1、三維應變測量系統在爆炸力學(xué)實(shí)驗技術(shù)中的應用
爆炸力學(xué)是研究高功率密度的能量轉化過(guò)程，大量能量通過(guò)高速的波動(dòng)來(lái)傳遞，歷時(shí)極短而強度極大。其中爆炸力學(xué)實(shí)驗技術(shù)為沖擊載荷下材料的力學(xué)性能的研究提供了方法和工具。在礦業(yè)、水利和交通運輸工程中，爆破工程也是必不可少的傳統方法。光面爆破、預裂爆破技術(shù)的應用日益廣泛。
中國礦業(yè)大學(xué)科研團隊在研究?jì)缺虞d下巖土類(lèi)材料的破壞機理實(shí)驗中，通過(guò)千眼狼PMLAB三維應變測量分析技術(shù)，分析混凝土內爆試驗中表面裂紋在長(cháng)度和寬度方向的擴展過(guò)程及表面變形場(chǎng)和應變場(chǎng)的演化過(guò)程，討論應力波和氣體對裂紋擴展的分工作用，驗證該測量分析技術(shù)在爆炸裂紋研究的有效性。（詳情可見(jiàn)《爆炸加載下混凝土表面的裂紋擴展》）
2、實(shí)驗方法
炸藥內爆是巖石及混凝土等材料受載破壞的常見(jiàn)形式。裂紋擴展過(guò)程作為斷裂力學(xué)的重要內容，一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)，測量方法也很多，三維應變測量系統（DIC）具有非接觸、全場(chǎng)變形及應變測量等優(yōu)勢，在高速動(dòng)態(tài)過(guò)程研究中應用較為廣泛。
此次課題實(shí)驗搭建了混凝土內爆試驗測試系統。該系統由混凝土模型、爆破器材、DIC系統、沖擊鉆、發(fā)電機等輔助材料組成如圖1a所示。
圖1 試驗測試系統
混凝土表面裂紋擴展過(guò)程以面內位移為主，故采用單臺千眼狼高速攝像機采集，調節三腳架使相機視軸垂直被測表面，高度與被測表面高度一致，拍攝的爆破過(guò)程圖像如圖1b所示。實(shí)驗模型采用商用混凝土澆筑而成，如圖1c所示。被測表面噴涂散斑并描畫(huà)刻度尺以便于獲得像素與物理距離之間的比例，高速攝像機拍攝幀率為20000fps。
3、實(shí)驗分析
1/3.起裂點(diǎn)分析
實(shí)驗拍攝的裂紋擴展過(guò)程如圖2所示，起爆后0.50ms模型側面開(kāi)始出現裂紋，起裂點(diǎn)位于模型上表面與側面棱線(xiàn)處，隨后裂紋進(jìn)一步擴展1.75ms結束，長(cháng)度擴展結束后轉而向寬度擴張，最終于4.50ms結束。
圖2 裂紋擴展過(guò)程
炸藥在混凝土內部爆炸時(shí)，其作用過(guò)程有三種模式，我們基于該理論，結合裝藥結構，最小抵抗線(xiàn)約9.5cm，側面抵抗線(xiàn)為20cm，而棱線(xiàn)處抵抗線(xiàn)約22.1cm，可知模型表面最初的裂紋應形成于炮孔口處。側面起裂點(diǎn)沒(méi)有出現在側面而出現在棱線(xiàn)上，說(shuō)明一旦形成貫通裂紋，該裂紋將成為主裂紋，或稱(chēng)為“優(yōu)勢”裂紋，“優(yōu)勢”裂紋在表面擴展速度極快，也將決定后續裂紋的趨向。
2/3.裂紋擴展過(guò)程
經(jīng)過(guò)裂紋檢測算法依次對圖像序列進(jìn)行檢測，得到裂紋長(cháng)度擴展過(guò)程如圖3所示。裂紋長(cháng)度擴展從0.50ms開(kāi)始1.75ms停止，期間最大速度225.95m/s，平均速度122.27m/s。依速度值將曲線(xiàn)劃為2段，0.50～1.20ms為第1段，裂紋擴展速度始終大于平均值，起裂后速度躍升快，極值出現在0.60ms，極值后有一定波動(dòng)，整體穩定于較高水平，可稱(chēng)為裂紋穩定擴展段，此間裂紋長(cháng)度為133.15mm，達到總長(cháng)的83%；第2段為1.20～1.75ms，裂紋擴展速度急劇衰減，推測此時(shí)應力波作用已十分微弱，甚至已停止，只有爆炸氣體繼推動(dòng)裂紋擴展，最終裂紋長(cháng)度擴展至159.92mm停止。
圖3 裂紋長(cháng)度和擴展速度曲線(xiàn)
其他相關(guān)研究測得內爆條件下應力波在混凝土中傳播的速度達103m/s級，作用時(shí)間為幾十至幾百微秒，而側面裂紋起裂于0.5ms，止裂于1.75ms，可見(jiàn)，裂紋在長(cháng)度上的擴展為應力波和爆炸氣體共同作用的結果。
圖4 水平位移場(chǎng)的演化過(guò)程
通過(guò)三維應變測量系統計算裂紋區域水平位移場(chǎng)，由圖4可知，裂紋的擴展過(guò)程是被測表面位移場(chǎng)由無(wú)序到有序不斷演化、并在裂紋區域不斷集中的過(guò)程。
圖5 裂紋張開(kāi)寬度隨時(shí)間和裂紋長(cháng)度的變化曲線(xiàn)
