一种双扭试验模具及双扭试验装置

技术领域

本申请属于亚临界裂纹扩展研究用实验设备技术领域，尤其涉及一种双扭试验模具及双扭试验装置。

背景技术

岩体中的裂纹扩展会引起工程失稳造成人员和经济损失，而裂纹扩展过程遵循断裂力学理论，受断裂参数控制。一般认为当材料裂纹尖端的应力强度达到临界值时，即断裂韧度，裂纹快速扩展引起材料失效。然而，岩石、陶瓷、玻璃和石墨等材料在应力强度低于断裂韧度时，裂纹仍以缓慢速度扩展，通常称为亚临界裂纹扩展。双扭试验发展于20世纪60年代末，是研究岩石等脆性材料断裂特性和亚临界裂纹扩展的有效方法。双扭试验主要包括预裂、松弛和断裂等流程，通过断裂试验中记录的峰值荷载计算材料的断裂韧度值。

实时监测双扭试样的亚临界裂纹扩展过程有利于更好的理解其时变断裂行为。但是在现有双扭试验中，除了透明的脆性材料，例如玻璃、透明晶体等，对裂纹扩展过程进行实时观察是较为困难的，从而无法准确获取裂纹尖端区域的位移和应变数据。

发明内容

本申请提供了一种双扭试验模具及双扭试验装置，可以解决现有双扭试验裂纹扩展过程观测不方便的问题。

一方面，本申请提供了一种双扭试验模具，包括：

底座；

试样支架，设置于底座上，试样支架用于支撑试样；以及

反射件，设置于底座上并位于试样的下方，反射件具有反射面，反射面用于反射试样裂纹动态扩展图像信息。

可选的，反射面与试样所在的平面之间的夹角为45°。

可选的，底座上设置有反射件安装组件，以用于支撑反射件。

可选的，反射件安装组件包括反射件支撑杆和限位件，反射件支撑杆和限位件均设置于底座上，反射件远离反射面的一侧倚靠在反射件支撑杆的一端，以形成反射角度，反射件与底座接触的一端通过限位件限位。

可选的，反射件支撑杆与反射件抵接的一端为斜面。

可选的，反射件支撑杆可拆卸地设置于底座上。

可选的，试样支架包括4个支撑柱，4个支撑柱可拆卸地设置于底座上，4个支撑柱呈矩阵分布，以用于对试样进行4点支撑。

可选的，每个支撑柱均与试样点接触。

可选的，每个支撑柱上均设置有支撑件，支撑柱通过支撑件与试样点接触，支撑件与试样接触的一端为弧面。

另一方面，本申请还提供了一种双扭试验装置，包括：

如上任一的一种双扭试验模具；

加载模块，用于对试样施加载荷，以使试样进行裂纹扩展；

图像采集模块，用于接收反射面反射的试样裂纹动态扩展图像信息；以及

控制处理模块，控制处理模块的输入端与图像采集模块的输出端电连接。

本申请的上述方案有如下的有益效果：

在本申请中，在双扭试验开始前，可先将试样放置在试样支架上，通过反射件的反射面将试样底面图像信息反射至外部的图像采集装置。在双扭试验开始时，通过外部的压力加载装置对试样进行施压加载，使得试样上的预制裂纹沿试样的中央扩展，然后通过反射件的反射面将试样底面裂纹扩展的图像信息反射至外部的图像采集装置，从而能获取试样亚临界裂纹扩展的全过程。本申请所提供的双扭试验模具能将双扭试样过程中试样亚临界裂纹扩展的全过程反射至外部的图像采集装置，解决了现有双扭试验不便于实时观察对裂纹扩展过程，从而导致无法准确获取裂纹尖端区域的位移和应变数据的问题。

本申请的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的双扭试验模具的正面结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的双扭试验模具的背面结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的双扭试验模具的部分结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的双扭试验模具的底座结构示意图；

