一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法
一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法
本发明提出了一种新的同步观测技术，该技术结合偏振光显影和激光透射技术，能够在力学试验过程中对冰试样进行细观结构与宏观力学行为的动态同步测量。此技术不仅能够实时监测冰样细观结构的时间演变，还能深入探究细观机理与宏观性能之间的关联，从而为海冰材料的力学性质提供更全面的理解。
本发明属于试验测试，涉及一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法。
背景技术：
1、天然形成的海冰是一种复杂的多晶材料。在自然生长条件下，海冰具有特定的晶体形状与排列结构。此外，由于相变过程中空气与盐水的混入，海冰内形成了晶体间的缺陷，这些特征赋予了天然海冰独特的物理力学性质。学术界研究冰的细观结构通常是将冰样切成薄片(通常厚度小于1mm)，放在交叉偏振光下来进行冰晶体显影，此方法仅可以研究晶体的宏观指标，如晶粒平均粒径、晶粒数量对于冰样宏观力学行为的影响。进一步研究中，有学者利用数字图像相关技术(dic)进行了多晶冰的试验，以表征瞬态蠕变变形期间晶粒内尺度应变不均匀行性发展历程。其主要做法是，在试验前对冰样切片进行细观结构的分析，并在冰样的表面喷涂一些特定涂料形成散斑。在试验过程中通过dic技术获得的应变场并与试验前冰样的细观结构叠加，来研究细观结构对于应变不均匀性的影响。利用dic技术能够提供冰试样整个表面的位移和应变分布，可以揭示冰样品在受力过程中的复杂变形行为。但是由于dic技术依赖于试样表面的散斑图案，冰的光滑表面使得大多数用于制作斑点图案的常规物质(油漆、墨水等)都不会粘附在冰面上，因此要求对试样表面进行特定处理并用特殊材料制作散斑，因此可能会影响散斑的形成和观测精度。其次，dic技术应用于冰材料时依赖于试验前后冰样的细观结构不发生改变这一假设，但是实际冰晶体在力学加载条件下将会发生晶体的变形、晶界之间的滑移、动态再结晶等细观行为，这些是dic技术所观测不到的。并且，dic技术主要用于观测试样的表面变形，在表面形成散斑图层后，将难以捕捉到冰试样内部的缺陷对于力学行为的影响。
2、目前研究冰内缺陷对于冰力学行为影响主要采用以下两种方式：x射线计算机断层扫描(ct扫描)法和声波成像法。ct扫描法主要依托于ct扫描仪对冰样品的多角度扫描，生成一系列横截面图像，将这些横截面图像通过计算机重建成三维图像，以展示冰样的内部结构，包括孔隙的分布和形态。但是扫描和图像重建过程可能需要较长时间，此时间内需要保持冰样的温度恒定，以避免因融化或重新结晶而导致结构变化，从而产生对力学测试的结果产生影响。声波成像法主要通过发射器向冰样发送超声波脉冲，接收器记录通过冰样反射或穿透的声波信号，利用声波传播的速度、衰减和反射特性，来评估冰样内部孔隙的位置和大小等信息。但是声波信号易受噪声干扰，而冰在发生断裂时难免会产生声音，因此数据处理和解释需要高度专业化。
3、尽管上述方法能够在一定程度上揭示细观结构对宏观力学性能的影响，但它们并未能充分反映晶体结构及晶体内部缺陷在试验过程中的变形动态。因此，本发明提出一种新的同步观测技术，该技术结合偏振光显影和激光透射技术，能够在力学试验过程中对冰试样进行细观结构与宏观力学行为的动态同步测量。此技术不仅能够实时监测冰样细观结构的时间演变，还能深入探究细观机理与宏观性能之间的关联，从而为海冰材料的力学性质提供更全面的理解。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种在海冰的力学试验过程中，实现对冰试样的宏观加载力(应力)、加载位移(应变)及加载速度(应变率)等宏观指标与冰晶体织构、孔隙缺陷之间细观行为的动态同步观测方法。为实现此目的，本发明提出一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法，技术方案如下：
