SHPB测试技术在采矿工程教学中应用

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摘要：分离式霍普金森压杆（shpb）是冲击动力学推荐测试设备之一，该文对其在采矿工程力学实验教学中的应用进行了探讨。介绍了SHPB实验系统组成及基本原理，阐明了实验操作流程和实验数据处理方法，指出SHPB实验对操作规范的严格要求。同时对SHPB实验的相关前沿发展做了拓展延伸，分析了同步高速摄像和微观损伤测试与SHPB相结合的情况，有助于多学科之间的交叉融合，有利于提升学生的综合素质和创新能力。

关键词：采矿工程；霍普金森压杆；动态力学性能；煤岩；实验教学

煤矿生产过程中采煤机割煤、钻孔施工、深孔爆破、动力灾害显现等均与动载冲击密切相关[1-2]，研究冲击荷载作用下煤岩动态力学性质对保证煤炭资源安全高效开采具有重要工程意义。掌握矿山岩体力学的基本理论也是采矿工程专业的核心培养目标，而岩石力学实验教学对巩固专业课基础知识，提高学生综合能力具有关键作用[3]。自Kolsky[4]提出分离式霍普金森压杆（splittingHopkinsonpressurebar，SHPB）以来，SHPB测试技术在煤岩动力学研究领域的应用取得了迅速发展。SHPB能够满足应变率为10~103s–1范围内的动态力学实验要求，涵盖了一般的机械冲击、爆炸等动载作用下的情况。SHPB实验系统具有测量方法精巧、加载波形易控制等优点，但由于涉及应力波理论，理解难度大、实验步骤多、不易掌握。基于此，本文将探索SHPB测试技术在采矿工程力学实验教学中的具体应用。

1实验系统及原理介绍

1.1SHPB实验系统

SHPB实验系统主要由加载驱动系统、测速系统、压杆系统和数据采集系统组成。我校深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室的SHPB实验系统如图1所示。加载驱动系统包括高压氮气瓶、气压控制阀、高压气室、发射腔等。测速系统包括测速电路、平行光源、计时仪等。压杆系统由冲头、入射杆、透射杆、吸能装置等组成。数据采集系统由应变片、接线桥盒、超动态应变仪、示波器等组成。

1.2实验原理

实验过程中子弹在高压气体的推动下与入射杆产生碰撞，在入射杆中形成入射波。SHPB系统中应力波传播示意图如图2所示。当入射波在入射杆中传播到达试样端面时，应力波作用到试样上，并在试样-杆界面多次反射透射，造成试样高速变形。实验测试设备可记录入射杆中向试样传播的应力波、从试样反射回来的应力波及透射进入试样的应力波。根据应变电测法理论，对捕捉到的电压信号进行计算，并转化为应变值，并基于一维应力波理论和应力均匀性假定[5]，计算试样在冲击过程中的应力、应变和应变率等值。在这种设计下的冲击实验是可控、可量化的。利用该实验系统可开展煤岩动态压缩、拉伸、断裂力学特性测试，分析煤岩体冲击动态强度、能量耗散、冲击加载波形、应变率效应及应力波传播特性。

2SHPB实验教学重点分析

2.1实验操作流程

（1）试样准备：试样直径不大于压杆直径（本实验设备杆径为50mm），试样长度不宜过长，长径比过大会使试样在整体未达到应力平衡时就发生破坏。通常选用Φ50mm×25mm或Φ50mm×50mm两种尺寸，且端面不平行度小于0.02mm。（2）杆系对中调整：以发射管轴线为基准，通过水平尺和高度尺依次调整入射杆和透射杆，保证弹性杆为共轴撞击，以满足一维应力波理论。（3）应变片粘贴：沿入射杆和透射杆轴向分别粘贴两片应变片，使之位于压杆同一横截面，以保证二者测得信号的同步性。应变片接线与桥盒相连（半桥或1/4桥），桥盒与超动态应变仪连接，超动态应变仪测得的波形信号通过示波器显示记录。（4）气源准备：以高压氮气作为动力源，通过调节减压阀控制工作气体压力。在试样部分安装安全防护装置，以免试样破碎产生飞溅，保护实验人员和设备安全。（5）数据采集：校准应变仪，打开计时器，使示波器处于等待触发状态。将子弹推进到发射腔的固定位置，发射子弹，保存数据，进行数据处理，评估是否满足应力平衡，重新开始装样测试。实验操作流程如图3所示。可以看出，SHPB实验准备工作环节较多，每一个环节都对测试结果有较大影响，对操作规范性也有严格要求，并且实验过程具有一定危险性。可采用录制讲解视频或虚拟仿真实验教学[6-8]形式，演示正确的操作方式或存在多组错误甚至危险的操作方式，帮助学生了解SHPB实验操作流程，培养严谨的科学态度和实际操作能力。

