基于DIC的爆炸加载模型实验系统及其应用

孙 强， 王启乾， 杨立云

(中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

0 引 言

爆炸涉及物质在高速、高温、高压等极端条件下的复杂物理行为，且是在极短时间内完成并具有强烈破坏作用的超动态现象，材料的动力响应也呈现复杂的非线性变化特征，使理论计算和数值模拟在其破坏机理研究上存在较大困难。为此，爆炸加载条件下模型试验成为研究爆炸机理的重要手段,而其测试技术的突破显得尤为重要。

目前，相关研究的测试手段主要有超动态应变量测系统、动光弹实验、焦散线实验等[1-2]。上述实验手段相互补充，其中动光弹实验方法在研究应力场方面、焦散线在研究裂纹尖端尖端奇异性方面都取得了不小的成就[3-4]。同时动光弹实验方法受具有双折射模型材料限制,焦散线实验也主要以透射为主，不适宜岩石类模型材料，超动态应变量测系统受应变梯度的影响，不具有全场性的特点，所有这些不足表明岩石中应力波的传播以及动态断裂机理研究的测试手段有待进一步完善。本文基于数字图像相关方法(DIC)的爆炸加载模型实验系统的建立，在解决全场性、变形较大问题方面具有优越性，其研究材料即可是模型材料也可岩石类材料，且在测量过程中具有测量环境适应性好、自动化程度高等特点，因而在爆炸机理的研究上具有重要意义。

1 DIC基本原理及其基本假设

DIC本质上属于一种基于现代数字图像处理和分析技术的新型光测技术，又称为数字散斑相关方法(DSCM)，是一种光测力学变形场的测量方法。其原理是：通过对试件表面变形前后的数字散斑图像的灰度矩阵进行相关计算，跟踪计算点变形前后的空间位置，从而获得试件表面位移和应变信息的光学测试实验方法[5-6]。

实验中对于平面模型，为了获得可靠的测量结果，使用二维数字图像相关法测量物体的变形信息时必须满足以下几点基本假设:①被测物体表面为一平面或近似为一平面；②被测物体的变形主要发生在面内，离面位移很小，可以忽略不计；③摄像机光轴与被测物体表面法线平行(即摄像机光轴与被测物体表面垂直)；④物体表面上散斑点变形前后的灰度值不变。

2 基于DIC的爆炸加载实验系统

新型爆炸载荷DIC实验系统由试件、程序控制多路脉冲点火器、信号源、闪光灯控制器、补光设备、超高速摄像机、相机状态指示器、计算机组成，系统见图1所示。

图1 爆炸载荷DIC实验系统

2.1 超高速摄像机的选择

在光测力学发展过程中，相机的改进为推动其发展做出了巨大的贡献。早期主要有转镜式高速摄影系统[7]和多火花式高速摄影系统[8]，其中多火花式高速摄像系统多采用航空胶片以照片的形式呈现，上述系统受控制系统操作性，同步性以及设计光路的影响，成像的畸变性、清晰度和信息量上都与数码超高相机存在比较大的差距。目前，超高速数码摄像机信息量大小与清晰度主要受图像控制器影响，核心部件是CMOS或CCD两种图像传感器，其代表主要是日本Photron公司生产的SA系列、英国SI公司生产的Kirana系列和德国PCO AG公司生产的HSFC-PRO系列超高速相机。

针对上述不同性能的相机，国内学者开展了相关的研究；Wang等[9]研究了CCD相机噪声变化对测量误差的影响，Meng等[10]通过理论分析表明,使用CCD相机进行二维DIC相关计算时，得出两平面之间的夹角小于5°时得到的测量误差小于0.01像素。马少鹏等[11-12]使用Photron Fastcam SA-1结合数字图像相关方法进行了岩石动态破坏变形场的观测，杨立云等[13-14]使用Photron Fastcam SA-5型超高速摄影系统与焦散线方法结合，实现了对高速冲击(爆炸)载荷下试件动态断裂过程的焦散线拍摄。