2、一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法，所采用的测量设备包括载荷测量系统、位移测量系统以及细观成像系统；载荷测量系统包括载荷传感器，用于测量试验过程中冰试样所受到的外载荷；位移测量系统包括布置于试验机上压盘的位移传感器，用于测量冰试样上表面在试验过程中的位移；细观成像系统包括摄像机、可调亮度的背景光源、偏振片和激光线光源，用于在摄录设备上显示冰样的细观结构信息；包括如下的步骤：
3、(1)冰样本的制备；
4、(2)细观成像系统的放置与细观捕捉
5、在试验机后方，与测试区域高度平行的位置架起可以无极调光的背景光源，背景光源与测试区域之间的距离不大于30cm；在试验机上放置制备好的冰试样，使其所在平面与背景光源发射光线相互垂直；在背景光源和冰试样之间放置偏振光片a，在冰试样的另一侧放置偏振光片b，并使两个偏振光片所在的平面相互平行；调整偏振光片b的偏振方向使其与偏振光片a的偏振方向垂直；在偏振光片b前放置摄像机；
6、在冰试样的一侧放置激光线光源，并调整激光线光源的角度，使其发射的“一”字形光束与冰试样的侧面边缘相互平行；且激光线光源的射入位置为冰试样厚度的一半位置处；每次试验过程中或者单独使用背景光源，或者单独使用激光线光源，或者同时使用两个光源；
7、(3)宏观数据处理：对于巴西盘抗拉试验，通过载荷测量系统实时记录冰样所受到的外载荷；生成“力-时间”变化曲线；对于单轴压缩试验，载荷测量系统和位移测量系统同步工作，生成应力-应变曲线；
8、(4)细观数据分析
9、同步图片序列导出：将摄像机在试验过程中捕捉到的图像，以与载荷测量系统和位移测量系统采集的试验加载数据相同的帧率导出为图像序列，确保每一帧图像都与试验加载数据同步；
10、选取分析时刻：根据宏观力学数据的变化，包括“力-时间”曲线或“应力-应变”曲线，选择关键时刻进行分析；关键时刻包括载荷峰值、应力突变点；
11、细观数据的综合分析。
12、进一步的，所述激光线光源为绿色激光器。
13、进一步的，冰样本的制备的方法如下：制备厚度不大于15mm的冰试样，以便于得到较好晶体织构和孔隙缺陷的显影效果；对于单轴压缩试验，切割成不超过100mm×100mm的长方形试样，打磨所有切割面，以保持光滑平整，且两个相对面严格平行，相邻两面严格垂直；对于巴西盘试验，从圆柱形冰芯试样中切取圆盘形试样，打磨至圆形平面光滑且平行，厚度减至10mm以下。
14、进一步的，宏观数据处理的方法如下：
15、在巴西盘抗拉试验中，通过载荷测量系统实时记录冰样所受到的外载荷；试验中，载荷传感器会随着加载过程记录冰样在不同时间点的受力情况，生成“力-时间”变化曲线；
16、在单轴压缩试验中，载荷测量系统和位移测量系统同步工作，实时记录冰样的外载荷和上压盘的压缩位移；生成应力-应变曲线，用于分析应力峰值和断裂点的力学特征。
17、进一步的，细观数据的综合分析的方法为：通过偏振光成像技术，能够获取冰试样的晶体粒径、晶界特征细观信息；而激光透射技术的加入，使得观测结果在晶体特征基础上，进一步观测冰样内部的气泡分布和盐水排出通道的特征；通过对前后帧图像的对比分析，精确观察裂纹的成核位置、扩展路径和发展速度；通过对裂纹扩展过程的观察，了解晶粒、晶界以及气泡结构在裂纹生成与扩展中的作用；结合图像数据，分析冰试样局部区域的位移变化和应变分布；重点关注区域的局部变形信息用于解释包括晶粒和孔隙在内的不同结构特征对局部力学行为的影响。
18、本发明作为一种冰试样力学行为的细宏观动态同步观测方法，具有以下优势：
19、1.同步数据获取：该方法通过同步记录载荷数据和高清图像，确保了宏观力学行为与细观结构变化之间的精确对应。这种同步观测能够为分析冰的力学性能和破坏过程提供更准确的数据支持。
20、2.详细的织构分析：利用偏振光透射技术，该方法能够细致地观察冰晶体的结构特征，如晶体粒径、晶界特征等。利用激光透射技术，该方法可以直观地显示冰试样内的气泡分布、盐水排出通道特征等。这种详细的结构分析有助于深入理解冰的内部结构对其宏观力学行为的影响。
21、3.裂纹行为的直观观察：通过偏振光和激光透射技术以及高清摄像机的连续捕捉，该方法可以直观地观察到裂纹的起始和扩展过程，及其与细观织构的相互关系，提供了对冰试样破坏机制的重要视角。这对于观测冰的裂纹成核机理和扩展模式具有重要意义。
22、4.改进的试验设计：通过人工选择重点关注的时刻进行详细分析，该方法允许研究者根据试验目的和需要调整观测焦点，从而更灵活地探索冰的力学和破坏行为。