用于研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用的实验加载系统及方法

摘要

本发明公开了一种用于研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用的实验加载系统及方法，通过落锤自由下落击中冲击头，冲击头对试件施加冲击荷载，使试件起裂产生运动裂纹；在落锤与冲击头接触的瞬间，产生一个电信号，电信号通过信号线传递到自动跟踪式同步机，自动跟踪式同步机发出触发信号至多通道脉冲点火器；自动跟踪式同步机收到电信号到发出触发信号的间隔时间可以预先设置；多通道脉冲点火器接到触发信号后立即放电，在起爆线连接的起爆探针尖端放电，引爆药包中的炸药，产生爆炸应力波；所述实验加载系统在运动裂纹扩展的不同时期引爆一个或多个药包，多个药包爆破的间隔时间也可人工设置，满足不同的实验要求。

说明书

技术领域

本发明涉及断裂力学研究领域的爆破测试实验系统，尤其涉及一种研究爆炸应力波和运动裂纹相互作用机理的实验加载系统及方法。

背景技术

钻眼爆破技术在露天矿和深部矿井、道路建设、隧道和立井开挖中有着广泛的应用。爆破作用是一个瞬间完成的高温、高压和高速过程。绝大部分被爆介质——岩石材料是亿万年自然沉积形成的，存在不同阶次随机分布的孔隙和裂纹；在宏观上，天然岩体是非均质、非弹性、各向异性的材料。由于地质构造运动和其它应力的作用，天然岩体被各种地质结构面—节理、裂隙、断层所切割。由于岩体中存在大量的地质缺陷，如裂纹、断裂面、节理、断层、孔洞等，岩石在爆炸荷载作用下表现出复杂的物理力学过程，从而使这一问题的研究变得异常复杂和困难。

近几年来，随着科学技术的不断进步，科研工作者通过先进的实验设备如高速摄影仪等对爆破瞬间岩体所产生的各种现象如应变、应力、破裂等的观测，对岩石的爆破破坏机理的研究取得了一定的成果，对实际工程应用具有一定指导意义和实用价值。但是岩体中赋存着大量裂隙和弱面，因而在工程爆破中常涉及爆炸应力波与这些间断面的作用。由于火工品的精度和延时起爆技术，必然导致部分炮孔先起爆、部分炮孔后起爆，这样就必然存在先爆炮孔产生的裂纹与后爆炮孔产生的应力波的相互作用以及爆生主裂纹相互贯通等问题。然而目前关于爆炸应力波与运动裂纹相互作用的实验和研究相对较少。因此，有必要对爆炸应力波与运动裂纹相互作用的过程和机理、应力波对运动裂纹扩展规律的影响等问题进行研究。这对于优化爆破参数、改进爆破工艺以及断裂动力学理论的发展等都具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种可研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用的爆炸加载实验系统。该系统能在实验试件裂纹扩展的过程中对试件施加爆炸荷载，使爆炸应力波作用于运动裂纹，同时可以利用延时起爆技术控制爆炸应力波作用于裂纹的时间，并且可以通过改变炸药药包装药量、药包位置、药包数量、不同药包起爆时间等因素来改变应力波强度、应力波入射角、应力波叠加效应等实验条件，从而研究不同条件下爆炸应力波与运动裂纹的作用机理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

用于研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用的实验加载系统，通过落锤自由下落击中冲击头，冲击头对试件施加冲击荷载，使试件起裂产生运动裂纹；在落锤与冲击头接触的瞬间，产生一个电信号，电信号通过信号线传递到自动跟踪式同步机，自动跟踪式同步机发出触发信号至多通道脉冲点火器；自动跟踪式同步机收到电信号到发出触发信号的间隔时间可以预先设置；多通道脉冲点火器接到触发信号后立即放电，在起爆线连接的起爆探针尖端放电，引爆药包中的炸药，产生爆炸应力波；所述实验加载系统在运动裂纹扩展的不同时期引爆一个或多个药包，多个药包爆破的间隔时间也可人工设置，满足不同的实验要求。

所述的实验加载系统，所述实验加载系统包括支架(14)、冲击头(1)、落锤(2)、夹具(12)、试件(13)、炸药药包(16)，支架(14)上设置横梁，冲击头(1)一端带有尖锐部，冲击头(1)穿过该横梁上的通孔，所述尖锐部与试件(13)接触；支架(14)上还设置有竖直轨道，落锤(2)与竖直轨道配合，可以沿竖直轨道向下运动对冲击头(1)进行冲击，在试样上制造运动裂纹；试件(13)上根据需要设置一到多个炮孔；夹具(12)的固定端头(11)夹在试件(13)中的炸药药包(16)两侧，将试件(13)调整到合适的位置并进行固定，保证试件(13)的稳定性和炸药药包(16)的密封性；起爆探针(10)的尖端插入炸药药包(16)，然后将炸药药包(16)插入试件(13)的炮孔中；冲击头(1)、落锤(2)通过导线及信号线连接到自动跟踪式同 步机的触发靶端口，在落锤下落击中冲击头之前，信号线保持断路状态；落锤击中冲击头时，信号线与落锤、冲击头形成一条闭合通路，此时自动跟踪式同步机收到触发信号；自动跟踪式同步机接到触发信号后，经过预先设定的一段延时时间后再向多通道脉冲点火器发出脉冲信号，多通道脉冲点火器放电引爆炸药药包(16)。

