一种SHPB整形器加噪装置及损伤分析方法

技术领域

本发明涉及岩体力学试验技术领域，具体地指一种SHPB整形器加噪装置及损伤分析方法。

背景技术

岩石、混凝土等材料内部包含着大量的孔洞、裂隙、节理等缺陷。研究岩石、混凝土等材料在动态冲击加载下的损伤破坏规律能更好的分析岩石、混凝土等固体材料的动力学特性。同时，了解岩石、混凝土等固体材料的动态损伤演化规律将有助于定性和定量的分析固体材料动态损伤演化对超声波与应力波传播和衰减规律的影响。目前，对岩石、混凝土等材料的动态损伤的研究主要是基于霍普金森压杆(SHPB压杆)的动态冲击或动静组合加载后,利用CT扫描设备或超声波仪器等来标定岩石、混凝土等材料的动态损伤。同时随着SHPB压杆直径的增大，脉冲中的高频成分以及波的弥散会越来越严重，并且混凝土脆性材料失效应变小，在常规的霍普金森压杆试验中，人射脉冲上升沿升时很短，这就导致混凝土试件还没来得及达到平衡，试件中绝大部分单元已经失效。为了解决上述问题，使霍普金森压杆实验结果更加精确，脉冲整形技术应运而生，

现有的研究动态损伤的技术方法是在霍普金森杆动静加载以后拆卸试样，然后利用其它设备(例如CT扫描设备或超声波仪器)对试样进行损伤检测。已有的方法将动静组合加载与损伤检测分开进行，目前尚无法实现在原位保压状态下研究岩石、混凝土等材料的动态损伤及其对超声波传播和衰减规律的影响。

现有的脉冲整形技术装置是在霍普金森杆撞击子弹与入射杆间加上与入射杆直径相同的不同材料的垫片(例如紫铜、黄铜、纸、橡胶等)，以达到平滑波形，消除应力波的高频振荡以及解决应力均匀性及恒应变率加载问题。目前还没有通过整形器来复杂波形的各个频段的成分用于后期对波形进行小波变换等处理分析损伤的整形器加噪装置。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，提出一种SHPB整形器加噪装置及损伤分析方法，通过设计一种整形器加噪装置，丰富了入射波的各个频段的成分，后期通过小波分析的方法比较入射波与透射波不同频段的波的幅值变化，从而分析出试样内部的裂隙、孔洞等损伤情况。

为实现上述目的，本发明所设计的一种SHPB整形器加噪装置，其特殊之处在于，包括设置于真三轴霍普金森压杆装置的入射杆与高压气炮之间的装置本体；所述装置本体为钢制圆柱形封闭腔体结构，所述装置本体的内腔中设置若干个不同粒径的钢珠；所述装置本体的一端与高压气炮抵接，另一端通过橡胶垫片与真三轴霍普金森压杆装置的入射杆抵接。

进一步地，所述装置本体中钢珠的粒径范围为5～30mm，通过控制钢珠不同粒径所占的比例得到不同的颗粒级配D。

更进一步地，所述装置本体的长度L

更进一步地，所述橡胶垫片与装置本体、真三轴霍普金森压杆装置的入射杆的接触面均用凡士林涂抹保证贴合。

更进一步地，所述钢珠的粒径为五种，分别为5mm、10mm、15mm、20mm、30mm。

更进一步地，所述钢珠的体积为装置本体内腔容积的1/10～1/9,

本发明还提出一种SHPB整形器加噪装置的损伤分析方法，所述方法基于上述的SHPB整形器加噪装置实现，包括如下步骤；

1)在真三轴霍普金森压杆装置的入射杆与高压气炮之间安装装置本体；

2)放置试样，启动霍普金森杆冲击系统，进行冲击试验，利用高压气炮中的高压气体驱动撞击杆撞击装置本体及入射杆，力和冲击波作用透过试样传递到透射杆上，透射杆与吸收杆相撞，利用吸收杆吸收剩余能量，由数据采集系统记录入射杆、透射杆上应变片所测的应变信号；

3)入射杆受到的力和冲击波作用到试样上，试样在力和冲击波作用下产生变形和破碎；

4)撞击结束后通过入射杆与透射杆上的应变片得到入射波和透射波，再利用Matlab中的小波工具箱对这两个波进行小波变换处理，分析入射波和透射波各对应频段的幅值差异，进而分析出式样内部裂隙的情况。

