[發明專利]一種基于透明光彈材料同時測量飽和顆粒介質應力和位移的方法

有效

• 申請號: 201711365800.3
• 申請日: 2017-12-18
• 公開（公告）號: CN108106973B
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 趙紅華;劉聰;邱鵬;雷振坤
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N21/23
• 代理公司: 21200 大連理工大學專利中心
• 代理人: 梅洪玉

本發明屬于試驗力學測試技術領域，一種基于透明光彈材料同時測量飽和顆粒介質應力和位移的方法。實驗應力光彈法，利用透明顆粒介質在受力變形時產生光學各向異性的特點，以偏振光透過模型，由于應力的存在，產生光的暫時雙折射現象，再透過分析鏡后產生光的干涉，在屏幕上顯示出具有明暗條紋的現象；利用同色條紋圖像，可得到模型中的應力狀態和分布。本發明方法通過透明光彈顆粒材料和折射系數相匹配的孔隙液體配置成飽和多孔顆粒介質材料，可以用來研究自然界中飽和多孔顆粒材料內部包括巖土材料等在外力作用下的變形機理和應力分布的規律，降低研究成本，理解顆粒材料力學行為的內在機理。

技術領域

本發明屬于試驗力學測試技術領域，涉及測量飽和顆粒介質的應力和位移的一種方法，特別涉及到采用透明光彈顆粒介質和折射系數相匹配的孔隙液體以及數字圖像相關技術測量顆粒內部應力和顆粒發生位移的一種方法。

背景技術

顆粒材料在自然界和工業界中是普遍存在的，如砂石材料、玻璃珠、谷物、工業上的藥品等。在受到外部荷載或自重作用下的應力和變形是科研人員和工業界人士都比較關注的一個重要問題。由于顆粒材料在外力的作用下應力和位移是復雜的，而且顆粒數量眾多，所以測量顆粒材料內部的應力和位移是一個比較困難的問題，目前變形的測量已經可以借助X-ray層析成像和CT掃描技術實現，但是由于這些技術比較昂貴，難以得到普及應用。另外，顆粒材料集合體內應力的測量目前還沒有比較好的方法。因此，本發明提出了一種基于透明光彈顆粒材料測量飽和顆粒介質內部應力和位移的方法。

發明內容

本發明提出一種基于透明光彈顆粒材料測量飽和顆粒材料內部應力和位移的方法，目的是揭示顆粒材料內部變形的規律和應力場的分布，從而有助于分析顆粒材料在外力作用下的變形機理。

實驗應力光彈法，利用透明顆粒介質在受力變形時產生光學各向異性的特點，以偏振光透過模型，由于應力的存在，產生光的暫時雙折射現象，再透過分析鏡后產生光的干涉，在屏幕上顯示出具有明暗條紋的現象；利用同色條紋圖像，可得到模型中的應力狀態和分布。

本發明的技術方案：

一種基于透明光彈材料測量飽和顆粒介質應力和位移的方法，步驟如下：

步驟一，顆粒介質的配置：采用透明光彈材料顆粒，借助阿貝折射儀測出與透明光彈材料顆粒材料折射系數相匹配的孔隙液體；將透明光彈材料顆粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一層，之后利用軟管沿模型箱壁從下向上慢慢充滿孔隙液體，最終配制成飽和顆粒材料介質，即飽和透明光彈顆粒模型5；

步驟二，采集設備安置：采集設備包括數字相機1、計算機2、分析鏡片3、扇面激光光源4、飽和透明光彈顆粒模型5、偏振鏡片6和光源7，分析鏡片3、飽和透明光彈顆粒模型5、偏振鏡片6和光源7同軸，光源7依次通過偏振鏡片6、飽和透明光彈顆粒模型5和分析鏡片3后，被數字相機1捕捉，數字相機1與計算機2連接；扇面激光光源4位于飽和透明光彈顆粒模型5正下方，用于提供扇形激光光源；

步驟三：在飽和顆粒材料介質表層放置加載板，加載試驗機通過加載板將外力施加到透明光彈材料顆粒上；施加荷載前，打開扇面激光光源4，照射飽和透明光彈顆粒模型5，扇面激光和透明光彈材料顆粒介質相互作用產生激光散斑，同時設定好數字相機1的位置、焦距和采集時間間隔；

步驟四，施加荷載：對配制的飽和顆粒材料介質施加荷載，在飽和顆粒材料介質內引起應力和變形以及顆粒的運動；同時啟動數字相機1的圖像采集功能，連續施加到荷載一定值后停止加載；

步驟五：設置偏振片：正交平面偏振光場中分析鏡3(檢偏鏡)的初始角度β＝45°，α、β分別為偏振鏡片6(起偏鏡)和分析鏡片3與參考軸x夾角，α初始角度為135°，θ為飽和透明光彈顆粒模型5第一主應力σ₁與參考軸x夾角θ＝60°；同步旋轉分析鏡片3的角度β，得到相應的圖片；偏振鏡片6的設置如圖2；