以時(shí)間為橫軸，以裂紋張開(kāi)寬度Wi為縱軸，裂紋擴張曲線(xiàn)如圖5a所示。從起裂點(diǎn)開(kāi)始，沿著(zhù)裂紋擴展方向，以5pixel(4.45 mm)為步長(cháng)，以裂紋為中心，按照上述方法分別取監測點(diǎn)，得到沿擴展方向的裂紋寬度曲線(xiàn)。無(wú)論監測點(diǎn)距離起裂點(diǎn)多遠，其相對位移發(fā)展趨勢是一致的，裂紋擴展停止后，橫向擴張要持續更長(cháng)時(shí)間，可達4.5ms，在裂紋發(fā)展的整個(gè)過(guò)程中，爆炸氣體均起到重要作用，但其對裂紋的擴張作用更明顯。
3/3.應變場(chǎng)演化過(guò)程
圖6 最大主應變場(chǎng)的演化過(guò)程
最大主應變場(chǎng)的演化過(guò)程如圖6所示，其中，紅色表示應變較大，裂紋區域始終存在應變集中帶。在0.25ms時(shí)，宏觀(guān)裂紋尚未產(chǎn)生，但應變已向裂紋區域集中；0.50ms時(shí)，未來(lái)的裂紋附近應變集中帶已經(jīng)形成，起裂點(diǎn)附近最明顯，隨著(zhù)宏觀(guān)裂紋的產(chǎn)生和擴展，應變集中帶越發(fā)明顯，1.75ms時(shí)，應變集中帶的總體形態(tài)已經(jīng)確定；在1.75～4.50ms，在裂紋附近應變集中帶上，深色區域不斷擴大，宏觀(guān)表現為此處裂紋正在擴張。
4/3.斷裂過(guò)程區分析
圖7 斷裂過(guò)程區發(fā)展過(guò)程
斷裂過(guò)程區（FPZ）模型觀(guān)測通常在帶有預制裂紋混凝土梁的三點(diǎn)彎曲試驗中進(jìn)行，屬于準靜態(tài)加載，對于動(dòng)態(tài)加載過(guò)程FPZ的研究則較少。FPZ尺寸的測量也逐步發(fā)展為以DIC方法為主，結合聲發(fā)射測量、引伸計等。FPZ區域的界定不盡相同，有的以應變作為界定標準，也有的以位移作為標準。本文中以各幀中宏觀(guān)裂紋尖端為FPZ起點(diǎn)，應變集中帶作為FPZ邊界，如圖7所示，圖中橫縱坐標的單位為像素，裂紋尖端和FPZ尖端坐標也為像素，0.80ms 后FPZ已超出觀(guān)測范圍，結合圖 6，計算各時(shí)刻FPZ尺寸如表1所示。
表 1 斷裂過(guò)程區尺寸
由表可知，除起裂時(shí)刻FPZ寬度較小，為33.82mm外，其余時(shí)刻寬度變化不大，在47.17～52.51mm之間，FPZ長(cháng)度基本不變，為129.30～132.64mm，約為混凝土骨料最大粒徑的8～9倍。
4、實(shí)驗分析結果
通過(guò)進(jìn)行混凝土內爆試驗結合三維應變測量（DIC）和智能圖像分析等技術(shù)，研究了內爆加載下混凝土表面裂紋擴展規律。該技術(shù)可觀(guān)測裂紋的擴展和擴張效應以及斷裂過(guò)程區的演化規律，同時(shí)提供裂紋變化的量化數據。實(shí)驗主要結論：
一、側面裂紋起裂點(diǎn)位于側面與頂面交線(xiàn)上，擴展平均速度為122.27m/s，最大速度為225.95m/s，裂紋總長(cháng)為159.92mm，裂紋方向與炮孔軸線(xiàn)方向近似平行。
二、裂紋長(cháng)度擴展集中在起爆后0.50～1.75ms內，為應力波和爆炸氣體共同作用結果，擴展停止后，裂紋主要進(jìn)行橫向擴張，持續時(shí)間可達4.5ms，主要動(dòng)力為爆炸生成的氣體楔入裂紋內，使模型被切割，最終裂紋最大張開(kāi)寬度為1.59mm。
三、根據應變場(chǎng)分析了爆破這種超動(dòng)態(tài)加載下混凝土斷裂過(guò)程區的演化規律，混凝土配比和骨料粒徑固定后，其斷裂過(guò)程區尺寸基本不變，其長(cháng)度約為骨料最大粒徑的8～9倍。
四、試驗采用單藥包集中裝藥，且裝藥量較小，側面只產(chǎn)生了一條宏觀(guān)主裂紋，采用多藥包裝藥，并設計不同裝藥參數和布置形式，對于全面分析多條裂紋擴展過(guò)程大有裨益；另外，電測法擅長(cháng)對應力波的測量，光測法對裂紋動(dòng)態(tài)擴展過(guò)程的測量更方便，將二者結合起來(lái)更有助于研究爆炸加載下介質(zhì)的響應和應力波傳播規律，這將是下一步工作的方向。
5、總結
爆炸產(chǎn)生的應力波和高溫高壓氣體共同作用下，介質(zhì)內部出現裂紋并向自由面擴展，將介質(zhì)切割成塊。但對應力波和高溫高壓氣體的作用分工研究較少，尤其是兩者共同作用下的裂紋擴展機理尚不完全清楚。裂紋擴展過(guò)程作為斷裂力學(xué)的重要內容，一直是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。千眼狼PMLAB三維應變測量系統（DIC）具有非接觸、全場(chǎng)變形及應變測量等優(yōu)勢，在高速動(dòng)態(tài)過(guò)程研究實(shí)驗中應用較為廣泛。（此文源自中國礦業(yè)大學(xué)（北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院研究團隊）
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