所述的实验加载系统，为了增加落锤的冲击力，落锤(2)顶部固定放置一到多个砝码(3)。

所述的实验加载系统，所述的落锤和冲击头均用金属制成，在两者接触的瞬间会形成电路通路，产生电信号传递给自动跟踪式同步机。

所述的实验加载系统，炸药药包(16)高度与试件(13)厚度相同，炸药药包(16)外径与试件(13)的炮孔直径相同。

所述的实验加载系统，如果试件中有多个炮孔，需要设置相应数量的夹具及固定端头固定药包，夹具的尺寸可根据药包的位置确定。

所述的实验加载系统，自动跟踪式同步机有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间。

根据任一所述的实验加载系统研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用的方法，包括以下步骤：

首先，用信号线连接自动跟踪式同步机和多通道脉冲点火器，并在多通道脉冲点火器相应的放电通道接上信号线；

然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，将炸药药包装入试件炮孔中；

之后，设置自动跟踪式同步机的电压输出幅度以及各控制通道延时的时间，把试件固定在夹具上；

最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，将一根信号线的一端与自动跟踪式同步机的触发靶端口连接，另一端同时连接落锤和冲击头，打开自动跟踪式同步机和多通道脉冲点火器，使落锤自由下落即可。

本发明的用于研究爆炸应力波与运动裂纹作用机理的实验加载系统，能够研究不同 强度、不同入射角、不同叠加情况的爆炸应力波对运动裂纹扩展规律的影响，爆炸应力波在运动裂纹尖端的绕射、反射、散射情况，在裂纹扩展过程中的不同阶段爆炸应力波对运动裂纹的影响，以及运动裂纹尖端在爆炸应力波影响下的应变、应力场变化情况，并在此基础上对爆破破岩理论进行更深入的研究。

系统利用金属制成的落锤和冲击头发生接触来触发自动跟踪式同步机，操作简便，可靠性高。将信号线一端连接自动跟踪式同步机的触发靶端口，另一端引出两根导线分别连接落锤和冲击头，在落锤下落击中冲击头之前，信号线保持断路状态。落锤击中冲击头时，信号线与落锤、冲击头形成一条闭合通路，此时自动跟踪式同步机收到触发信号。运动裂纹的扩展速度一般为300m/s左右，落锤击中冲击头使试件受到冲击荷载作用到试件起裂也需要数十微秒时间。而爆炸应力波的速度一般为2000m/s左右，远远大于裂纹扩展速度为了保证爆炸应力波与运动裂纹能够发生相互作用，必须严格控制试件受到冲击荷载与炸药爆炸产生爆炸应力波之间的间隔时间。因此系统采用自动跟踪式同步机作为延时控制设备，在它接到触发信号后，经过预先设定的一段延时时间后再向多通道脉冲点火器发出脉冲信号。自动跟踪式同步机有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间，完全满足爆破实验的精度要求，而且抗干扰能力强，操作方便，能够保证系统的可靠性和实验的成功率。系统利用多通道脉冲点火器放电引爆药包，可以在一次实验中引爆一个或多个药包，具有很大灵活性，能够满足不同实验要求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理图；

图2为本发明的试件固定示意图；

图3为本发明的装药方式示意图；

图中：1冲击头、2落锤、3砝码、4导线、5信号线a、6自动跟踪式同步机、7信号线b、8多通道脉冲点火器、9信号线c、10起爆探针、11固定端头、12夹具、13试件、14支架、15螺栓、16炸药药包。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1-3，研究爆炸应力波与运动裂纹相互作用机理的实验加载系统包括支架14、冲击头1、落锤2，支架14上设置横梁，冲击头1一端带有尖锐部，冲击头1穿过该横梁上的通孔，所述尖锐部与试件13接触；支架14上还设置有竖直轨道，落锤2与竖直轨道配合，可以沿竖直轨道向下运动对冲击头1进行冲击，在试样上制造运动裂纹，为了增加落锤的冲击力，落锤2顶部可以固定放置一到多个砝码3；试件13上根据需要设置一到多个炮孔，炸药药包16高度与试件13厚度相同，炸药药包16外径与试件13的炮孔直径相同。

起爆探针10的尖端插入炸药药包16，用砂纸打磨起爆探针10的末端。然后将炸药药包16插入试件13的炮孔中。

将夹具12的固定端头11夹在试件13中的炸药药包16两侧，将试件13调整到合适的位置，拧动螺栓15对试件13进行固定，以保证试件13的稳定性和炸药药包16的密封性。

