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基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法，包括實(shí)驗(yàn)前，在入射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面及在透射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面制作標(biāo)記區(qū)域；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高速攝像機(jī)獲取沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中包括被測(cè)試件及標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像；通過(guò)跟蹤分析標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變；根據(jù)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的原理，由兩桿的應(yīng)變，計(jì)算得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。本發(fā)明所提出的基于數(shù)字圖像的新實(shí)驗(yàn)技術(shù)能同步得到試件的應(yīng)變及其兩端的應(yīng)力。
【專利說(shuō)明】基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，具體涉及一種基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]分離式霍普金森壓桿技術(shù)是一種測(cè)試材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)展至今已經(jīng)普遍應(yīng)用于工程材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能測(cè)試。傳統(tǒng)的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)首先在入射桿和透射桿上貼上應(yīng)變片，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變片所采集的信號(hào)換算得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)。由于記錄入射波、反射波和透射波的時(shí)間往往不相同，所以在數(shù)據(jù)處理中這三個(gè)波形的時(shí)間起點(diǎn)是人為選擇的，如果選取的時(shí)間起點(diǎn)不一致就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的誤差，尤其是在測(cè)試某些所需達(dá)到應(yīng)力均勻時(shí)間很長(zhǎng)的材料(如軟材料等)時(shí)，選取透射波和反射波的時(shí)間起點(diǎn)變得較為困難，無(wú)法保證波形的同步性，也就無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)對(duì)試件應(yīng)變及其兩端應(yīng)力的同步測(cè)量。也有學(xué)者提出在入射、透射桿端部嵌入石英壓電晶片來(lái)獲取試件兩端應(yīng)力，這樣雖然實(shí)現(xiàn)了兩端應(yīng)力的同步測(cè)量，但是應(yīng)變數(shù)據(jù)仍由應(yīng)變片來(lái)采集，其同步性未得到改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法，包括
[0006]實(shí)驗(yàn)前，在入射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面及在透射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面制作標(biāo)記區(qū)域；
[0007]實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高速攝像機(jī)獲取沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中包括被測(cè)試件及標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像；
[0008]通過(guò)跟蹤分析標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變；
[0009]根據(jù)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的原理，由兩桿的應(yīng)變，計(jì)算得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。
[0010]所述根據(jù)圖像分析獲得標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變，具體為:
[0011]在入射桿的標(biāo)記區(qū)域，選擇A、B兩點(diǎn)，在透射桿的標(biāo)記區(qū)域選擇C、D兩點(diǎn)，其中B、C為接近被測(cè)試件的兩個(gè)點(diǎn)，其中A、D之間為遠(yuǎn)離被測(cè)試件的兩個(gè)點(diǎn)；
[0012]通過(guò)分析透射桿的標(biāo)記區(qū)域運(yùn)動(dòng)圖像得到C、D兩點(diǎn)距離的增量，然后用增量除以C、D兩點(diǎn)之間的初始距離得到透射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變；
