分离式霍普金森压杆加载下岩石动态断裂韧度测定的实验研究

四川大学

硕士学位论文

分离式霍普金森压杆加载下岩石动态断裂韧度测定的实验研究

姓名：李战鲁

申请学位级别：硕士

专业：固体力学

指导教师：王启智

20060510

李战鲁：分离式槛普金森压杆加载下岩石动态断裂韧度测定的实验研究

２．分离式霍普金森压杆（ＳＩ－ＩＰＢ）实验设备

２．１ＳＨＰＢ设备简介

本实验使用的大直径分离式霍普金森压杆（ＳＨＰＢ）是由总参谋部工程兵科研三所研制【２８１，整套设备主要由入射杆、透射杆、测量压杆中的应变变化及试样应变变化的应变片组、超动态应变仪、瞬态记录仪及微机组成。入射杆及透射杆为实验中试样加载的设备。实验中的加载信号及试样内部的应力应变变化通过应变片组和超动态应变仪转变为电压信号经瞬态记录仪采集，存储在微机里。该ＳＨＰＢ设备压＝｝：＿｜：直径为１００ｍｍ，弹性模量为２１０ＧＰａ，密度为７８５０ｋｇ／ｍ３，入射杆长４５００ｎｍａ，透射杆长２５００ｍｍ，利用空气加压给炮弹加速，并在炮弹出膛处使用灯距为１０ｍｍ激光测速仪测量炮弹出膛的速度。图１为整套设备的示意图，图２为ＳＨＰＢ的实物图，图３为激光测速仪的实物图。

图１ＳＨＰＢ设备示意图

图２ＳＨＰＢ实物图图３光电测速装置

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蚀』ｌｌ大学职：Ｉ．学位论文

２．２测试中的应变片及数据采集系统

为了测试ＳＨＰＢ入射杆冲击下的高速加载的效果和确定试样裂纹扩展时间，考虑到裂纹尖端附近的高应变梯度及岩石试样的脆性，本实验采用的是由汉中精测电器有限责任公司（原南郑县三星电器厂）生产的型号为ＢＦｌ２０—２ＡＡ型的小标距ｆ乜阻应变片。该应变片箔式敏感栅尺寸为：妖２．０ｍｍ，宽２２ｍｍ：酚醛．缩醛基底尺寸为：长６．０ｍｍ，宽３．５ｍｍ；测程中的最小反应时问为Ｏ．２ｐ＿ｓ，并取压缩信号记录为正。由于在本实验中，ＳＨＰＢ杆件应力波周期约在３００ｐｓ，且单周期内只有拉伸或是压缩：而试样前端从受到载荷到裂纹扩展的裂纹扩展时间在１００～３００９ｓ之问，故本应变片能完全满足实验测试需要。

超动态应变仪由总参工程兵三所研制（见图４），截止频率尼为３００ｋｌ－ｌｚ，为了保证采样信号无失真地反映超动态应变仪中的模拟信号，设置瞬态记录仪（见图４）中的采样频率正为２ＭＨｚ，即采样频率正＝６．６７Ｌ。

在实验之前，先进行超动态应变仪各通道的标定，标定数据如下附表１：

表１各通道标定值

图４超动态应变仪及瞬态记录仪

２．３ＳＨＰＢ实验原理

ＳＨＰＢ压杆的核心部分是两段分离的弹性杆：入射杆和透射杆。当枪膛内

李战鲁：分离式霜曾金森压杆加载下岩石动态断裂韧度测定的实验研究在高速加载的ＳＨＰＢ实验中，滤波片的选取标准为：１．入射波必须有一定的峰值。２．必须有足够长的上升沿时间，使得试样受到较长的加载时间，试样内部应力均匀化。实验检验的结果表明，使用滤波片弹性模量越小，形成入射波的上升沿就拉伸的越长；在同一质地的滤波片中，在一定的范围内，滤波片的直径越小，入射波上升沿被拉伸的时间越长【３９１。在本实验中，岩石的加载时间约为９０～３００９ｓ，为了得到平滑的三角形加载波及合适的加载时间，选用长为１８０ｍｍ的圆柱性炮弹及铝质滤波片，滤波片的直径为４５．０ｍｍ，厚度为１．０ｍｍ，完全可以满足需要的加载入射波的上升沿长度。图５为该铝质滤波片及其在０．１ＭＰａ，０．１５ＭＰａ，０．２０ＭＰａ，０．２５ＭＰａ，０．３０ＭＰａ加载下的变形图。

幽５铝质滤波片（左上角）及其加载Ｆ的变形

３．３ＳＨＰＢ实验中波头的选取

参照刘德顺和李夕兵在《冲击机械系统动力学》１４０】提出的中的波形处理方法，对于ＳＨＰＢ压杆上的入射杆信号（图６），先找出应力波的第一个波峰点Ａ，计算出１／５波峰值点前沿点Ｂ，找出点Ｂ前后附近各１０个点的斜率，求出其平均斜率做为Ｂ点处的理论斜率，作一直线交基线于点ｃ，点ｃ即为入射波的波头起点。

四川大学硕：｝：学位论文

其中，，＾为大理岩与硬化钢之问的摩擦系数，取ｏ．３３５；ａ为劈尖的角度，本实验ｎ＝１５０。

为了能采用上述的加绒方式，将边切槽圆盘试样推广‘到岩石动态断裂韧度的测定中，并且能检验其动态下的加载效果，本实验设计蓟）下。

４２边切槽圆盘试样ｆｌｌｌ弗ｌＪ作

为了满足线弹性和平面应变条件，测试试样尺寸应满足的如下关系１４６Ｉ：。二。卜㈦２Ⅲ拍，［鲁）㈦，其中，ａ为切槽深度，Ｄ为圆盘直径，ｔ是圆盘厚度，局。为岩石的静态断裂韧度值，ｏ－ｉ为岩石静态下的抗拉强度值。选择本测试的试样直径为８０ｍｍ，厚度为３２ｍｍ。

本实验所用岩样墩自四川雅安，毛坯试样见图１０，在试样Ｊ）１１２１２过程中，采用超薄ＨＤ３００×１０．７ｘ１．０钢锯片加工，切出的切槽宽度在ｌ０ｍｍ～１．４ｍｍ之间，并在切榴顶端采用直径为Ｏ５ｍｍ的细钢丝磨尖。加工成品试样见图ｌ１。

图１０边切槽尉盘毛坯试样图１１自Ｎ＿－［ｉｌ完成的边切槽圆盘试样４３边切槽岩石试样动态断裂韧度的实验测定

在本动态断裂韧度的测定中，为了得到比较好的劈裂效果，特加工辅助加载基座和劈尖（见图１２），劈尖的材料选用Ａ４低炭钢，劈尖及基座的尺寸如下，劈尖长为１００ｍｍ，宽∥为５５ｍｍ，厚７１为１０ｒａｍ，劈尖斜面由线切割完成，经过渗碳淬火处理，劈尖顶部打磨，线宽度为Ｏ．２ｒａｍ土００３ｍｍ，劈尖度数为１５。。