摘要：基於數字影象相關方法將超高速攝影與Vic-2D數字影象分析軟體相結合,建立了一套超動態條件下的數字影象相關分析系統。應用該系統完成了三孔同時與微差起爆的模型試驗,獲得了清晰的全場應變與位移雲圖,實現了系統5μs的同步控制精度。在超高速條件下,透過與載入前同一散斑模型各點數字影象軟體進行分析比對,相對於模型破壞時的最大應變,系統給出的結果誤差控制在5%以內,驗證了該實驗系統可行性和有效性。同時基於該系統的基本原理可實現岩石類材料模型的試驗,表明該系統在研究爆炸載荷作用下不同材料應變與位移的全場性問題方面具有獨特優勢。
關鍵詞： 應變場 數字影象相關方法 爆炸力學 爆炸載荷 超動態
爆炸涉及物質在高速、高溫、高壓等極端條件下的複雜物理行為,且是在極短時間內完成並具有強烈破壞作用的超動態現象,材料的動力響應也呈現複雜的非線性變化特徵,使理論計算和數值模擬在其破壞機理研究上存在較大困難。為此,爆炸載入條件下模型試驗成為研究爆炸機理的重要手段,而其測試技術的突破顯得尤為重要。
目前,相關研究的測試手段主要有超動態應變數測系統、動光彈實驗、焦散線實驗等[1,2]。上述實驗手段相互補充,其中動光彈實驗方法在研究應力場方面、焦散線在研究裂紋尖端尖端奇異性方面都取得了不小的成就[3,4]。同時動光彈實驗方法受具有雙折射模型材料限制,焦散線實驗也主要以透射為主,不適宜岩石類模型材料,超動態應變數測系統受應變梯度的影響,不具有全場性的特點,所有這些不足表明岩石中應力波的傳播以及動態斷裂機理研究的測試手段有待進一步完善。本文基於數字影象相關方法(DIC)的爆炸載入模型實驗系統的建立,在解決全場性、變形較大問題方面具有優越性,其研究材料即可是模型材料也可岩石類材料,且在測量過程中具有測量環境適應性好、自動化程度高等特點,因而在爆炸機理的研究上具有重要意義。
1、DIC基本原理及其基本假設
DIC本質上屬於一種基於現代數字影象處理和分析技術的新型光測技術,又稱為數字散斑相關方法(DSCM),是一種光測力學變形場的測量方法。其原理是:透過對試件表面變形前後的數字散斑影象的灰度矩陣進行相關計算,跟蹤計算點變形前後的空間位置,從而獲得試件表面位移和應變資訊的光學測試實驗方法[5,6]。
實驗中對於平面模型,為了獲得可靠的測量結果,使用二維數字影象相關法測量物體的變形資訊時必須滿足以下幾點基本假設:(1)被測物體表面為一平面或近似為一平面;(2)被測物體的變形主要發生在面內,離面位移很小,可以忽略不計;(3)攝像機光軸與被測物體表面法線平行(即攝像機光軸與被測物體表面垂直);(4)物體表面上散斑點變形前後的灰度值不變。
2、基於DIC的爆炸載入實驗系統
新型爆炸載荷DIC實驗系統由試件、程式控制多路脈衝點火器、訊號源、閃光燈控制器、補光裝置、超高速攝像機、相機狀態指示器、計算機組成,系統見圖1所示。
圖1爆炸載荷DIC實驗系統
2.1超高速攝像機的選擇
在光測力學發展過程中,相機的改進為推動其發展做出了巨大的貢獻。早期主要有轉鏡式高速攝影系統[7]和多火花式高速攝影系統[8],其中多火花式高速攝像系統多采用航空膠片以照片的形式呈現,上述系統受控制系統操作性,同步性以及設計光路的影響,成像的畸變性、清晰度和資訊量上都與數碼超高相機存在比較大的差距。目前,超高速數碼攝像機資訊量大小與清晰度主要受影象控制器影響,核心部件是CMOS或CCD兩種影象感測器,其代表主要是日本Photron公司生產的SA系列、英國SI公司生產的Kirana系列和德國PCOAG公司生產的HSFC-PRO系列超高速相機。
針對上述不同效能的相機,國內學者開展了相關的研究;Wang等[9]研究了CCD相機噪聲變化對測量誤差的影響,Meng等[10]透過理論分析表明,使用CCD相機進行二維DIC相關計算時,得出兩平面之間的夾角小於5°時得到的測量誤差小於0.01畫素。馬少鵬等[11,12]使用PhotronFastcamSA-1結合數字影象相關方法進行了岩石動態破壞變形場的觀測,楊立雲等[13,14]使用PhotronFastcamSA-5型超高速攝影系統與焦散線方法結合,實現了對高速衝擊(爆炸)載荷下試件動態斷裂過程的焦散線拍攝。
