SHPB測試技術在采礦工程教學中應用

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摘要：分離式霍普金森壓桿（shpb）是沖擊動力學推薦測試設備之一，該文對其在采礦工程力學實驗教學中的應用進行了探討。介紹了SHPB實驗系統(tǒng)組成及基本原理，闡明了實驗操作流程和實驗數(shù)據(jù)處理方法，指出SHPB實驗對操作規(guī)范的嚴格要求。同時對SHPB實驗的相關前沿發(fā)展做了拓展延伸，分析了同步高速攝像和微觀損傷測試與SHPB相結合的情況，有助于多學科之間的交叉融合，有利于提升學生的綜合素質和創(chuàng)新能力。

關鍵詞：采礦工程；霍普金森壓桿；動態(tài)力學性能；煤巖；實驗教學

煤礦生產過程中采煤機割煤、鉆孔施工、深孔爆破、動力災害顯現(xiàn)等均與動載沖擊密切相關[1-2]，研究沖擊荷載作用下煤巖動態(tài)力學性質對保證煤炭資源安全高效開采具有重要工程意義。掌握礦山巖體力學的基本理論也是采礦工程專業(yè)的核心培養(yǎng)目標，而巖石力學實驗教學對鞏固專業(yè)課基礎知識，提高學生綜合能力具有關鍵作用[3]。自Kolsky[4]提出分離式霍普金森壓桿（splittingHopkinsonpressurebar，SHPB）以來，SHPB測試技術在煤巖動力學研究領域的應用取得了迅速發(fā)展。SHPB能夠滿足應變率為10~103s–1范圍內的動態(tài)力學實驗要求，涵蓋了一般的機械沖擊、爆炸等動載作用下的情況。SHPB實驗系統(tǒng)具有測量方法精巧、加載波形易控制等優(yōu)點，但由于涉及應力波理論，理解難度大、實驗步驟多、不易掌握。基于此，本文將探索SHPB測試技術在采礦工程力學實驗教學中的具體應用。

1實驗系統(tǒng)及原理介紹

1.1SHPB實驗系統(tǒng)

SHPB實驗系統(tǒng)主要由加載驅動系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、壓桿系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。我校深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室的SHPB實驗系統(tǒng)如圖1所示。加載驅動系統(tǒng)包括高壓氮氣瓶、氣壓控制閥、高壓氣室、發(fā)射腔等。測速系統(tǒng)包括測速電路、平行光源、計時儀等。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)由應變片、接線橋盒、超動態(tài)應變儀、示波器等組成。

1.2實驗原理

實驗過程中子彈在高壓氣體的推動下與入射桿產生碰撞，在入射桿中形成入射波。SHPB系統(tǒng)中應力波傳播示意圖如圖2所示。當入射波在入射桿中傳播到達試樣端面時，應力波作用到試樣上，并在試樣-桿界面多次反射透射，造成試樣高速變形。實驗測試設備可記錄入射桿中向試樣傳播的應力波、從試樣反射回來的應力波及透射進入試樣的應力波。根據(jù)應變電測法理論，對捕捉到的電壓信號進行計算，并轉化為應變值，并基于一維應力波理論和應力均勻性假定[5]，計算試樣在沖擊過程中的應力、應變和應變率等值。在這種設計下的沖擊實驗是可控、可量化的。利用該實驗系統(tǒng)可開展煤巖動態(tài)壓縮、拉伸、斷裂力學特性測試，分析煤巖體沖擊動態(tài)強度、能量耗散、沖擊加載波形、應變率效應及應力波傳播特性。

2SHPB實驗教學重點分析

2.1實驗操作流程

（1）試樣準備：試樣直徑不大于壓桿直徑（本實驗設備桿徑為50mm），試樣長度不宜過長，長徑比過大會使試樣在整體未達到應力平衡時就發(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）桿系對中調整：以發(fā)射管軸線為基準，通過水平尺和高度尺依次調整入射桿和透射桿，保證彈性桿為共軸撞擊，以滿足一維應力波理論。（3）應變片粘貼：沿入射桿和透射桿軸向分別粘貼兩片應變片，使之位于壓桿同一橫截面，以保證二者測得信號的同步性。應變片接線與橋盒相連（半橋或1/4橋），橋盒與超動態(tài)應變儀連接，超動態(tài)應變儀測得的波形信號通過示波器顯示記錄。（4）氣源準備：以高壓氮氣作為動力源，通過調節(jié)減壓閥控制工作氣體壓力。在試樣部分安裝安全防護裝置，以免試樣破碎產生飛濺，保護實驗人員和設備安全。（5）數(shù)據(jù)采集：校準應變儀，打開計時器，使示波器處于等待觸發(fā)狀態(tài)。將子彈推進到發(fā)射腔的固定位置，發(fā)射子彈，保存數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，評估是否滿足應力平衡，重新開始裝樣測試。實驗操作流程如圖3所示?？梢钥闯?，SHPB實驗準備工作環(huán)節(jié)較多，每一個環(huán)節(jié)都對測試結果有較大影響，對操作規(guī)范性也有嚴格要求，并且實驗過程具有一定危險性?？刹捎娩浿浦v解視頻或虛擬仿真實驗教學[6-8]形式，演示正確的操作方式或存在多組錯誤甚至危險的操作方式，幫助學生了解SHPB實驗操作流程，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和實際操作能力。