图5为本申请一实施例提供的双扭试验模具的底座正视图；

图6为本申请一实施例提供的双扭试验模具的长支撑杆结构示意图；

图7为本申请一实施例提供的双扭试验模具的短支撑杆结构示意图；

图8为本申请一实施例提供的双扭试验模具的支撑柱结构示意图；

图9为本申请一实施例提供的双扭试验模具的条状件结构示意图。

【附图标记说明】

100、试样；

1、底座；11、滑槽；

2、试样支架；21、支撑柱；22、支撑件；

3、反射件；

4、反射件安装组件；41、反射件支撑杆；411、长支撑杆；412、短支撑杆；42、限位件；

5、条状件。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

下面结合具体实施例对本申请提供的双扭试验模具及双扭试验装置进行示例性的说明。

开展双扭试验前，需要将岩石等脆性材料制成薄板状，试样100的规格为150mm×60mm×5mm，并且在试样100中心沿长度方向切割宽度为2mm，深度为1mm的导向槽，用于控制裂纹沿导向槽扩展。试样100端部切割长度为10mm的初始切口，以诱导试样100在弯矩作用下张开型裂纹的起裂。

如图1所示，本申请实施例提供的双扭试验模具，包括底座1、试样支架2以及反射件3；试样支架2设置于底座1上，试样支架2用于支撑试样100；反射件3设置于底座1上并位于试样100的下方，反射件3具有反射面，反射面用于反射试样100裂纹动态扩展图像信息。

在上述实施例中，在双扭试验开始前，可先将试样100放置在试样支架2上，通过反射件3的反射面将试样100底面图像信息反射至外部的图像采集装置。在双扭试验开始时，通过外部的压力加载装置对试样100进行施压加载，使得试样100上的预制裂纹沿试样100的中央扩展，然后通过反射件3的反射面将试样100底面裂纹扩展的图像信息反射至外部的图像采集装置，从而能获取试样100亚临界裂纹扩展的全过程。本申请所提供的双扭试验模具能将双扭试样100过程中试样100亚临界裂纹扩展的全过程反射至外部的图像采集装置，解决了现有双扭试验不便于实时观察对裂纹扩展过程，从而导致无法准确获取裂纹尖端区域的位移和应变数据的问题。

其中，反射件3主要通过反射面反射试样100裂纹动态扩展图像信息。示例性的，反射件3可以为反射镜，反射镜的边长为100mm。

在一种实施例中，如图1和图2所示，反射面与试样100所在的平面之间的夹角为45°。

在上述实施例中，通过45°角反射可以最小化试样100裂纹扩展的图像的形变，该角度下的反射不会引入显著的尺寸变化或形状畸变，能够更准确地获得试样100裂纹扩展的真实形态。

在一种实施例中，如图1、图2和图3所示，底座1上设置有反射件安装组件4，以用于安装反射件3。

在上述实施例中，通过反射件安装组件4以将反射件3安装至底座1上，同时可通过反射件安装组件4调整反射件3的反射面与试样100底面所在平面的反射角度，以准确地获得试样100裂纹扩展的真实形态。

其中，在优选的实施例中，通过反射件安装组件4调整反射件3的反射面与试样100底面所在平面的反射角度为45°。

在一种具体的实施例中，如图3所示，反射件安装组件4包括反射件支撑杆41和限位件42，反射件支撑杆41和限位件42均设置于底座1上，反射件3远离反射面的一侧倚靠在反射件支撑杆41的一端，以形成反射角度，反射件3与底座1接触的一端通过限位件42限位。

在上述实施例中，当安装反射件3时，反射件3远离反射面的一侧会倚靠在反射件支撑杆41的一端，通过反射件支撑杆41的支撑，使得反射件3的反射面与试样100底面形成反射角度，优选的，该反射角度为45°。而反射件3与底座1接触的一端通过限位件42限位，防止反射件3滑落，以提高稳定性。