上述研究對於超動態系統的建立奠定了良好的基礎,但其選擇的超高速相機在同時滿足爆炸應變波的傳播規律的研究(時間1μs)以及基於DIC超高速條件下影象解析度的的要求上不能實現匹配。SA-5系列達到10×105f/s時影象解析度太低,HSFC-PRO系列雖然速度與影象解析度均滿足要求,是理想的拍攝爆炸等高速動態過程記錄儀器,但由於該相機由4個ICCD組成,拍攝的照片不是由同一個CCD生成的,導致在同等條件下連續拍攝的圖片出現比較大的畸變現象,灰度上有較大區別,在採用數字影象相關分析就會出現較大誤差(見圖2)。而Kirana相機採用獨特的μCMOS感測器原理的相機,雖然在速度和清晰度以及有效視場上比採用CCD圖感測器原理的相機的技術引數低一些,但畸變,灰度以及聲噪小,靜態拍攝照片的誤差微應變僅50×10-6(見圖3)。可實現在拍攝時大幅度調節視場,全解析度支援所有的拍攝速度,影象採集數量固定為180張,拍攝速度可達5×106f/s、影象解析度為924pixels×768pixels,是目前理想的選擇,因此,本實驗系統採用Kirana5M超高速攝像機。
圖2採用CCD影象感測器相機超高速拍攝的對比圖片
2.2Vic-2D軟體分析系統
數字影象分析系統方面,美國CorrelatedSolution公司(CSI)的Vic分析系統是國內外最早開始進行數字影象相關技術研究的,其Vic-2D分析軟體可以測量物體平面內任意點的真實位移和應變,並且可獲得物體表面的每一點上的拉格朗日應變張量[15],而其測試技術的突破則測量目前從500微應變至500%以上的應變,可用於計算全場位移、應變值,顯得尤為重要。變數包括:x、y點的畫素座標值;u、v點的畫素橫向和縱向的位移值:exx、eyy、exy、x方向真應變,y方向真應變;xy方向剪下應變;e1、e2主應變和次主應變。
圖3採用μCMOS影象感測器靜態對比分析雲圖
2.3補光系統
為滿足實驗要求,實驗中使用的補光系統包括SI-AD500燈光儲能裝置、控制器和閃光燈。其中控制器通道為四通道CU-500型控制器,具有獨立和同步出發模式,既可控制多通道同時工作,也可控制多通道順序工作。閃光燈型號為FH-500,採用的100W的U型氙氣閃光燈管。該閃光燈具有2ms時長的恆定光強閃光燈照明時間,能夠保證灰度一致,且上升沿時間穩定,其曝光時間長度的光強能有效的保證爆炸載荷下高速攝像機拍攝工作的完成。
2.4載入系統
爆炸載荷的動態載入系統是自主設計的載入裝置,採用自主設計的藥包,置於試件上的預製炮孔之中,藥包內埋引爆線,藥包由程式控制在多路脈衝點火器引爆。該起爆系統時間精度可達到5μs以內,可以實現多個炮孔同時或者微差順序起爆,滿足多種爆炸載荷實驗的要求。
2.5同步系統
依據燈光上升沿的時間,以及爆炸現象開始的控制精度,設定相機的開啟時間,即連線引爆線的程式控制多路脈衝點火器與高速攝像機分別連線訊號源相連,可使相機稍早於爆炸載入開啟,以藥包起爆前某時刻影象作為參考影象,滿足數字影象相關方法基本假定。
2.6系統誤差分析
基於DIC的爆炸載入實驗系統主要由高速攝像系統和影象分析系統組成,因此,確定該系統與數字影象分析系統的匹配性,即系統本身的誤差(背景噪音)具有重要意義。為此進行了與試驗條件相同材料、相同散斑製作工藝,相同光源條件進行未載入條件下超高速(拍攝速度為10×105f/s)影象的應變場分析。去除邊界效應,高速影象的應變場的分析誤差在(150~200)×10-6(靜態50×10-6)與模型試驗同時間段應變場峰值應變6×10-3相比,系統誤差可控制在5%以內,具有比較高的分析精度。
3、系統的應用
本實驗採用的有機玻璃板材,透過設定切槽的三孔同時爆破模型實驗,嘗試應用新型實驗系統獲得爆炸應變場,檢驗該系統的實際效果,研究爆炸應變波的傳播規律。
3.1散斑製備
(1)散斑尺寸的選擇。DIC的相關計算技術主要藉助於被測物體表面覆蓋有灰度隨機分佈的散斑場,該散斑場作為試件表面資訊的載體隨試件一起變形,則散斑是決定相關計算精度的重要因素之一。散斑顆粒過小,滿足不了攝像機本身的解析度,致使散斑被相機漏識;散斑顆粒過大,雖然滿足了解析度要求但是帶來了相機誤識的風險,降低了計算精度[15,16],ChristopherNiezrecki等[17]推薦使用散斑直徑為5~7個畫素最優。