如果试件中有多个炮孔，需要设置相应数量的夹具及固定端头固定药包，夹具的尺寸可根据药包的位置确定。

冲击头1、落锤2通过导线及信号线连接到自动跟踪式同步机的触发靶端口，在落锤下落击中冲击头之前，信号线保持断路状态。落锤击中冲击头时，信号线与落锤、冲击头形成一条闭合通路，此时自动跟踪式同步机收到触发信号；自动跟踪式同步机接到触发信号后，经过预先设定的一段延时时间后再向多通道脉冲点火器发出脉冲信号，多通道脉冲点火器放电引爆炸药药包16。

自动跟踪式同步机有多个信号输出端口，一次能够自由设置多个延时时间，以μs级的精度控制延时时间，完全满足爆破实验的精度要求，而且抗干扰能力强，操作方便，能够保证系统的可靠性和实验的成功率。

本发明的用于研究爆炸应力波与运动裂纹作用机理的实验加载系统，其具体操作方法是：

首先，用信号线连接自动跟踪式同步机和多通道脉冲点火器，并在多通道脉冲点火 器相应的放电通道接上信号线；

然后，根据实验需要在炸药药包中装入一定量的炸药，并用漆包线做成起爆探针，将探针尖端插入炸药中，将炸药药包装入试件炮孔中，根据实验需要在落锤上放置砝码；

之后，设置自动跟踪式同步机的电压输出幅度以及各控制通道延时的时间，把试件固定在夹具上。

最后，将多通道脉冲点火器放电通道的信号线与起爆探针末端连接，将一根信号线的一端与自动跟踪式同步机的触发靶端口连接，另一端同时连接落锤和冲击头，打开自动跟踪式同步机和多通道脉冲点火器，使落锤自由下落即可。

所述的落锤和冲击头均用金属制成，在两者接触的瞬间会形成电路通路，产生电信号传递给自动跟踪式同步机。

所述的自动跟踪式同步机可达到微秒级的精度设置延时时间间隔，满足爆破实验的精度要求。

所述的多通道脉冲点火器可以一次引爆一个或多个药包。

以裂纹起裂后延时100μs引爆一个药包为例进行说明。

如图1、2、3所示，具体步骤包括：

步骤一、在炸药药包16中装药。参照图2-图3，根据需要的爆破参数，如装药质量、装药密度等，用天平称量适量的炸药，装入圆柱形炸药药包16。炸药药包16高度与试件13厚度相同，炸药药包16外径与试件13的炮孔直径相同。将起爆探针10的尖端插入炸药药包16，用砂纸打磨起爆探针10的末端。然后将炸药药包16插入试件13的炮孔中。

步骤二、固定试件13。参照图2-图3，将夹具12的固定端头11夹在试件13中的炸药药包16两侧，将试件13调整到合适的位置，拧动螺栓15对试件13进行固定，以保证试件13的稳定性和炸药药包16的密封性。

步骤三、参照图1，根据实验需要，在落锤2上添加适当重量的砝码3，然后在落锤2和冲击头1上各连接一根导线4，把两根导线的另一端都接到信号线5的同一端，再将信号线5的另一端与自动同步式跟踪机6的触发靶端口连接。

步骤四、将信号线7一端连接自动跟踪式同步机6的1号信号输出端口，另一端连接多通道脉冲点火器8的1号信号输入端口。在多通道脉冲点火器8相应的1号放电通道端口接上信号线9。信号线9的另一端与试件上起爆探针10的末端连接。

步骤五、打开自动跟踪式同步机6，先按下“复位”按钮恢复仪器初始设置，再将输出电压幅度调整为5V，触发方式设置为单靶触发，1号信号输出端口延时时间设置为100μs。然后打开多通道脉冲点火器，接着打开1号放电通道的开关。

步骤六、使落锤2自由下落，击中冲击头1，对试件13施加冲击荷载，使试件13开裂。落锤2击中冲击头1时，在信号线5中形成闭合电路，产生电信号触发自动跟踪式同步机6。100μs后，自动跟踪式同步机6传递脉冲信号触发多通道脉冲点火器8，使多通道脉冲点火器8放电引爆炸药药包16，在试件13中产生爆炸应力波。然后依次关闭1号放电通道、多通道脉冲点火器8、自动跟踪式同步机6的开关。在落锤2击中冲击头1的同时，可以使用高速摄影仪、高速纹影设备、超动态应变测试仪、DIC系统、动态光弹性光路系统、数字动态焦散线光路系统等设备对运动裂纹扩展过程中试件所产生的各种现象如应变、应力、破裂等进行观测、记录。据此研究运动裂纹尖端区域应力强度因子、应力、应变场的变化规律，整个试件全场的应力分布、变化规律，裂纹尖端应力波的绕射、散射规律，从而进一步分析爆炸应力波与运动裂纹的相互作用机理。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。