SHPB測(cè)試技術(shù)在采礦工程教學(xué)中應(yīng)用
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摘要：分離式霍普金森壓桿（shpb）是沖擊動(dòng)力學(xué)推薦測(cè)試設(shè)備之一，該文對(duì)其在采礦工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。介紹了SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及基本原理，闡明了實(shí)驗(yàn)操作流程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，指出SHPB實(shí)驗(yàn)對(duì)操作規(guī)范的嚴(yán)格要求。同時(shí)對(duì)SHPB實(shí)驗(yàn)的相關(guān)前沿發(fā)展做了拓展延伸，分析了同步高速攝像和微觀損傷測(cè)試與SHPB相結(jié)合的情況，有助于多學(xué)科之間的交叉融合，有利于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：采礦工程；霍普金森壓桿；動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；煤巖；實(shí)驗(yàn)教學(xué)
煤礦生產(chǎn)過程中采煤機(jī)割煤、鉆孔施工、深孔爆破、動(dòng)力災(zāi)害顯現(xiàn)等均與動(dòng)載沖擊密切相關(guān)[1-2]，研究沖擊荷載作用下煤巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)對(duì)保證煤炭資源安全高效開采具有重要工程意義。掌握礦山巖體力學(xué)的基本理論也是采礦工程專業(yè)的核心培養(yǎng)目標(biāo)，而巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)鞏固專業(yè)課基礎(chǔ)知識(shí)，提高學(xué)生綜合能力具有關(guān)鍵作用[3]。自Kolsky[4]提出分離式霍普金森壓桿（splittingHopkinsonpressurebar，SHPB）以來，SHPB測(cè)試技術(shù)在煤巖動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用取得了迅速發(fā)展。SHPB能夠滿足應(yīng)變率為10~103s–1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求，涵蓋了一般的機(jī)械沖擊、爆炸等動(dòng)載作用下的情況。SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有測(cè)量方法精巧、加載波形易控制等優(yōu)點(diǎn)，但由于涉及應(yīng)力波理論，理解難度大、實(shí)驗(yàn)步驟多、不易掌握?；诖?，本文將探索SHPB測(cè)試技術(shù)在采礦工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體應(yīng)用。
1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理介紹
1.1SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)、壓桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。我校深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括高壓氮?dú)馄?、氣壓控制閥、高壓氣室、發(fā)射腔等。測(cè)速系統(tǒng)包括測(cè)速電路、平行光源、計(jì)時(shí)儀等。壓桿系統(tǒng)由沖頭、入射桿、透射桿、吸能裝置等組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變片、接線橋盒、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、示波器等組成。
1.2實(shí)驗(yàn)原理
實(shí)驗(yàn)過程中子彈在高壓氣體的推動(dòng)下與入射桿產(chǎn)生碰撞，在入射桿中形成入射波。SHPB系統(tǒng)中應(yīng)力波傳播示意圖如圖2所示。當(dāng)入射波在入射桿中傳播到達(dá)試樣端面時(shí)，應(yīng)力波作用到試樣上，并在試樣-桿界面多次反射透射，造成試樣高速變形。實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備可記錄入射桿中向試樣傳播的應(yīng)力波、從試樣反射回來的應(yīng)力波及透射進(jìn)入試樣的應(yīng)力波。根據(jù)應(yīng)變電測(cè)法理論，對(duì)捕捉到的電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并轉(zhuǎn)化為應(yīng)變值，并基于一維應(yīng)力波理論和應(yīng)力均勻性假定[5]，計(jì)算試樣在沖擊過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率等值。在這種設(shè)計(jì)下的沖擊實(shí)驗(yàn)是可控、可量化的。利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可開展煤巖動(dòng)態(tài)壓縮、拉伸、斷裂力學(xué)特性測(cè)試，分析煤巖體沖擊動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、能量耗散、沖擊加載波形、應(yīng)變率效應(yīng)及應(yīng)力波傳播特性。