其中，限位件42主要用于防止反射件3滑落而导致损坏。示例性的，限位件42可以为档条、若干个挡块等。

在一种更加具体的实施例中，如图3所示，反射件支撑杆41与反射件3抵接的一端为斜面。

在上述实施例中，反射件3可倚靠在该斜面上，该斜面提供了一个稳定的支撑点，并且斜面设计可以使反射件3的反射面倾斜在一个特定的角度。具体的，该斜面与试样100底面和底座1所在平面所形成的夹角均为45°。

在一种更加具体的实施例中，如图3所示，反射件支撑杆41包括长支撑杆411和短支撑杆412，短支撑杆412和长支撑杆411沿反射件3的倾斜方向依次设置于底座1上，反射件3远离反射面的一侧在倚靠短支撑杆412和长支撑杆411上，短支撑杆412和长支撑杆411与反射件3抵接的一端均为斜面。

在上述实施例中，通过短支撑杆412和长支撑杆411的设置以提高反射件3安装的稳定性。

在一种更加具体的实施例中，反射件支撑杆41可拆卸地设置于底座1上。

在上述实施例中，反射件支撑杆41可以轻松地安装、拆卸和更换，双扭试验完成后，可将反射件支撑杆41从底座1上拆下来，减小所占用的空间。

在一种实施例中，如图3所示，试样支架2包括4个支撑柱21，4个支撑柱21可拆卸地设置于底座1上，4个支撑柱21呈矩阵分布，以用于对试样100进行4点支撑。

在上述实施例中，4个支撑柱21的布局使得试样100可以通过4个接触点得到均衡和稳固的支撑。这种4点支撑可以提供较好的支持，确保试样100在底座1上保持平衡。

在一种具体的实施例中，如图3所示，每个支撑柱21均与试样100点接触。

在上述实施例中，支撑柱21通过点接触的方式支撑试样100，从而减小试样100与支撑柱21之间的摩擦，降低试样100在支撑过程中的阻力和损耗。

在一种更加具体的实施例中，如图3所示，每个支撑柱21上均设置有支撑件22，支撑柱21通过支撑件22与试样100点接触，支撑件22与试样100接触的一端为弧面。

在上述实施例中，支撑件22通过圆弧面以实现支撑柱21与试样100之间的点接触。具体的，支撑件22为钢珠，其规格为半径2.5mm的球体，每个支撑柱21上均设置有容置槽，钢珠放置于容置槽内，以支撑试样100。其中，4个钢珠的球心形成的矩形结构的长度为145mm，宽度为40mm，以配合外部的压力加载装置对试样100进行双扭试验。

在一种实施例中，如图1、图2和图3所示，底座1上设置有两个平行分布的滑槽11，其中一个滑槽11内间隔设置有两个支撑柱21，两个支撑柱21之间间隔设置有两个长支撑杆411，且在该滑槽11内每个长支撑杆411与每个支撑柱21抵接；另外一个滑槽11内间隔设置有两个支撑柱21，两个支撑柱21之间间隔设置有两个短支撑杆412，且在该滑槽11内每个短支撑杆412与每个支撑柱21抵接；支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412均可滑动设置于滑槽11内，且支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412均可拆卸地设置于滑槽11内。

在上述实施例中，4个支撑柱21以用于支撑试样100，2个长支撑杆411和2个短支撑杆412以用于支撑反射件3。支撑柱21可滑动设置于滑槽11内，即同一个滑槽11内的两个支撑柱21之间的间距可通过滑动调节，以适应不同规格的试样100。其中一滑槽11内的两个长支撑杆411之间的间距和另一滑槽11内的两个短支撑杆412之间的间距均可通过滑动调节，以适应不同规格的反射件3。同时，支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412均可拆卸地设置于滑槽11内，当双扭试验完成之后，即可将支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412分别从底座1上拆下来，以减小所占用的空间。

其中，支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412均与滑槽11之间具有阻尼，以防止试样100在进行双扭试样100的过程中支撑柱21或长支撑杆411或短支撑杆412发生滑动，影响试验结果。或者，每个滑槽11沿其长度方向依次设置有若干个固定件，以将支撑柱21、长支撑杆411和短支撑杆412固定在指定为位置，以便达到双扭试验的要求；其中，固定方式为螺纹连接或卡扣连接等方式。

