本發(fā)明涉及巖石動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試，尤其涉及一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置及其使用方法。

背景技術(shù)：

1、天然巖體內(nèi)部存在大量的節(jié)理，節(jié)理巖石的動(dòng)力學(xué)特性很大程度決定了整個(gè)巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。研究節(jié)理巖石的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)于高效破巖、改善破巖效果、提高巷道掘進(jìn)速度有重要工程意義，亦對(duì)巖體地質(zhì)災(zāi)害防控有重要的理論指導(dǎo)意義。節(jié)理巖石動(dòng)力學(xué)特性研究往往借助分離式霍普金森壓桿（split?hopkinson?pressure?bar,?shpb）試驗(yàn)，shpb系統(tǒng)包括子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀等，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)子彈沖擊入射桿，進(jìn)而入射桿沖擊放置于入射桿和透射桿中間的節(jié)理巖樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)理巖樣的動(dòng)態(tài)沖擊從而研究節(jié)理巖樣的動(dòng)力學(xué)特性。動(dòng)力學(xué)特性包括動(dòng)強(qiáng)度特性、應(yīng)力波傳播特性、能量耗散特性等，其中能量耗散特性是需重點(diǎn)關(guān)注和研究?jī)?nèi)容之一。能量耗散是巖石發(fā)生變形和破壞的根本原因，分析能量耗散特性有助于認(rèn)識(shí)和理解節(jié)理巖石等脆性材料在動(dòng)荷載作用下變形破壞的本質(zhì)，對(duì)于爆破破巖降低炸藥單耗、沖擊荷載下高效破巖、提高能量利用效率具有重要意義。

2、shpb試驗(yàn)伴隨著能量的輸入、轉(zhuǎn)化和耗散，通過(guò)入射能減去反射能和透射能之和即為試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)理巖樣耗散的總能量。而節(jié)理巖樣耗散的總能量實(shí)際由三部分構(gòu)成，分別為破碎耗能、碎塊彈射的動(dòng)能以及耗散熱能，其中破碎耗能是用于節(jié)理巖樣產(chǎn)生裂紋及裂紋擴(kuò)展的能量，是嚴(yán)格意義上節(jié)理巖樣破壞吸收的能量。

3、破碎耗能與輸入能量的比值即為破巖能量利用率，由于破碎耗能難以測(cè)量，研究人員往往采用耗散的總能量與輸入能量的比值進(jìn)行研究分析，或?qū)⒑纳⒌目偰芰砍艘哉蹨p系數(shù)近似代替破碎耗能，而碎塊彈射的動(dòng)能數(shù)值不固定，其隨沖擊速度的變化而變化，因此采用以上簡(jiǎn)化方法進(jìn)行計(jì)算存在一定的誤差，導(dǎo)致計(jì)算的破巖能量利用率不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的計(jì)算破巖能量利用率準(zhǔn)確率較低的缺陷與問(wèn)題，提供一種準(zhǔn)確率較高的用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置及其使用方法。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置，所述裝置包括防護(hù)盒、加熱裝置、3d掃描儀、紅外熱成像儀，所述防護(hù)盒呈筒狀，所述防護(hù)盒的中心處開(kāi)設(shè)有用于容納節(jié)理巖樣的空腔，所述防護(hù)盒的前后兩端面分別開(kāi)設(shè)有與shpb系統(tǒng)中入射桿、透射桿相連接的孔洞，所述孔洞與所述空腔相連通，所述防護(hù)盒的外周面沿周向開(kāi)設(shè)有多個(gè)安裝孔，所述安裝孔內(nèi)滑動(dòng)連接有剛性棒，所述剛性棒的一端位于所述空腔內(nèi)且相對(duì)于節(jié)理巖樣布置，所述剛性棒的另一端位于所述防護(hù)盒的外側(cè)且連接有形狀記憶合金，所述形狀記憶合金的一端與所述防護(hù)盒的外周面相連接，所述加熱裝置與所述防護(hù)盒連接，所述3d掃描儀、紅外熱成像儀分別相對(duì)于所述防護(hù)盒布置；

3、所述加熱裝置，用于加熱變形后的形狀記憶合金使其恢復(fù)至原始狀態(tài)；

4、所述3d掃描儀，用于掃描shpb試驗(yàn)前后的防護(hù)盒外圍體積；

5、所述紅外熱成像儀，用于記錄shpb試驗(yàn)過(guò)程中防護(hù)盒內(nèi)的溫度變化。

6、所述加熱裝置包括多個(gè)加熱管，多個(gè)所述加熱管沿周向插接于所述防護(hù)盒的內(nèi)壁。

7、所述防護(hù)盒的外側(cè)設(shè)置有固定架，所述防護(hù)盒的兩端通過(guò)連接桿與所述固定架相連接，所述3d掃描儀沿所述防護(hù)盒的圓周方向活動(dòng)連接于所述固定架。

8、所述固定架包括底座以及兩個(gè)圓環(huán)，兩個(gè)所述圓環(huán)分別連接于所述底座的上側(cè)且同軸設(shè)置于所述防護(hù)盒的外部，兩個(gè)所述圓環(huán)上均滑動(dòng)連接有套環(huán)，兩個(gè)所述套環(huán)之間連接有轉(zhuǎn)動(dòng)桿，所述3d掃描儀安裝于所述轉(zhuǎn)動(dòng)桿的中部。