2SHPB實(shí)驗(yàn)教學(xué)重點(diǎn)分析
2.1實(shí)驗(yàn)操作流程
（1）試樣準(zhǔn)備：試樣直徑不大于壓桿直徑（本實(shí)驗(yàn)設(shè)備桿徑為50mm），試樣長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)，長(zhǎng)徑比過大會(huì)使試樣在整體未達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)就發(fā)生破壞。通常選用Φ50mm×25mm或Φ50mm×50mm兩種尺寸，且端面不平行度小于0.02mm。（2）桿系對(duì)中調(diào)整：以發(fā)射管軸線為基準(zhǔn)，通過水平尺和高度尺依次調(diào)整入射桿和透射桿，保證彈性桿為共軸撞擊，以滿足一維應(yīng)力波理論。（3）應(yīng)變片粘貼：沿入射桿和透射桿軸向分別粘貼兩片應(yīng)變片，使之位于壓桿同一橫截面，以保證二者測(cè)得信號(hào)的同步性。應(yīng)變片接線與橋盒相連（半橋或1/4橋），橋盒與超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀測(cè)得的波形信號(hào)通過示波器顯示記錄。（4）氣源準(zhǔn)備：以高壓氮?dú)庾鳛閯?dòng)力源，通過調(diào)節(jié)減壓閥控制工作氣體壓力。在試樣部分安裝安全防護(hù)裝置，以免試樣破碎產(chǎn)生飛濺，保護(hù)實(shí)驗(yàn)人員和設(shè)備安全。（5）數(shù)據(jù)采集：校準(zhǔn)應(yīng)變儀，打開計(jì)時(shí)器，使示波器處于等待觸發(fā)狀態(tài)。將子彈推進(jìn)到發(fā)射腔的固定位置，發(fā)射子彈，保存數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，評(píng)估是否滿足應(yīng)力平衡，重新開始裝樣測(cè)試。實(shí)驗(yàn)操作流程如圖3所示?？梢钥闯?，SHPB實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作環(huán)節(jié)較多，每一個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大影響，對(duì)操作規(guī)范性也有嚴(yán)格要求，并且實(shí)驗(yàn)過程具有一定危險(xiǎn)性?？刹捎娩浿浦v解視頻或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[6-8]形式，演示正確的操作方式或存在多組錯(cuò)誤甚至危險(xiǎn)的操作方式，幫助學(xué)生了解SHPB實(shí)驗(yàn)操作流程，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)際操作能力。
2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析
2.2.1對(duì)波分析。將粘貼在彈性桿上的應(yīng)變片測(cè)得的脈沖信號(hào)平移到試樣和桿的接觸斷面處，將測(cè)得的波進(jìn)行同步，對(duì)于數(shù)據(jù)處理具有關(guān)鍵作用。入射波的起點(diǎn)TI通過估計(jì)波形起跳點(diǎn)確定，基于估計(jì)的入射波時(shí)間起點(diǎn)，相應(yīng)的反射波TR和透射波TT分別按下式確定：式中，L0、L1和LS分別為入射桿、透射桿應(yīng)變片與試樣的距離及試樣長(zhǎng)度；CB和CS分別為彈性壓桿和試樣材料中獨(dú)立傳播的應(yīng)力波波速。2.2.2電壓和應(yīng)變的轉(zhuǎn)化。按照對(duì)臂工作電橋原理，可得到應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變值與輸出電壓之間的關(guān)系為：式中，K1為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，K2為應(yīng)變儀的放大系數(shù)，U0為電橋直流電壓，U為輸出電壓。通過式（3）即可將示波記錄儀所記錄的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為應(yīng)變信號(hào)。再采用三波法得到試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[9]：式中，Iε(t)、Rε(t)和Tε(t)分別是t時(shí)刻入射波、反射波、透射波在桿中傳播時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；A、E、c0分別是彈性壓桿的橫截面積、彈性模量、縱波波速；A0、l0分別是煤樣的橫截面積和原始長(zhǎng)度。2.2.3應(yīng)力平衡性分析。根據(jù)應(yīng)力波傳播基礎(chǔ)理論，在SHPB沖擊實(shí)驗(yàn)中，試樣在發(fā)生破壞前其內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到均勻性假定是實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠的前提。而應(yīng)力均勻化的條件是試樣兩端面的應(yīng)力平衡，但是根據(jù)應(yīng)力波在試件中的傳遞規(guī)律，兩端面應(yīng)力總是不相等的，一般認(rèn)為兩端面的應(yīng)力差小于試樣中應(yīng)力的5%時(shí)就達(dá)到了應(yīng)力平衡。參考宮鳳強(qiáng)等[10]的研究成果，采用應(yīng)力平衡因子η定量描述應(yīng)力平衡效果：由圖4可見，應(yīng)力平衡因子在初始段有一定波動(dòng)調(diào)整，隨著應(yīng)力波的傳播，上升沿和峰值處應(yīng)力平衡因子基本保持不變，試樣兩端達(dá)到應(yīng)力平衡狀態(tài)，試樣破壞前滿足應(yīng)力均勻化條件，表明所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性。學(xué)生通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可進(jìn)一步加深對(duì)SHPB測(cè)試原理的了解，并使他們熟練運(yùn)用Excel、Origin等軟件。對(duì)編程感興趣的學(xué)生，可嘗試使用MATLAB編程，提高數(shù)據(jù)處理效率。