上述研究对于超动态系统的建立奠定了良好的基础，但其选择的超高速相机在同时满足爆炸应变波的传播规律的研究(时间1 μs)以及基于DIC超高速条件下图像分辨率的的要求上不能实现匹配。SA-5系列达到10×105f/s时图像分辨率太低，HSFC-PRO系列虽然速度与图像分辨率均满足要求，是理想的拍摄爆炸等高速动态过程记录仪器，但由于该相机由4个ICCD组成，拍摄的照片不是由同一个CCD生成的，导致在同等条件下连续拍摄的图片出现比较大的畸变现象，灰度上有较大区别，在采用数字图像相关分析就会出现较大误差(见图2)。而Kirana相机采用独特的μCMOS传感器原理的相机，虽然在速度和清晰度以及有效视场上比采用CCD图传感器原理的相机的技术参数低一些，但畸变，灰度以及声噪小，静态拍摄照片的误差微应变仅50×10-6(见图3)。可实现在拍摄时大幅度调节视场，全分辨率支持所有的拍摄速度，图像采集数量固定为180张，拍摄速度可达5×106f/s、图像分辨率为924 pixels×768 pixels，是目前理想的选择，因此，本实验系统采用Kirana5M超高速摄像机。

2.2 Vic-2D软件分析系统

数字图像分析系统方面，美国Correlated Solution公司(CSI)的Vic分析系统是国内外最早开始进行数字图像相关技术研究的，其Vic-2D分析软件可以测量物体平面内任意点的真实位移和应变，并且可获得物体表面的每一点上的拉格朗日应变张量[15]，而其测试技术的突破则测量目前从500微应变至500%以上的应变，可用于计算全场位移、应变值，显得尤为重要。变量包括：x、y点的像素坐标值；u、v点的像素横向和纵向的位移值：exx、eyy、exy、x方向真应变，y方向真应变；xy方向剪切应变；e1、e2主应变和次主应变。

图3 采用μCMOS图像传感器静态对比分析云图

2.3 补光系统

为满足实验要求，实验中使用的补光系统包括SI-AD500灯光储能设备、控制器和闪光灯。其中控制器通道为四通道CU-500型控制器，具有独立和同步出发模式，既可控制多通道同时工作，也可控制多通道顺序工作。闪光灯型号为FH-500，采用的100 W的U型氙气闪光灯管。该闪光灯具有2 ms时长的恒定光强闪光灯照明时间，能够保证灰度一致，且上升沿时间稳定，其曝光时间长度的光强能有效的保证爆炸载荷下高速摄像机拍摄工作的完成。

2.4 加载系统

爆炸载荷的动态加载系统是自主设计的加载装置，采用自主设计的药包，置于试件上的预制炮孔之中，药包内埋引爆线，药包由程序控制在多路脉冲点火器引爆。该起爆系统时间精度可达到5 μs以内，可以实现多个炮孔同时或者微差顺序起爆，满足多种爆炸载荷实验的要求。

2.5 同步系统

依据灯光上升沿的时间，以及爆炸现象开始的控制精度，设置相机的开启时间，即连接引爆线的程序控制多路脉冲点火器与高速摄像机分别连接信号源相连，可使相机稍早于爆炸加载开启，以药包起爆前某时刻图像作为参考图像，满足数字图像相关方法基本假定。

2.6 系统误差分析

基于DIC的爆炸加载实验系统主要由高速摄像系统和图像分析系统组成，因此，确定该系统与数字图像分析系统的匹配性，即系统本身的误差(背景噪音)具有重要意义。为此进行了与试验条件相同材料、相同散斑制作工艺，相同光源条件进行未加载条件下超高速(拍摄速度为10×105f/s)图像的应变场分析。去除边界效应，高速图像的应变场的分析误差在(150～200)×10-6(静态50×10-6)与模型试验同时间段应变场峰值应变6×10-3相比，系统误差可控制在5%以内，具有比较高的分析精度。

3 系统的应用

本实验采用的有机玻璃板材，通过设置切槽的三孔同时爆破模型实验，尝试应用新型实验系统获得爆炸应变场，检验该系统的实际效果,研究爆炸应变波的传播规律。

3.1 散斑制备

(1) 散斑尺寸的选择。DIC的相关计算技术主要借助于被测物体表面覆盖有灰度随机分布的散斑场，该散斑场作为试件表面信息的载体随试件一起变形,则散斑是决定相关计算精度的重要因素之一。散斑颗粒过小，满足不了摄像机本身的分辨率，致使散斑被相机漏识；散斑颗粒过大，虽然满足了分辨率要求但是带来了相机误识的风险，降低了计算精度[15-16]，Christopher Niezrecki等[17]推荐使用散斑直径为5～7个像素最优。

(2) 散斑制作。优良的散斑质量技术能保证实验结果的准确性与精确性[18],即好的散斑制作技术可实现散斑的各向同性、非重复性、高对比度。实验材料是自然纹理,如某些岩石板材，不需要人工制备散斑。本实验中的试件采用的是有机玻璃板，其自身透明而无自然纹理，需要对有机玻璃通过喷涂、手工点斑、打印等方式制备散斑场。计算机模拟设计，然后打印，散斑大小、密度、不规则度等参数都是可控，如图4所示，相比较于喷涂法与手工制备，散斑更均匀，灰度梯度更好，更适合本次实验的情况。