[0013]通過(guò)分析入射桿標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像得到A、B兩點(diǎn)距離的增量，然后用這個(gè)增量除以A、B兩點(diǎn)之間的初始距離得到入射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變；
[0014]由于B、C點(diǎn)均離試件很近，圖像分析得到這兩點(diǎn)距離的增量近似看作試件沿沖擊方向的長(zhǎng)度增量，用它除以試件原始長(zhǎng)度就推出試件的應(yīng)變。
[0015]根據(jù)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的原理，由兩桿的應(yīng)變，計(jì)算得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力，具體為:
[0016]利用一維應(yīng)力假設(shè)，將透射桿或入射桿的應(yīng)變乘以透射桿或入射桿的彈性模量得到透射桿或入射桿標(biāo)記區(qū)域的應(yīng)力，再將它們與透射桿或入射桿的橫截面積的乘積除以試件的橫截面積得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。
[0017]所述標(biāo)記區(qū)域包括標(biāo)記點(diǎn)或散斑。
[0018]本發(fā)明的有益效果:
[0019]與傳統(tǒng)的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)技術(shù)相比，本發(fā)明所提出的基于數(shù)字圖像的新實(shí)驗(yàn)技術(shù)能同步得到試件的應(yīng)變及其兩端的應(yīng)力。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明一種基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)的同步測(cè)量方法的示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的高速攝像機(jī)拍攝區(qū)域示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0023]實(shí)施例
[0024]本實(shí)施例選用入射桿I的長(zhǎng)度為320cm，透射桿2的長(zhǎng)度為200cm，入射桿及透射桿的截面為圓形，其直徑均為74mm,均是鋼桿,高速攝像機(jī)采用Phantomvl610系統(tǒng),被測(cè)試件3是經(jīng)受過(guò)多次沖擊的圓柱型鋼纖維混凝土，其直徑為70.2mm,高度為31.6mm,圖1中的4表示高速攝影機(jī)的拍攝區(qū)域。
[0025]一種基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法，包括
[0026]如圖1所示，實(shí)驗(yàn)前，預(yù)先在入射桿I與被測(cè)試件3接觸一端的外表面，及在透射桿2與被測(cè)試件3接觸一端的外表面制作標(biāo)記區(qū)域，標(biāo)記區(qū)域由散斑構(gòu)成，散斑顆粒大小由圖像分析精度而定。具體設(shè)定標(biāo)記區(qū)域的過(guò)程為:實(shí)驗(yàn)前在入射桿及透射桿上離端面約5cm遠(yuǎn)處做好標(biāo)記線，然后將從標(biāo)記線到端面部分的桿件表面清潔干凈，噴涂啞光黑油漆作為散斑，散斑區(qū)域的高度約2cm。
[0027]散斑區(qū)域的具體寬度不能太大或太小，太大會(huì)導(dǎo)致對(duì)該區(qū)域分析得到的應(yīng)變不能近似看做桿端局部區(qū)域的應(yīng)變，太小則可能導(dǎo)致誤差過(guò)大。如果分析的是標(biāo)記點(diǎn)，每根桿上至少有兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，其中至少有一個(gè)是與試件非常接近，另一個(gè)也是離試件不能太近或太遠(yuǎn)，太遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致對(duì)該區(qū)域分析得到的應(yīng)變不能近似看做桿端局部區(qū)域的應(yīng)變，太近則可能導(dǎo)致誤差過(guò)大。
[0028]實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，子彈以13m/s的速度沖擊入射桿，通過(guò)高速攝像機(jī)獲取沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，包括被測(cè)試件及標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像，所述高速攝像機(jī)安裝在正對(duì)試件的正前方，可以清楚拍攝到被測(cè)試件及標(biāo)記區(qū)域即可，圖1中高速攝像機(jī)的拍攝區(qū)域4。
[0029]通過(guò)跟蹤分析標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變；
[0030]如圖2所示，在入射桿的標(biāo)記區(qū)域，選擇A、B兩點(diǎn)，在透射桿的標(biāo)記區(qū)域選擇C、D兩點(diǎn)，其中B、C為接近被測(cè)試件的兩個(gè)點(diǎn)，而A、D則是離被測(cè)試件較遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)，本實(shí)施例中，AB距離約為2cm，⑶距離約為1.3cm, B點(diǎn)和C點(diǎn)分別距離試件端面約2mm。
[0031]通過(guò)分析透射桿的標(biāo)記區(qū)域運(yùn)動(dòng)圖像得到C、D兩點(diǎn)距離的增量，然后用增量除以C、D兩點(diǎn)之間的初始距離得到透射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變；