3SHPB實(shí)驗(yàn)教學(xué)拓展延伸
3.1SHPB+高速攝像
由于沖擊實(shí)驗(yàn)在瞬時(shí)完成（通常小于1ms），所以不能近距離觀察實(shí)驗(yàn)過程，使得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。高速攝像機(jī)能以很高的頻率記錄動(dòng)態(tài)圖像（84000~100000fps），可在很短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣（見圖5）。高速攝像技術(shù)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等優(yōu)點(diǎn)，目前已在SHPB測(cè)試中得到推廣應(yīng)用，并可通過相關(guān)數(shù)字圖像處理技術(shù)（DIC）獲取試樣的全場(chǎng)變形[11-12]。需要說明的是，高速攝像獲取的圖像數(shù)據(jù)內(nèi)存很大，如采用人工逐幀比對(duì)方式調(diào)取圖像，工作量大且易造成誤差。因此可將彈性桿應(yīng)變片與高速相機(jī)連入同一個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，同步采集應(yīng)變片的電壓信號(hào)和試樣變形破壞圖像。這樣就可計(jì)算應(yīng)力波傳播時(shí)間，掌握拍攝圖像與透射波接收信號(hào)的時(shí)間差值，找出各沖擊過程對(duì)應(yīng)的圖像畫面。借助物像同步分析可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀清晰，而將試樣高速變形過程與圖像信息相結(jié)合，則有助于學(xué)生分析煤巖變形破壞過程的力學(xué)機(jī)理，加深他們對(duì)沖擊破壞過程的理解。
3.2SHPB+損傷測(cè)試
采礦工程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的學(xué)科，不僅要求學(xué)生重視理論知識(shí)學(xué)習(xí)，還要求學(xué)生理解如何將理論知識(shí)服務(wù)于工程實(shí)際應(yīng)用。隨著煤礦開采向深部進(jìn)行，煤巖賦存環(huán)境具有高應(yīng)力、高地溫、高滲透壓以及資源開采時(shí)強(qiáng)擾動(dòng)等特點(diǎn)，煤礦安全開采面臨極大挑戰(zhàn)。常規(guī)的單軸沖擊不能反映煤巖真實(shí)受力狀態(tài)，需要可施加圍壓的SHPB系統(tǒng)以滿足深部煤巖動(dòng)力學(xué)測(cè)試要求。三軸圍壓作用下煤巖整體性保持較好，損傷破裂程度明顯低于單軸沖擊，但隨著子彈沖擊速度的提高，其內(nèi)部損傷必然加劇。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于試樣被限制在圍壓腔體中，難以觀測(cè)到試樣的沖擊破壞過程，也難以定量判定損傷程度。但在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)明確爆破震動(dòng)下周邊圍巖損傷范圍、探測(cè)巷道松動(dòng)圈等對(duì)安全生產(chǎn)具有重要意義。因此，以損傷理論為指導(dǎo)，尋找表征破裂集結(jié)的特征物理量，統(tǒng)計(jì)分析微破裂的演化過程，是煤巖損傷力學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。隨著超聲波、CT斷層掃描（見圖6）技術(shù)在無損測(cè)試方面的應(yīng)用不斷成熟[13-15]，SHPB+損傷測(cè)試是研究沖擊荷載下煤巖的損傷程度的可行方法。
4結(jié)語(yǔ)
SHPB測(cè)試技術(shù)在煤巖動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，并且仍處于不斷發(fā)展中。在此基礎(chǔ)上開發(fā)相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置，還原深部多物理場(chǎng)耦合作用的復(fù)雜賦存環(huán)境，是極具挑戰(zhàn)性的課題。通過講解、演示SHPB測(cè)試技術(shù)原理、操作流程以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，在采礦工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將基礎(chǔ)理論與研究熱點(diǎn)聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生思考探索更多的“SHPB+”，有助于多學(xué)科之間的交叉融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。
作者:焦振華 崔智麗 袁秋鵬 單位:安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院