9、所述防護(hù)盒包括上半盒和下半盒，所述上半盒與下半盒的一側(cè)通過(guò)合頁(yè)互相連接，所述上半盒與下半盒的另一側(cè)扣合連接。

10、一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置的使用方法，所述使用方法包括以下步驟：

11、步驟一、將待測(cè)的節(jié)理巖樣置于shpb系統(tǒng)的入射桿和透射桿中部位置，將防護(hù)盒放置于節(jié)理巖樣外部，啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行沖擊節(jié)理巖樣，計(jì)算試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)理巖樣的總耗能；

12、步驟二、采用3d掃描儀掃描試驗(yàn)前后防護(hù)盒的外圍體積，并計(jì)算節(jié)理巖樣的碎塊彈射的動(dòng)能；

13、步驟三、對(duì)步驟二中計(jì)算的碎塊彈射的動(dòng)能進(jìn)行修正，修正后碎塊彈射的動(dòng)能為；

14、步驟四、采用紅外熱成像儀記錄試驗(yàn)過(guò)程中防護(hù)盒內(nèi)的溫度變化，并計(jì)算節(jié)理巖樣沖擊過(guò)程中的耗散熱能；

15、步驟五、依據(jù)能量守恒原理計(jì)算破碎耗能，計(jì)算公式如下：

16、；

17、步驟六、采用加熱裝置加熱防護(hù)盒，通過(guò)升溫以及熱傳導(dǎo)使得變形后的形狀記憶合金恢復(fù)至原始狀態(tài)，并進(jìn)行下一個(gè)節(jié)理巖樣的shpb試驗(yàn)。

18、所述步驟一中，試驗(yàn)過(guò)程中節(jié)理巖樣的總耗能的計(jì)算公式為：

19、；

20、；

21、；

22、；

23、式中：為shpb系統(tǒng)的入射桿的橫截面積；為shpb系統(tǒng)的入射桿的彈性模量；為在shpb系統(tǒng)的入射桿中傳播的縱波波速；為試驗(yàn)的時(shí)間；、、分別為shpb系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀記錄的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變，為入射能，為反射能，為透射能。

24、所述步驟二中，節(jié)理巖樣的碎塊彈射的動(dòng)能的計(jì)算公式為：

25、；

26、其中，為全部剛性棒的個(gè)數(shù)，為單個(gè)形狀記憶合金的變形剛度，為全部剛性棒橫截面積總和，為防護(hù)盒的體積變化量。

27、所述步驟四中，節(jié)理巖樣沖擊過(guò)程中的耗散熱能的計(jì)算公式為：

28、；

29、其中，為節(jié)理巖樣的質(zhì)量，為節(jié)理巖樣的比熱容，為防護(hù)盒內(nèi)的溫度變化值。

30、所述修正后碎塊彈射的動(dòng)能的計(jì)算公式為：

31、；

32、；

33、其中，、分別為所有剛性棒靠近節(jié)理巖樣的一端所圍成的圓柱體空腔的直徑、高度，為安裝孔內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，為剛性棒的總自重，為全部剛性棒橫截面積總和，為防護(hù)盒的體積變化量，為修正系數(shù)。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

35、1、本發(fā)明一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置及其使用方法中，通過(guò)設(shè)置形狀記憶合金、剛性棒，防護(hù)盒可以防止節(jié)理巖樣碎塊濺射到外部，起到一定的保護(hù)作用，節(jié)理巖樣在受沖擊過(guò)程中會(huì)發(fā)生破碎且碎塊會(huì)撞擊剛性棒并推動(dòng)剛性棒向外移動(dòng)，由于剛性棒與形狀記憶合金相連，故會(huì)導(dǎo)致形狀記憶合金發(fā)生變形，即將受沖擊過(guò)程中節(jié)理巖樣碎塊彈射的動(dòng)能巧妙轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文埽偻ㄟ^(guò)3d掃描儀掃描將變形能具象化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)理巖樣碎塊彈射的動(dòng)能的定量計(jì)算，同時(shí)采用紅外熱成像儀獲取防護(hù)盒內(nèi)的溫度變化，從而可以準(zhǔn)確獲取shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣受沖擊破壞時(shí)的碎塊彈射的動(dòng)能以及耗散熱能，可以有效提高破巖能量利用率計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，本發(fā)明安全性較高、計(jì)算準(zhǔn)確性較高。

36、2、本發(fā)明一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置及其使用方法中，通過(guò)設(shè)置加熱管，加熱管通過(guò)升溫使變形后的形狀記憶合金恢復(fù)至原始狀態(tài)，可以使本裝置重復(fù)使用，提高利用率；通過(guò)設(shè)置固定架，3d掃描儀可在固定架上沿固定架的中心作圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)全面均勻掃描防護(hù)盒外周的效果；防護(hù)盒采用合頁(yè)連接的方式，在試驗(yàn)結(jié)束后，可通過(guò)打開(kāi)防護(hù)盒對(duì)防護(hù)盒內(nèi)部進(jìn)行清理以及更換組件。因此，本發(fā)明操作簡(jiǎn)單、使用方便、試驗(yàn)成本低。

37、3、本發(fā)明一種用于確定shpb試驗(yàn)中節(jié)理巖樣破碎耗能的裝置及其使用方法中，通過(guò)3d掃描儀掃描試驗(yàn)前后的防護(hù)盒外圍體積并計(jì)算體積變化量，考慮剛性棒移動(dòng)過(guò)程中其與安裝孔側(cè)壁摩擦作用導(dǎo)致的耗能，通過(guò)計(jì)算摩擦耗能對(duì)碎塊彈射的動(dòng)能進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)理巖樣碎塊彈射的動(dòng)能的定量計(jì)算，提高了計(jì)算結(jié)果的精度。因此，本發(fā)明操作方便、準(zhǔn)確度較高。