利用SHPB聯(lián)合測(cè)定巖石非線性系數(shù)及衰減系數(shù)的教學(xué)試驗(yàn)

丁海濱

［摘? ? ? ? ? ?要］? 利用分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）試驗(yàn)裝置測(cè)定了巖石的非線性系數(shù)和衰減系數(shù)，開設(shè)了自主探究性科研試驗(yàn)，讓學(xué)生掌握了測(cè)定巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)的理論知識(shí)，學(xué)習(xí)并實(shí)踐了SHPB系統(tǒng)進(jìn)行巖石動(dòng)力試驗(yàn)，了解了SHPB系統(tǒng)的工作原理，熟練掌握了SHPB試驗(yàn)設(shè)備操作及數(shù)據(jù)處理方法。通過該教學(xué)試驗(yàn)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生自主設(shè)計(jì)、實(shí)施試驗(yàn)的創(chuàng)新能力。

［關(guān)? ? 鍵? ?詞］? 分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）；巖石；非線性系數(shù)；衰減系數(shù)

［中圖分類號(hào)］? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?［文章編號(hào)］? 2096-0603（2023）16-0０81-04

顆粒材料（如巖石等）由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致其具有很明顯的動(dòng)力非線性特性[1-2]。同時(shí)，由于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有孔隙或裂紋等缺陷，導(dǎo)致彈性波在其內(nèi)傳播產(chǎn)生耗散[3-5]，通常采用衰減系數(shù)來表征。目前關(guān)于巖石非線性及波在其中傳播的衰減特性已有較多的研究。

關(guān)于巖石非線性的研究，大多集中于構(gòu)建對(duì)應(yīng)的理論非線性模型來分析巖石的非線性特性[6-8]，并通過試驗(yàn)結(jié)合波動(dòng)理論測(cè)得巖石的非線性系數(shù)[9]。波在巖石介質(zhì)中傳播的衰減特性研究的主要方法有直接測(cè)試法[10-11]、構(gòu)建理論模型[12-13]和數(shù)值模擬。然而，目前還沒有關(guān)于聯(lián)合測(cè)定巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)的相關(guān)研究。

分離式霍普金森沖擊壓桿（SHPB）系統(tǒng)是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的研究巖石沖擊動(dòng)力響應(yīng)的常用裝置系統(tǒng)[14-16]。本試驗(yàn)擬采用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，以巖石為試驗(yàn)材料，結(jié)合非線性理論和波動(dòng)理論實(shí)現(xiàn)聯(lián)合測(cè)定巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)的目的。本試驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)理論模型獨(dú)立設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、獨(dú)立開展試驗(yàn)的能力，同時(shí)使學(xué)生學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理工作，培養(yǎng)其科研思維能力。

本試驗(yàn)幫助學(xué)生進(jìn)一步掌握SHPB試驗(yàn)原理及試驗(yàn)操作方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，可為今后學(xué)生從事相關(guān)的工作奠定基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)教學(xué)符合國(guó)家倡導(dǎo)的將大型的試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，發(fā)揮試驗(yàn)設(shè)備的價(jià)值，提高教學(xué)質(zhì)量的目的。

一、試驗(yàn)內(nèi)容及流程

（一）SHPB試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、入射桿、透射桿、圍壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及緩沖裝置組成，如圖1所示。試驗(yàn)過程中，動(dòng)力系統(tǒng)通過釋放氣壓腔中的壓縮氣體推動(dòng)子彈，使之具有一定的初始動(dòng)能，進(jìn)而以一定的速度撞擊入射桿，將能量傳遞給入射桿和透射桿之間的巖石試樣，其中有部分能量反射至入射桿及通過巖石試樣傳入透射桿中，透射桿中多余的能量則通過吸收裝置吸收。在入射桿和透射桿上裝有應(yīng)變片，應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，用以讀取入射波、反射波和透射波所產(chǎn)生的應(yīng)變。

（二）聯(lián)合測(cè)定巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)試驗(yàn)原理及流程

入射波經(jīng)入射桿傳播至巖石試樣界面時(shí)，將在反射桿中產(chǎn)生反射波，同時(shí)經(jīng)巖石在透射桿中產(chǎn)生透射波；入射桿和透射桿中應(yīng)變值均可通過應(yīng)變片測(cè)得。SHPB試驗(yàn)典型的入射波及透射波信號(hào)如圖2所示。

二、教學(xué)實(shí)例

該次教學(xué)試驗(yàn)采用了直徑為D=48.4 mm，高度L=70.5 mm的圓柱形砂巖試樣（顆粒粒徑0.2～0.5 mm）作為試驗(yàn)材料；試驗(yàn)前，測(cè)得試樣密度為？籽s=2.3g/cm3，波速為Cs=2900m/s，桿件密度？籽b=7.81g/cm3，波速Cb=5410m/s。試驗(yàn)過程中，設(shè)置霍普金森桿沖擊氣壓依次為0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa和0.9 MPa，測(cè)得不同沖擊荷載下入射波應(yīng)變和透射波應(yīng)變信號(hào)。同時(shí)，對(duì)所獲得的信號(hào)進(jìn)行快速Fourier變換，得出入射波基頻為f1=4524Hz，倍頻為f2=9048Hz。圖4為四組沖擊荷載下，透射波應(yīng)變與入射波應(yīng)變幅值的比值曲線，可得出平均比值為ra=0.342；圖5為二階諧波下比值εtr2/曲線，其平均值為0.945。從而可求出阻抗比kz=0.518；波數(shù)k=？棕/Cs=9.8m-1。從而利用式可計(jì)算得到衰減系數(shù)？琢=4.54m-1，然后利用式可計(jì)算得到非線性系數(shù)β=629。

三、教學(xué)試驗(yàn)效果分析

本教學(xué)試驗(yàn)開始前，首先，為學(xué)生講解了采用霍普金森壓桿系統(tǒng)測(cè)定巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)的理論原理，并詳細(xì)介紹了SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作原理及注意事項(xiàng)；其次，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)演示試驗(yàn)操作流程，在學(xué)生觀看過程中有什么問題及時(shí)予以解答；進(jìn)而要求學(xué)生根據(jù)該試驗(yàn)的理論原理設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案，并根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)；最后，學(xué)生根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)理論計(jì)算得到巖石的非線性系數(shù)和衰減系數(shù)值。

學(xué)生通過該試驗(yàn)學(xué)會(huì)了通過理論結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)獲得巖石非線性系數(shù)和衰減系數(shù)的方法；通過自主設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，并進(jìn)行試驗(yàn)，提高了自主思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力及實(shí)踐能力，同時(shí)，也讓學(xué)生了解了如何對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，激發(fā)了學(xué)生對(duì)巖石力學(xué)學(xué)科及科學(xué)研究的興趣。

四、結(jié)語

開展自主研究性試驗(yàn)，讓學(xué)生掌握了SHPB沖擊試驗(yàn)原理，了解了巖石的基本動(dòng)力特性及其衰減系數(shù)和非線性系數(shù)的獲取方法，學(xué)會(huì)了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析。系統(tǒng)地幫助學(xué)生了解了本試驗(yàn)的技術(shù)方案及相關(guān)的理論知識(shí)，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科研創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)促進(jìn)學(xué)生理論與實(shí)際結(jié)合能力、探索思維綜合素質(zhì)的發(fā)展具有重要的意義，為他們今后從事相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。

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◎編輯 栗國(guó)花