(2)散斑製作。優良的散斑質量技術能保證實驗結果的準確性與精確性[18],即好的散斑製作技術可實現散斑的各向同性、非重複性、高對比度。實驗材料是自然紋理,如某些岩石板材,不需要人工製備散斑。本實驗中的試件採用的是有機玻璃板,其自身透明而無自然紋理,需要對有機玻璃透過噴塗、手工點斑、列印等方式製備散斑場。計算機模擬設計,然後列印,散斑大小、密度、不規則度等引數都是可控,如圖4所示,相比較於噴塗法與手工製備,散斑更均勻,灰度梯度更好,更適合本次實驗的情況。
圖4列印散斑
3.2實驗描述
試件材料為PMMA材料,平面尺寸為400cm×400cm,厚度10mm,其力學效能引數[19]:縱波波速2.32km/s,橫波波速1.26km/s,Ed=6.1GPa,泊松比ν=0.28,ct=0.085m2/GN。相機的拍攝引數為10×105f/s,拍攝照片畫素為924pixel×768pixel。爆破引數為,三孔的炮孔直徑5mm、裝藥量160mgDDNP,三孔同時爆破,炮孔在一條直線上,炮孔間距60mm,並在炮孔上方60mm出設定2mm寬切槽。
3.3三炮孔同時起爆爆炸載荷作用下的應變場實驗結果與分析
新型數字影象相關方法實驗系統記錄了PMMA試件在三炮孔同時起爆爆炸載荷作用下的散斑影象,記錄時長為180μs,可獲得180張影象,其中高速相機的觸發的稍早於爆炸載入,以保證高速相機記錄下試件變形前影象,對數字影象進行標定。
(1)三炮孔同時起爆的不同時間段,以及不同方向的應變雲圖見圖5。三炮孔同時起爆的實現以及實現的精度,對於模型試驗有其重要意義,是對爆破載入系統同步性有效驗證。從實驗中可以清晰看到,試件左邊的1號現行起爆,其餘2、3號炮孔幾乎同時起爆,先行起爆的炮孔經過計算提前量不超過5μs,出現不一致的現象,分析原因主要是起爆通道瞬間釋放的能量峰值時間有差異,與炸藥本身受裝藥密度影響的敏感度不同有關。因此,這種誤差在某種程度上帶有一定的同步性,雖然這種誤差對於目前的試驗的視場是可以接受的,但實際試驗時仍然重視採用火花放電進行檢驗,同時需要重視藥包的製作,這不僅涉及載入系統同步同時也影響爆炸能量的均勻釋放。
圖5三炮孔應變場
(2)三炮孔同時起爆的應變雲圖表明,應變波的能量優先在二孔間傳遞,見圖6exx方向40μs後實現了首次疊加,峰值基本相同,後期由於1號孔的先爆,1號孔與2號孔之間P0處的應變波與2、3號炮孔之間P1處同時起爆有錯峰,P1處峰值比P0處要大,這直接導致了2、3號孔間連線方向直線貫通,爆炸能量在貫通處得到釋放,而1、2號之間的裂縫發展受錯峰影響在二孔之間雖然實現直線貫通,裂紋寬度小發展不夠充分(見圖7),表明雙孔同時起爆更容易實現二孔連線方向的能量釋放。
圖6標記點橫向應變場
圖7三孔同時起爆的裂紋發展
(3)三炮孔上方的切槽的存在使得應變波的傳播得以向切槽匯聚,然而由於爆破後孔間爆破能量得以優先發展,消弱了切槽方向的能量,使得在該方向並未出現裂隙。但切槽對於應變波的作用,卻有明顯的體現(見圖8),P0、P1、P2分別是迎爆點、背爆點和試件邊界點,從中可以發現,切槽對於應變波的傳播具有很大阻斷作用。這種作用透過改變切槽引數,對於爆破減振以及圍巖損傷的控制研究具有重要意義。
圖8標記點
4、結論
(1)基於DIC的爆炸載入實驗系統不受模型材料限制,可獲得拍攝速度每秒百萬幀量級的180幅影象,相比較與其他超高速測試系統,資訊量更大。
(2)Vic-2D軟體中的消除平面內旋轉與剛體位移選項減少了數字影象相關方法的誤差。適合在普通室內進行,對實驗環境的要求較低,且實驗超高速攝像照片便於儲存和分析。
(3)系統在攝像、燈光和起爆系統的同步控制上,控制精度可達5μs。對於模型爆炸試驗實現同步與延遲具有重要意義。
(4)在平面尺寸400cm×400cm的較大視場條件下,基於攝像解析度、散斑製作、光源以及載入系統的協調一致性,實現了系統背景噪聲控制在200×10-6以內,相比較於6000×10-6峰值,系統誤差控制在5%。
(5)三炮孔同時起爆的應變雲圖表明:雙孔同時起爆更容易實現二孔連線方向的能量釋放;三炮孔上方的切槽的存在使得應變波的傳播得以向切槽匯聚,切槽對於應變波的傳播具有很大阻斷作用。這種作用透過改變切槽引數,對於爆破減振以及圍巖損傷的控制研究具有重要意義。