[0032]通過(guò)分析入射桿標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像得到A、B兩點(diǎn)距離的增量，然后用這個(gè)增量除以A、B兩點(diǎn)之間的初始距離得到入射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變；
[0033]由于B、C點(diǎn)均離試件很近，圖像分析得到這兩點(diǎn)距離的增量近似看作試件沿沖擊方向的長(zhǎng)度增量，用它除以試件原始長(zhǎng)度就推出試件的應(yīng)變。
[0034]利用一維應(yīng)力假設(shè)，將靠近試件一端的應(yīng)變乘以透射桿或入射桿的彈性模量得到透射桿或入射桿標(biāo)記區(qū)域的應(yīng)力，再將它們與透射桿或入射桿的橫截面積的乘積除以試件的橫截面積得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。
[0035]由于試件應(yīng)變及兩端的應(yīng)力都是從同一張高速攝影的圖像上分析得到的，因此它們是同步的。
[0036]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)中試件應(yīng)變及兩端應(yīng)力的同步測(cè)量技術(shù)能較好地獲得試件及透射桿、入射桿靠近試件區(qū)域的應(yīng)變波形，與基于應(yīng)變片信號(hào)的傳統(tǒng)SHPB實(shí)驗(yàn)方法相比，主要的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需在應(yīng)變片信號(hào)的后處理中考慮時(shí)間的同步性，并且能實(shí)現(xiàn)試件兩端應(yīng)力平衡狀況的評(píng)估。
[0037]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)字圖像的分離式霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的同步測(cè)量方法，其特征在于，包括 實(shí)驗(yàn)前，在入射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面及在透射桿與被測(cè)試件接觸一端的外表面制作標(biāo)記區(qū)域； 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高速攝像機(jī)獲取沖擊實(shí)驗(yàn)過(guò)程中包括被測(cè)試件及標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像； 通過(guò)跟蹤分析標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變； 根據(jù)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的原理，由兩桿的應(yīng)變，計(jì)算得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)圖像分析獲得標(biāo)記區(qū)域的變形，進(jìn)一步得到被測(cè)試件及入射桿、透射桿在被測(cè)試件兩端的應(yīng)變，具體為: 在入射桿的標(biāo)記區(qū)域，選擇A、B兩點(diǎn)，在透射桿的標(biāo)記區(qū)域選擇C、D兩點(diǎn)，其中B、C為接近被測(cè)試件的兩個(gè)點(diǎn)，其中A、D之間為遠(yuǎn)離被測(cè)試件的兩個(gè)點(diǎn)； 通過(guò)分析透射桿的標(biāo)記區(qū)域運(yùn)動(dòng)圖像得到C、D兩點(diǎn)距離的增量，然后用增量除以C、D兩點(diǎn)之間的初始距離得到透射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變； 通過(guò)分析入射桿標(biāo)記區(qū)域的運(yùn)動(dòng)圖像得到A、B兩點(diǎn)距離的增量，然后用這個(gè)增量除以A、B兩點(diǎn)之間的初始距離得到入射桿與被測(cè)試件接觸一端的應(yīng)變； 由于B、C點(diǎn)均離試件很近，圖像分析得到這兩點(diǎn)距離的增量近似看作試件沿沖擊方向的長(zhǎng)度增量，用它除以試件原始長(zhǎng)度就推出試件的應(yīng)變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，根據(jù)霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)的原理，由兩桿的應(yīng)變，計(jì)算得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力，具體為: 利用一維應(yīng)力假設(shè)，將透射桿或入射桿的應(yīng)變乘以透射桿或入射桿的彈性模量得到透射桿或入射桿標(biāo)記區(qū)域的應(yīng)力，再將它們與透射桿或入射桿的橫截面積的乘積除以試件的橫截面積得到被測(cè)試件兩端的應(yīng)力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述標(biāo)記區(qū)域包括標(biāo)記點(diǎn)或散斑。
【文檔編號(hào)】G01N3/06GK104237031SQ201410476610
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】湯立群, 謝倍欣, 張曉陽(yáng), 劉逸平, 蔣震宇, 劉澤佳, 張泳柔, 程經(jīng)緯 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)