在一种具体的实施例中，两个滑槽11内分别设置有条状件5，其中一条状件5设置于两个短支撑杆412之间，以用于确保该滑槽11内的两个短支撑杆412和两个支撑柱21之间的间距，通过条状件5使两个短支撑杆412和两个支撑柱21快速、准确达到试验所需的间距要求；另外一条状件5设置于两个长支撑杆411之间，以用于确保该滑槽11内的两个短支撑杆412和两个支撑柱21之间的间距，通过条状件5使两个短支撑杆412和两个支撑柱21快速、准确达到试验所需的间距要求。

具体的，如图4所示，底座1为长方体钢板，其规格：长a为200mm，宽b为80mm，高c为20mm。

具体的，如图5所示，两个滑槽11为“凸”字形结构，两个滑槽11之间的间距d为35mm，“凸”字形结构的上部分为矩形体结构，其规格：长(图4中的a)为200mm，宽b2为5mm，高c2为5mm；下部分为为矩形体结构，其规格：长a(图4中的a)为200mm，宽b1为15mm，高c1为10mm。

具体的，如图5所示，限位件42为矩形体结构，其规格：长a(图4中的a)为200mm，宽b3为1mm，高c3为2mm。

具体的，如图6所示，长支撑杆411包括矩形体座和设置于矩形体座上的长支撑体，其中矩形体座为矩形体结构，其规格：长a为15mm，宽b为15mm，高c为10mm。长支撑体为纵截面为直角梯形的柱状体结构，其中，斜边与上底之间的夹角d为135°，以使反射件3的反射面与试样100的底面之间的夹角为45°，直角梯形的规格：上底e为63.5mm，下底f为68.5mm，直角边g为5mm，柱状体结构的高(图6中的b)为15mm。

具体的，如图7所示，短支撑杆412包括矩形体座和设置于矩形体座上的短支撑体，其中矩形体座为矩形体结构，其规格为：长a为15mm，宽b为15mm，高c为10mm。短支撑体为纵截面为直角梯形的柱状体结构，其中，斜边与上底之间的夹角d为135°，以使反射件3的反射面与试样100的底面之间的夹角为45°，直角梯形的规格：上底e为23.5mm，下底f为28.5mm，直角边g为5mm，柱状体结构的高(图7中的b)为15mm。

具体的，如图9所示，条状件5为矩形体结构，其规格：长a为100mm，宽b为15mm，高c为10mm。

具体的，如图8所示，支撑柱21包括矩形体座和设置于矩形体座上的支撑体，其中矩形体座为矩形体结构，其规格为：长a1为15mm，宽b1为15mm，高c1为10mm。支撑体为矩形体结构，其规格为：长a2为5mm，宽b2为5mm，高c2为100mm。支撑体远离矩形体座的一端设置有容置槽，容置槽为半径为2.5mm的半圆形结构，以用于放置钢球。

本申请还提供一种双扭试验装置，包括如上述实施例中任一的一种双扭试验模具、加载模块、图像采集模块以及控制处理模块；加载模块用于对试样100施加载荷，以使试样100进行裂纹扩展；图像采集模块用于接收反射面反射的试样100裂纹动态扩展图像信息；控制处理模块的输入端与图像采集模块的输出端电连接。

在上述实施例中，加载模块用于对试样100进行裂纹扩展加载；示例性的，压加载模块可以为压力机，压力机包括控制主机和压力冲头等，压力冲头上也嵌有两粒钢珠，以确保与试样100点接触。图像采集模块用于接收反射面反射的试样100裂纹动态扩展图像信息；示例性的，图像采集模块可以为摄像机。控制处理模块包括控制处理器及显示屏，显示屏与控制处理器电连接。使用过程中，利用图像采集模块以获取试样100在受到压力作用后，采集裂缝动态扩展变化的图像数据，并将图像数据发送至控制处理器，通过控制处理器将其传递至显示屏，利用显示屏以显示出结果，以方便直观获取其实验图像。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。