2.2实验数据处理分析

2.2.1对波分析。将粘贴在弹性杆上的应变片测得的脉冲信号平移到试样和杆的接触断面处，将测得的波进行同步，对于数据处理具有关键作用。入射波的起点TI通过估计波形起跳点确定，基于估计的入射波时间起点，相应的反射波TR和透射波TT分别按下式确定：式中，L0、L1和LS分别为入射杆、透射杆应变片与试样的距离及试样长度；CB和CS分别为弹性压杆和试样材料中独立传播的应力波波速。2.2.2电压和应变的转化。按照对臂工作电桥原理，可得到应变片测量的应变值与输出电压之间的关系为：式中，K1为应变片的灵敏系数，K2为应变仪的放大系数，U0为电桥直流电压，U为输出电压。通过式（3）即可将示波记录仪所记录的电信号转化为应变信号。再采用三波法得到试样的动态应力应变关系[9]：式中，Iε(t)、Rε(t)和Tε(t)分别是t时刻入射波、反射波、透射波在杆中传播时所对应的应变；A、E、c0分别是弹性压杆的横截面积、弹性模量、纵波波速；A0、l0分别是煤样的横截面积和原始长度。2.2.3应力平衡性分析。根据应力波传播基础理论，在SHPB冲击实验中，试样在发生破坏前其内部应力达到均匀性假定是实验结果可靠的前提。而应力均匀化的条件是试样两端面的应力平衡，但是根据应力波在试件中的传递规律，两端面应力总是不相等的，一般认为两端面的应力差小于试样中应力的5%时就达到了应力平衡。参考宫凤强等[10]的研究成果，采用应力平衡因子η定量描述应力平衡效果：由图4可见，应力平衡因子在初始段有一定波动调整，随着应力波的传播，上升沿和峰值处应力平衡因子基本保持不变，试样两端达到应力平衡状态，试样破坏前满足应力均匀化条件，表明所得实验结果具有一定的可靠性。学生通过对实验数据进行分析，可进一步加深对SHPB测试原理的了解，并使他们熟练运用Excel、Origin等软件。对编程感兴趣的学生，可尝试使用MATLAB编程，提高数据处理效率。

3SHPB实验教学拓展延伸

3.1SHPB+高速摄像

由于冲击实验在瞬时完成（通常小于1ms），所以不能近距离观察实验过程，使得实验现象不明显。高速摄像机能以很高的频率记录动态图像（84000~100000fps），可在很短时间内完成对高速目标的快速、多次采样（见图5）。高速摄像技术具有实时目标捕获、图像快速记录、即时回放、图像直观清晰等优点，目前已在SHPB测试中得到推广应用，并可通过相关数字图像处理技术（DIC）获取试样的全场变形[11-12]。需要说明的是，高速摄像获取的图像数据内存很大，如采用人工逐帧比对方式调取图像，工作量大且易造成误差。因此可将弹性杆应变片与高速相机连入同一个数据处理系统中，同步采集应变片的电压信号和试样变形破坏图像。这样就可计算应力波传播时间，掌握拍摄图像与透射波接收信号的时间差值，找出各冲击过程对应的图像画面。借助物像同步分析可使实验结果更加直观清晰，而将试样高速变形过程与图像信息相结合，则有助于学生分析煤岩变形破坏过程的力学机理，加深他们对冲击破坏过程的理解。

3.2SHPB+损伤测试

采矿工程是一门实践性较强的学科，不仅要求学生重视理论知识学习，还要求学生理解如何将理论知识服务于工程实际应用。随着煤矿开采向深部进行，煤岩赋存环境具有高应力、高地温、高渗透压以及资源开采时强扰动等特点，煤矿安全开采面临极大挑战。常规的单轴冲击不能反映煤岩真实受力状态，需要可施加围压的SHPB系统以满足深部煤岩动力学测试要求。三轴围压作用下煤岩整体性保持较好，损伤破裂程度明显低于单轴冲击，但随着子弹冲击速度的提高，其内部损伤必然加剧。在实验过程中，由于试样被限制在围压腔体中，难以观测到试样的冲击破坏过程，也难以定量判定损伤程度。但在生产现场明确爆破震动下周边围岩损伤范围、探测巷道松动圈等对安全生产具有重要意义。因此，以损伤理论为指导，寻找表征破裂集结的特征物理量，统计分析微破裂的演化过程，是煤岩损伤力学的重要研究内容。随着超声波、CT断层扫描（见图6）技术在无损测试方面的应用不断成熟[13-15]，SHPB+损伤测试是研究冲击荷载下煤岩的损伤程度的可行方法。

4结语

SHPB测试技术在煤岩动力学领域具有广泛应用，并且仍处于不断发展中。在此基础上开发相关实验装置，还原深部多物理场耦合作用的复杂赋存环境，是极具挑战性的课题。通过讲解、演示SHPB测试技术原理、操作流程以及实验数据分析方法，在采矿工程力学实验教学中将基础理论与研究热点联系起来，引导学生思考探索更多的“SHPB+”，有助于多学科之间的交叉融合，有利于培养学生的创新精神。

作者:焦振华 崔智丽 袁秋鹏 单位:安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室 安徽理工大学力学与光电物理学院