2.2實驗數(shù)據(jù)處理分析

2.2.1對波分析。將粘貼在彈性桿上的應變片測得的脈沖信號平移到試樣和桿的接觸斷面處，將測得的波進行同步，對于數(shù)據(jù)處理具有關鍵作用。入射波的起點TI通過估計波形起跳點確定，基于估計的入射波時間起點，相應的反射波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、透射桿應變片與試樣的距離及試樣長度；CB和CS分別為彈性壓桿和試樣材料中獨立傳播的應力波波速。2.2.2電壓和應變的轉化。按照對臂工作電橋原理，可得到應變片測量的應變值與輸出電壓之間的關系為：式中，K1為應變片的靈敏系數(shù)，K2為應變儀的放大系數(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轉化為應變信號。再采用三波法得到試樣的動態(tài)應力應變關系[9]：式中，Iε(t)、Rε(t)和Tε(t)分別是t時刻入射波、反射波、透射波在桿中傳播時所對應的應變；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度。2.2.3應力平衡性分析。根據(jù)應力波傳播基礎理論，在SHPB沖擊實驗中，試樣在發(fā)生破壞前其內部應力達到均勻性假定是實驗結果可靠的前提。而應力均勻化的條件是試樣兩端面的應力平衡，但是根據(jù)應力波在試件中的傳遞規(guī)律，兩端面應力總是不相等的，一般認為兩端面的應力差小于試樣中應力的5%時就達到了應力平衡。參考宮鳳強等[10]的研究成果，采用應力平衡因子η定量描述應力平衡效果：由圖4可見，應力平衡因子在初始段有一定波動調整，隨著應力波的傳播，上升沿和峰值處應力平衡因子基本保持不變，試樣兩端達到應力平衡狀態(tài)，試樣破壞前滿足應力均勻化條件，表明所得實驗結果具有一定的可靠性。學生通過對實驗數(shù)據(jù)進行分析，可進一步加深對SHPB測試原理的了解，并使他們熟練運用Excel、Origin等軟件。對編程感興趣的學生，可嘗試使用MATLAB編程，提高數(shù)據(jù)處理效率。

3SHPB實驗教學拓展延伸

3.1SHPB+高速攝像

由于沖擊實驗在瞬時完成（通常小于1ms），所以不能近距離觀察實驗過程，使得實驗現(xiàn)象不明顯。高速攝像機能以很高的頻率記錄動態(tài)圖像（84000~100000fps），可在很短時間內完成對高速目標的快速、多次采樣（見圖5）。高速攝像技術具有實時目標捕獲、圖像快速記錄、即時回放、圖像直觀清晰等優(yōu)點，目前已在SHPB測試中得到推廣應用，并可通過相關數(shù)字圖像處理技術（DIC）獲取試樣的全場變形[11-12]。需要說明的是，高速攝像獲取的圖像數(shù)據(jù)內存很大，如采用人工逐幀比對方式調取圖像，工作量大且易造成誤差。因此可將彈性桿應變片與高速相機連入同一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，同步采集應變片的電壓信號和試樣變形破壞圖像。這樣就可計算應力波傳播時間，掌握拍攝圖像與透射波接收信號的時間差值，找出各沖擊過程對應的圖像畫面。借助物像同步分析可使實驗結果更加直觀清晰，而將試樣高速變形過程與圖像信息相結合，則有助于學生分析煤巖變形破壞過程的力學機理，加深他們對沖擊破壞過程的理解。

3.2SHPB+損傷測試

采礦工程是一門實踐性較強的學科，不僅要求學生重視理論知識學習，還要求學生理解如何將理論知識服務于工程實際應用。隨著煤礦開采向深部進行，煤巖賦存環(huán)境具有高應力、高地溫、高滲透壓以及資源開采時強擾動等特點，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)以滿足深部煤巖動力學測試要求。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，其內部損傷必然加劇。在實驗過程中，由于試樣被限制在圍壓腔體中，難以觀測到試樣的沖擊破壞過程，也難以定量判定損傷程度。但在生產現(xiàn)場明確爆破震動下周邊圍巖損傷范圍、探測巷道松動圈等對安全生產具有重要意義。因此，以損傷理論為指導，尋找表征破裂集結的特征物理量，統(tǒng)計分析微破裂的演化過程，是煤巖損傷力學的重要研究內容。隨著超聲波、CT斷層掃描（見圖6）技術在無損測試方面的應用不斷成熟[13-15]，SHPB+損傷測試是研究沖擊荷載下煤巖的損傷程度的可行方法。

4結語

SHPB測試技術在煤巖動力學領域具有廣泛應用，并且仍處于不斷發(fā)展中。在此基礎上開發(fā)相關實驗裝置，還原深部多物理場耦合作用的復雜賦存環(huán)境，是極具挑戰(zhàn)性的課題。通過講解、演示SHPB測試技術原理、操作流程以及實驗數(shù)據(jù)分析方法，在采礦工程力學實驗教學中將基礎理論與研究熱點聯(lián)系起來，引導學生思考探索更多的“SHPB+”，有助于多學科之間的交叉融合，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

作者:焦振華 崔智麗 袁秋鵬 單位:安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室 安徽理工大學力學與光電物理學院