法。
本发明装置包括加热板102、刚性压板103和声发射传感器104。
所述的加热板102依附于试样101表面对其进行直接加热，在和试样接触的加热板中内置加热管，通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控，热油用于加热，如果温度高于设置的温度，则需要加冷却液调控。如果试验需要小于室温的话，直接加冷却液也有降温的效果。温度传感器内置于加热板中，实时监控加热板温度，并利用PID精确控制，来保证每个加热板达到目标温度。
所述特殊设计的刚性压板，目的是为了克服声发射传感器抗压能力差，无法在高压环境下工作的缺陷，在岩石试样六个方向的刚性压板中设计共24个掏槽，刚性压板中的掏槽应为圆柱形，开槽直径应为2～4cm，确保声发射传感器能够放置并固定于掏槽内部，具体尺寸应根据选用声发射传感器型号确定。将24个声发射传感器嵌入至刚性压板中。
所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能。
24个声发射传感器内置于刚性压板中，通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。分别对初始状态岩石试样、试验后岩石试样以及针对试验要求，对不同加载状态下岩石试样进行动态力学参数监测与获取。
具体实施过程如下：
1：对岩石六个表面进行编号：X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2，并对内置于六个面上的声发射传感器依次进行编号，S1、S2、S3…S22、S23和S24。
2：采用S1号声发射传感器主动激发超声波，并记录波形触发时间。分别记录剩余23个传感器接收的超声波波形，波形触发时间及波速V1_S2，V1_S3，V1_S4.....V1_S24。
3：依次重复第二步，分别采用S2号至S24号声发射传感器主动激发超声波，记录波形触发时间以及剩余23个声发射传感器所接收的超声波波形，波形触发时间及波速Vi_Sj，其中i表示激发波形传感器编号，j表示接收波形传感器编号。
4：通过不同声发射传感器接收超声波的触发时间，通过形函数插值的方法计算岩石内部不同区域的三维应力波波速，具体步骤如下：
1)将得到的波速Vi_Sj分解至X，Y和Z三个坐标方向Vi_Sj-X，Vi_Sj-Y和Vi_Sj-Z。
2)确定三维插值函数：
Figure GDA0002788080350000061
式中Ni为节点i的插值函数，i＝1,2,3,……24；m，n，p分别代表每一个坐标方向的行列数减1，即每一个坐标方向拉格朗日多项式的次数；I，J，K表示节点i在每一个坐标方向的行列号。
Figure GDA0002788080350000062
和
Figure GDA0002788080350000063
可以通过以下公式确定：
Figure GDA0002788080350000064
Figure GDA0002788080350000065
Figure GDA0002788080350000066
式中ξ，η和ζ为局部坐标系中三个坐标方向，分别对应直角坐标系中X，Y和Z三个坐标方向；n＝24，为传感器个数；(ξ，η，ζ)为试样内部任意一点的位置；(ξj，ηj，ζj)为每一传感器对应局部坐标系中的坐标值。
3)确定试样内部三维应力波波速
试样内部任意一点的X，Y和Z方向的应力波波速可以通过以下公式获得：
Figure GDA0002788080350000071
Figure GDA0002788080350000072
Figure GDA0002788080350000073
通过得到的岩石内部三维应力波波速及超声波振幅与频率，明确岩石试样的三维各向异性和非均匀性。
如图5至图7，本发明所涉及的测试***包括X、Y和Z三个方向静力加载装置201和单独Z方向的动力加载装置202，其中X、Y方向各两个静力加载装置201，Z方向一个静力加载装置201，测试试样101放置于试样加载机构204中，5个静力加载装置201上均分别安装磁致伸缩位移传感器203与荷载传感器205。
静力加载装置201为静力液压伺服油缸。动力加载装置202具体结构如下：其包括伺服控制器301、油源控制器302、电液伺服控制软件303、时域波形再现软件304、信号调理单元与传感器305、液压线性激振器306、液压油源及分油器307；通过以太网将伺服控制器301、油源控制器302与电液伺服控制软件303、时域波形再现软件304相连接，通过信号调理单元与传感器305的数据，采用伺服控制器301控制液压线性激振器306，通过控制及测量信号，采用油源控制器302控制液压油源及分油器307。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将加热板依附于试样表面对试样进行直接加热，在和试样接触的加热板中内置加热管；
步骤2：在试样六个方向的刚性压板中设计共6N个掏槽，N＝2或N＝3或N＝4或N＝5或N＝6，将6N个声发射传感器嵌入至刚性压板中，所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能；
步骤3：分别对初始状态试样、试验后试样以及针对试验要求，对不同加载状态下试样进行动态力学参数监测与获取，具体实施过程如下：
1.对岩石六个表面进行编号：X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2，并对内置于六个面上的声发射传感器依次进行编号，S1、S2、S3…S6N；
2.采用S1号声发射传感器主动激发超声波，并记录波形触发时间和波形，分别记录和计算剩余6N-1个传感器接收的超声波波形，波形触发时间及对应波速V1_S2，V1_S3，V1_ S4.....V1_6NSj(j＝6N)；
V1_Sj＝d1_Sj/t1_Sj
其中j＝2，3，4.......，6N，d1_Sj表示Sj号传感器至S1号传感器距离，t1_Sj表示超声波由S1号传感器传播至Sj号传感器所需时间；
3.依次重复第二步，分别采用S2号至S6N号声发射传感器主动激发超声波，记录波形触发时间以及剩余6N-1个声发射传感器所接收的超声波波形，波形触发时间及波速Vi_Sj，其中i表示激发波形传感器编号，j表示接收波形传感器编号；
4.通过不同声发射传感器接收超声波的触发时间，通过形函数插值的方法计算岩石内部不同区域的三维应力波波速，具体步骤如下：
1)将得到的波速ViSj分解至X，Y和Z三个坐标方向Vi_Sj-X，Vi_Sj-Y和Vi_Sj-Z；
2)确定三维插值函数：
Figure FDA0002788080340000011
式中Ni为节点i的插值函数，i＝1,2,3,……6N；m，n，p分别代表每一个坐标方向的行列数减1，即每一个坐标方向拉格朗日多项式的次数；I，J，K表示节点i在每一个坐标方向的行列号；
Figure FDA0002788080340000021
和
Figure FDA0002788080340000022
可以通过以下公式确定：
Figure FDA0002788080340000023
Figure FDA0002788080340000024
Figure FDA0002788080340000025
式中ξ，η和ζ为局部坐标系中三个坐标方向，分别对应直角坐标系中X，Y和Z三个坐标方向；n＝6N，为传感器个数；(ξ，η，ζ)为试样内部任意一点的位置；(ξj，ηj，ζj)为每一传感器对应局部坐标系中的坐标值；
3)确定试样内部三维应力波波速
试样内部任意一点的X，Y和Z方向的应力波波速可以通过以下公式获得：
Figure FDA0002788080340000026
Figure FDA0002788080340000027
Figure FDA0002788080340000028
通过得到的岩石内部三维应力波波速及超声波振幅与频率，明确试样的三维各向异性和非均匀性。
2.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：所述6N个声发射传感器内置于刚性压板中，通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。
3.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控。
4.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：将温度传感器内置于加热板中，实时监控加热板温度。
5.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：利用PID控制，来保证每个加热板达到目标温度，PID：比例、积分、微分。
6.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：刚性压板中的掏槽为圆柱形，开槽直径为2～4cm。
7.根据权利要求1所述的高温与中低应变率加载下固体动态各向异性特性测试方法，其特征在于：加热管加热温度的范围取值为20℃至200℃。
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