图4 打印散斑

3.2 实验描述

试件材料为PMMA材料，平面尺寸为400 cm×400 cm， 厚度10 mm，其力学性能参数[19]:纵波波速2.32 km/s,横波波速1.26 km/s,Ed=6.1 GPa,泊松比ν=0.28,|ct|=0.085 m2/GN。相机的拍摄参数 为10×105f/s，拍摄照片像素为924 pixel×768 pixel。爆破参数为，三孔的炮孔直径5 mm、装药量160 mg DDNP，三孔同时爆破,炮孔在一条直线上,炮孔间距60 mm,并在炮孔上方60 mm出设置2 mm宽切槽。

3.3 三炮孔同时起爆爆炸载荷作用下的应变场实验结果与分析

新型数字图像相关方法实验系统记录了PMMA试件在三炮孔同时起爆爆炸载荷作用下的散斑图像，记录时长为180 μs，可获得180张图像，其中高速相机的触发的稍早于爆炸加载，以保证高速相机记录下试件变形前图像，对数字图像进行标定。

(1) 三炮孔同时起爆的不同时间段，以及不同方向的应变云图见图5。三炮孔同时起爆的实现以及实现的精度，对于模型试验有其重要意义，是对爆破加载系统同步性有效验证。从实验中可以清晰看到，试件左边的1号现行起爆，其余2、3号炮孔几乎同时起爆，先行起爆的炮孔经过计算提前量不超过5 μs，出现不一致的现象，分析原因主要是起爆通道瞬间释放的能量峰值时间有差异，与炸药本身受装药密度影响的敏感度不同有关。因此，这种误差在某种程度上带有一定的同步性，虽然这种误差对于目前的试验的视场是可以接受的，但实际试验时仍然重视采用火花放电进行检验，同时需要重视药包的制作，这不仅涉及加载系统同步同时也影响爆炸能量的均匀释放。

15 μs

58 μs

66 μs

74 μs

179 μs

图5 三炮孔应变场

(2) 三炮孔同时起爆的应变云图表明,应变波的能量优先在二孔间传递，见图6exx方向40μs后实现了首次叠加，峰值基本相同，后期由于1号孔的先爆，1号孔与2号孔之间P0处的应变波与2、3号炮孔之间P1处同时起爆有错峰，P1处峰值比P0处要大，这直接导致了2、3号孔间连线方向直线贯通，爆炸能量在贯通处得到释放，而1、2号之间的裂缝发展受错峰影响在二孔之间虽然实现直线贯通，裂纹宽度小发展不够充分(见图7),表明双孔同时起爆更容易实现二孔连线方向的能量释放。

图6 标记点横向应变场

图7 三孔同时起爆的裂纹发展

(3) 三炮孔上方的切槽的存在使得应变波的传播得以向切槽汇聚，然而由于爆破后孔间爆破能量得以优先发展，消弱了切槽方向的能量，使得在该方向并未出现裂隙。但切槽对于应变波的作用，却有明显的体现(见图8),P0、P1、P2分别是迎爆点、背爆点和试件边界点，从中可以发现,切槽对于应变波的传播具有很大阻断作用。这种作用通过改变切槽参数，对于爆破减振以及围岩损伤的控制研究具有重要意义。

图8 标记点

4 结 论

(1) 基于DIC的爆炸加载实验系统不受模型材料限制，可获得拍摄速度每秒百万帧量级的180幅图像，相比较与其他超高速测试系统，信息量更大。

(2) Vic-2D软件中的消除平面内旋转与刚体位移选项减少了数字图像相关方法的误差。适合在普通室内进行，对实验环境的要求较低，且实验超高速摄像照片便于存储和分析。

(3) 系统在摄像、灯光和起爆系统的同步控制上，控制精度可达5 μs。对于模型爆炸试验实现同步与延迟具有重要意义。

(4) 在平面尺寸400 cm×400 cm的较大视场条件下，基于摄像分辨率、散斑制作、光源以及加载系统的协调一致性，实现了系统背景噪声控制在200×10-6以内，相比较于6 000×10-6峰值，系统误差控制在5%。

(5) 三炮孔同时起爆的应变云图表明：双孔同时起爆更容易实现二孔连线方向的能量释放；三炮孔上方的切槽的存在使得应变波的传播得以向切槽汇聚，切槽对于应变波的传播具有很大阻断作用。这种作用通过改变切槽参数，对于爆破减振以及围岩损伤的控制研究具有重要意义。