[发明专利]一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法

摘要

本发明公开了一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，首先选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由钻芯、切割打磨和预制切槽最终成型，然后选用三点弯曲方式对试样进行测试，结合高速相机观测和记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，并采集试验过程中SHPB压杆上应变片记录的电压‑时间曲线，以及高速相机记录的每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存，最后对高速相机记录图像进行处理，采用Image J图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度，进一步根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值。

主权项

1.一种岩石I型断裂裂纹扩展速度及分形维数的测定方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：(1) 选用直切槽半圆弯拉岩石材料试样，由岩石材料通过钻取50mm直径的圆柱形岩芯、切割打磨为25mm的圆盘试样，两端面打磨后不平整度在±0.05mm，端面垂直轴线，最大偏差不大于0.25°；随后将每个圆盘试样沿直径切为两个半圆盘试样，在半圆盘试样中部采用厚度为0.3mm的金刚石圆锯片获取直切槽，并使用厚度为0.1mm的金刚石线锯制作裂纹尖端；(2) 选用三点弯曲方式对岩石材料试样进行测试，试验在任意带应变片传感器的霍普金森压杆冲击加载装置（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）上进行，选用霍普金森压杆冲击加载装置的杆径为50mm，装入长度为400mm的子弹，贴好应变片，调整压杆系统装置，对SHPB系统进行试验前气压‑速度测试，得出其标定K值；将直切槽半圆弯拉岩石试样置于入射杆和透射杆之间夹稳，保证压杆轴线穿过试样中心；(3) 采用高速相机记录试样加载断裂过程中的裂纹扩展形态，调节光源，使试样表面能够获得足够的亮度；调整相机方位，将相机镜头对准试样，保证靶面与试样表面平行；调节焦距，使图像清晰，并使试样尽可能多地占据靶面；(4) 通过调整霍普金森压杆冲击加载装置的气室气压以控制撞击杆的冲击速度，撞击杆经过测速装置时触发高速相机，相机开始采集存储图像；试验同时采集SHPB压杆上应变片获得的电压‑时间曲线，将测试数据以文件的方式保存，高速相机记录每个试样中的裂纹扩展过程，将记录图像以文件方式保存；(5) 采用基于均衡直方图法加强图像，并对图像进行二值化，以提取岩样中裂纹扩展路径；根据计盒维数法和最小二乘法拟合得到裂纹扩展的分形维数值；并采用Image J图像处理软件计算裂纹扩展间隔时间和距离，通过求导计算裂纹扩展速度和加速度；(6)计盒维数法对裂纹扩展路径的分形维数计算如下：1）dim_BF为图像的计盒维数，δ为盒子的边长，N_δ(F)为图像被盒子覆盖住的数目；2）根据上述计盒维数原理，采用最小二乘法对每个试样的试验数据点（logδ，logN(δ)）进行拟合，得单个试样logδ和logN(δ)之间的函数关系式：3）其中，A为待定常数，由最小二乘法拟合得到；D为所求裂纹扩展路径的分形维数。