优选地，通过控制装置本体内钢珠不同粒径所占的比例得到不同的颗粒级配D，通过不均匀系数

优选地，通过改变不耦合系数S对入射波进行不同程度的加噪处理，使入射波获得更多的高频和低频频段，

所述不耦合系数

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过对入射波加噪以及对入射波和透射波的小波变换处理，能够分析出试样内部的损伤情况。

2、本发明解决了传统霍普金森杆动静加载后试样损伤测试需要拆卸试样然后用其他设备对试样进行损伤检测，在这个过程中会对试样造成不同程度的扰动导致实验产生误差的问题。

3、本发明提供了一种可以在原位保压状态下测试分析岩石、混凝土等固体材料动态冲击损伤演化及其幅值和频谱等衰减规律影响的方法。弥补了现有基于霍普金森杆的岩石、混凝土等固体材料动力学测试的技术方法在原位保压状态下材料动态损伤测试方面的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种SHPB整形器加噪装置的整体结构示意图。

图2为装置本体的剖面图。

图3为钢珠的示意图。

图4为入射波和透射波前后对比图。

图5为损伤分析方法的流程图。

图6为入射波小波分析示意图。

图7为透射波小波分析示意图。

图8为入射波、透射波小波分析各频段幅值对比示意图。

图中，装置本体1，入射杆2，高压气炮3，橡胶垫片4，钢珠5。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出的一种SHPB整形器加噪装置，包括设置于真三轴霍普金森压杆装置的入射杆2与高压气炮3之间的装置本体1。如图2所示，装置本体1为钢制圆柱体结构，空腔封闭，装置本体1的内腔中设置若干个不同粒径的钢珠5；装置本体1的一端与高压气炮3抵接，另一端通过橡胶垫片4与真三轴霍普金森压杆装置的入射杆2抵接。装置本体1的底面面积与橡胶垫片4、入射杆2均相同。

如图3所示，本实施例中钢珠分为五种大小不同的尺寸。

在实际操作中将橡胶垫片4贴在入射杆2前端，橡胶垫片4另一端对齐放置装置本体1，上述接触面均用凡士林涂抹保证贴合。加本装置前后入射波和透射波对比如图4所示。

基于上述一种SHPB整形器加噪装置，本发明提出的损伤分析方法，包括如下步骤；

1)在真三轴霍普金森压杆装置的入射杆2与高压气炮3之间安装装置本体1；

2)放置试样，启动霍普金森杆冲击系统，进行冲击试验，利用高压气炮3中的高压气体驱动撞击杆撞击装置本体1及入射杆2，力和冲击波作用透过试样传递到透射杆上，透射杆与吸收杆相撞，利用吸收杆吸收剩余能量。由数据采集系统记录入射杆2、透射杆上应变片所测的应变信号；

3)入射杆2受到的力和冲击波作用到试样上，试样在力和冲击波作用下产生变形和破碎；

4)撞击结束后通过入射杆2与透射杆上的应变片得到入射波和透射波，再利用Matlab中的小波工具箱对这两个波进行小波变换处理，分析入射波和透射波各对应频段的幅值差异，进而分析出式样内部裂隙的情况。

损伤分析方法原理为经过整形加噪装置后变复杂的应力波在通过岩石试样时，岩样中不同尺寸的裂隙会吸收一部分波长与其裂隙尺寸相近的波段，使得到的透射波的波形与入射波有一定差异。通过对入射波和透射波进行小波分析可以得到不同频率的波段，对比入射和透射的各波段的幅值可以明显看出哪一频段的波能量被吸收而导致幅值下降，从而就可以分析出岩石试样中的裂隙成分情况。

通过控制钢制圆筒内钢珠不同粒径所占的比例得到不同的颗粒级配D，通过不均匀系数

定义钢筒长度与装置总长度的比值为不耦合系数

撞击结束后通过入射杆与透射杆上的应变片得到入射波和透射波，再利用matlab中的小波工具箱对这两个波进行小波变换处理，分析入射波和透射波各对应频段的幅值差异，进而分析出式样内部裂隙的情况。图5为损伤分析方法流程图。

图6～图8为经过整形器加噪后的入射波和透射波小波分析后的频谱图。同通过图8的细节对比图可以清晰的看出透射波的各个频段的幅值相比于入射波对应频段的幅值都有明显的降低，通过幅值的降低数值进而可以分析出岩石试样内的裂隙的情况。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围内。