1、三维应变测量系统在爆炸力学实验技术中的应用

爆炸力学是研究高功率密度的能量转化过程，大量能量通过高速的波动来传递，历时极短而强度极大。其中爆炸力学实验技术为冲击载荷下材料的力学性能的研究提供了方法和工具。在矿业、水利和交通运输工程中，爆破工程也是必不可少的传统方法。光面爆破、预裂爆破技术的应用日益广泛。

中国矿业大学科研团队在研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理实验中，通过千眼狼PMLAB三维应变测量分析技术，分析混凝土内爆试验中表面裂纹在长度和宽度方向的扩展过程及表面变形场和应变场的演化过程，讨论应力波和气体对裂纹扩展的分工作用，验证该测量分析技术在爆炸裂纹研究的有效性。（详情可见《爆炸加载下混凝土表面的裂纹扩展》）

2、实验方法

炸药内爆是岩石及混凝土等材料受载破坏的常见形式。裂纹扩展过程作为断裂力学的重要内容，一直是学者们研究的重点，测量方法也很多，三维应变测量系统（DIC）具有非接触、全场变形及应变测量等优势，在高速动态过程研究中应用较为广泛。

此次课题实验搭建了混凝土内爆试验测试系统。该系统由混凝土模型、爆破器材、DIC系统、冲击钻、发电机等辅助材料组成如图1a所示。

混凝土表面裂纹扩展过程以面内位移为主，故采用单台千眼狼高速摄像机采集，调节三脚架使相机视轴垂直被测表面，高度与被测表面高度一致，拍摄的爆破过程图像如图1b所示。实验模型采用商用混凝土浇筑而成，如图1c所示。被测表面喷涂散斑并描画刻度尺以便于获得像素与物理距离之间的比例，高速摄像机拍摄帧率为20000fps。

3、实验分析

1/3.起裂点分析

实验拍摄的裂纹扩展过程如图2所示，起爆后0.50ms模型侧面开始出现裂纹，起裂点位于模型上表面与侧面棱线处，随后裂纹进一步扩展1.75ms结束，长度扩展结束后转而向宽度扩张，最终于4.50ms结束。

炸药在混凝土内部爆炸时，其作用过程有三种模式，我们基于该理论，结合装药结构，最小抵抗线约9.5cm，侧面抵抗线为20cm，而棱线处抵抗线约22.1cm，可知模型表面最初的裂纹应形成于炮孔口处。侧面起裂点没有出现在侧面而出现在棱线上，说明一旦形成贯通裂纹，该裂纹将成为主裂纹，或称为“优势”裂纹，“优势”裂纹在表面扩展速度极快，也将决定后续裂纹的趋向。

2/3.裂纹扩展过程

经过裂纹检测算法依次对图像序列进行检测，得到裂纹长度扩展过程如图3所示。裂纹长度扩展从0.50ms开始1.75ms停止，期间最大速度225.95m/s，平均速度122.27m/s。依速度值将曲线划为2段，0.50～1.20ms为第1段，裂纹扩展速度始终大于平均值，起裂后速度跃升快，极值出现在0.60ms，极值后有一定波动，整体稳定于较高水平，可称为裂纹稳定扩展段，此间裂纹长度为133.15mm，达到总长的83%；第2段为1.20～1.75ms，裂纹扩展速度急剧衰减，推测此时应力波作用已十分微弱，甚至已停止，只有爆炸气体继推动裂纹扩展，最终裂纹长度扩展至159.92mm停止。

其他相关研究测得内爆条件下应力波在混凝土中传播的速度达103m/s级，作用时间为几十至几百微秒，而侧面裂纹起裂于0.5ms，止裂于1.75ms，可见，裂纹在长度上的扩展为应力波和爆炸气体共同作用的结果。

图4 水平位移场的演化过程

通过三维应变测量系统计算裂纹区域水平位移场，由图4可知，裂纹的扩展过程是被测表面位移场由无序到有序不断演化、并在裂纹区域不断集中的过程。

图5 裂纹张开宽度随时间和裂纹长度的变化曲线

以时间为横轴，以裂纹张开宽度Wi为纵轴，裂纹扩张曲线如图5a所示。从起裂点开始，沿着裂纹扩展方向，以5pixel(4.45 mm)为步长，以裂纹为中心，按照上述方法分别取监测点，得到沿扩展方向的裂纹宽度曲线。无论监测点距离起裂点多远，其相对位移发展趋势是一致的，裂纹扩展停止后，横向扩张要持续更长时间，可达4.5ms，在裂纹发展的整个过程中，爆炸气体均起到重要作用，但其对裂纹的扩张作用更明显。

3/3.应变场演化过程

图6 最大主应变场的演化过程

最大主应变场的演化过程如图6所示，其中，红色表示应变较大，裂纹区域始终存在应变集中带。在0.25ms时，宏观裂纹尚未产生，但应变已向裂纹区域集中；0.50ms时，未来的裂纹附近应变集中带已经形成，起裂点附近最明显，随着宏观裂纹的产生和扩展，应变集中带越发明显，1.75ms时，应变集中带的总体形态已经确定；在1.75～4.50ms，在裂纹附近应变集中带上，深色区域不断扩大，宏观表现为此处裂纹正在扩张。

4/3.断裂过程区分析

断裂过程区（FPZ）模型观测通常在带有预制裂纹混凝土梁的三点弯曲试验中进行，属于准静态加载，对于动态加载过程FPZ的研究则较少。FPZ尺寸的测量也逐步发展为以DIC方法为主，结合声发射测量、引伸计等。FPZ区域的界定不尽相同，有的以应变作为界定标准，也有的以位移作为标准。本文中以各帧中宏观裂纹尖端为FPZ起点，应变集中带作为FPZ边界，如图7所示，图中横纵坐标的单位为像素，裂纹尖端和FPZ尖端坐标也为像素，0.80ms 后FPZ已超出观测范围，结合图 6，计算各时刻FPZ尺寸如表1所示。

由表可知，除起裂时刻FPZ宽度较小，为33.82mm外，其余时刻宽度变化不大，在47.17～52.51mm之间，FPZ长度基本不变，为129.30～132.64mm，约为混凝土骨料最大粒径的8～9倍。

4、实验分析结果

通过进行混凝土内爆试验结合三维应变测量（DIC）和智能图像分析等技术，研究了内爆加载下混凝土表面裂纹扩展规律。该技术可观测裂纹的扩展和扩张效应以及断裂过程区的演化规律，同时提供裂纹变化的量化数据。实验主要结论：

5、总结

爆炸产生的应力波和高温高压气体共同作用下，介质内部出现裂纹并向自由面扩展，将介质切割成块。但对应力波和高温高压气体的作用分工研究较少，尤其是两者共同作用下的裂纹扩展机理尚不完全清楚。裂纹扩展过程作为断裂力学的重要内容，一直是学者们研究的重点。千眼狼PMLAB三维应变测量系统（DIC）具有非接触、全场变形及应变测量等优势，在高速动态过程研究实验中应用较为广泛。（此文源自中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院研究团队）