CN103048241B - 用于落塔平台的砂土流动模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程地质技术领域中的模拟试验系统，尤其是涉及一种用于落塔平台的砂土流动模型试验系统。该模型试验系统包括若干灯光、双层架平台及其两个模型箱、高速摄像监控系统和电路控制系统。试验开始后，由控制室发出信号，接通直流电机电源，电机通电后带动挡板转动，此时砂箱内的岩土颗粒材料在模型箱内进行自由的流态化运动。该系统可与落塔试验平台的控制系统进行对接，并通过控制室的远程控制，实现颗粒材料在模型箱内的流动，借助视频观测系统，可清楚观察颗粒材料运动的整个过程，同时可以获得流动构型及持续时间。

Description

用于落塔平台的砂土流动模型试验系统

技术领域

本发明涉及工程地质技术领域中的模拟试验系统，尤其是涉及一种可在落塔平台使用的砂土流动的模拟试验系统。

背景技术

微重力及其微重力研究的实验设施落塔设备介绍：

微重力是指一种显著低于常规地球表面重力水平（1g = 980cm/s²）的受力环境。

中科院力学所的国家微重力实验（NMLC）室百米落塔建成于2003年，由于微重力落塔设施能获得几秒的微重力时间，是进行微重力科学研究最重要、最经济的地基微重力实验设施，也是我国进行微重力研究的主要试验基地。落塔建筑总高为116m，实验过程中，落舱从83米释放平台自由下落，可获得约3.6秒的微重力时间。落塔设施主要包括落舱系统、提升释放系统、回收系统和测控系统。落舱分为双舱、单舱两种类型。单舱的微重力水平在10^-2~10^-3g之间，适用于对微重力水平要求不是非常高的试验。单舱舱体由导流罩、蓄电池、试验平台、舱体以及被吸头构成，整个舱体为轻型、薄壁、受压组合壳体结构。最下方为锥形导流罩，内置舱内电源，其上部放置试验平台，通过螺栓等与舱体固定。最上方的被吸头通过与塔内的电磁吸头相吸进行吊装。图1为单舱结构示意图。

落塔系统采用电磁释放装置，通过电磁吸头组件将落舱的被吸头吸住，进而由卷扬机组件将落舱从地面提升至83m组装平台，由中心控制室控制操作平台实现落舱的释放。减速回收系统的核心组件为高强度编织网袋，辅助以其他的耗能制动组件，将高速下落的落舱动能转换为电能和弹性势能，最终实现落舱的安全回收。落塔装置因其可控性好，成本相对较低，因而发展较为成熟。

随着空间科学的发展，有关微重力环境下岩土颗粒流动的报道越来越多。由于微重力环境的作用，岩土颗粒的流动过程呈现出一系列与常规重力环境迥异的特征，如独特的溃滑失稳机理、超强的动力特性、大规模的高速远程运动、大量物质堆积等。这些现象远远超出了人们原有的认识和知识范畴领域，已成为深空探索领域亟待进一步研究和极具挑战性的科学问题。然而目前国内对此还缺乏有效的研究，具有一定的盲目性。为弥补此项研究的空白，发明一种可以在微重力环境下使用的砂土流动模拟试验系统就显得很有必要。

发明内容

本发明的目的就是为现有技术公开一种能够满足落塔平台的特殊微重力环境的砂土流动模拟试验系统，针对当前缺乏微重力环境下颗粒流动问题研究的现状，以模型实验为基础， 基于模型试验并结合数值模拟方法，进行微重力环境下岩土颗粒材料的流动特性研究。

本发明技术方案：基于中国科学院力学研究所国家微重力实验室（NMLC）的百米自由落塔设施，设计开发了一套能够适用于研究岩土颗粒流动特性的模型试验系统, 本发明系统不限于自由落塔设施,可应用于一切类似的封闭环境内。该模型试验系统包括若干灯光、双层架平台及其两个模型箱、高速摄像监控系统和电路控制系统，其中：

所述灯光作为光源，用于照明；

所述双层架平台采用舱内现有的双层舱架，以双层架平台的中心为中心对称，在上下两层同时安放两个完全相同的模型箱，保持动态中整个舱体的质心始终处于同一竖直线上；

所述模型箱，其材料为透明的有机玻璃板，模型箱底部设置一基座，用于垫高模型箱左侧高度，模型箱上安装挡板处于下垂状态后形成左侧的内接箱，是沙子的起始砂箱，挡板的旋转由直流电机驱动；挡板一端固定于转轴，转轴搭接限位在模型箱顶上，所述直流电机通过电机座固定在模型箱的相应位置，直流电机输出轴连接于连轴器，连轴器输出端连接于转轴；在模型箱上还设置接触限位开关，安装于挡板旋转的最大阈值位置，距离能与挡板碰触；

所述高速摄像监控系统为一个高速摄像机，用于测定不同时刻岩土颗粒材料流动的几何构型与表面位移，在模型箱前侧放置该高速摄像机以便清晰地摄录颗粒材料流动过程中不同时刻的构型；整个高速摄像机通过安装板固定于双层架平台上，在相机相应的电源开关处和录像开关处分别设置电磁铁，电磁铁通过基座固定于相机上；

所述电路控制系统，包括控制室、舱内接口模块、各开关电路和光源，所述舱内接口模块是舱体内现成的设备，所述控制室与舱内接口模块无线连接，所述各开关电路通过继电器分别与舱内接口模块连接；所述开关电路分别包括由电机驱动电路、接触限位开关和继电器三者形成的闭合回路，还包括第一电磁铁开关、相机电源开关、继电器三者形成的闭合回路，还包括第二电磁铁开关、相机录相开关、继电器三者形成的闭合回路；电机驱动电路、光源分别与舱内接口模块连接以获得工作电源。

进一步优化方案，所述高速摄像监控系统还包括另一个高速摄像机，在模型箱左上侧同样也放置一摄像设备从侧面观察砂土流动过程中表面形态的变化情况，由前侧得到的流动构型对流动的流体表面进行数字化，同时左上侧得到的构型图像可以对数字化结果进行校对，提高准确度。

进一步优化方案，本发明系统增设监控摄像头，在多位点布置若干个监控摄像头，则监控摄像头也与舱内接口模块连接，接受控制室无线通讯以获得控制室的操作指令，同时实现监控图像数据的回传。

该模型箱系统的基本工作原理如下：试验开始后，由控制室发出信号，接通直流电机电源，电机通电后带动挡板转动，此时砂箱内的岩土颗粒材料在模型箱内进行自由的流态化运动。同时，高速摄像装置将记录流动过程中不同时刻颗粒材料流动的几何构型与位移的动态实时变化，进而分析颗粒材料流态运动的流动范围、流动速度等动力学特征。当挡板转置接触开关后，自动切断电源，电机停止转动。该系统可与落塔试验平台的控制系统进行对接，并通过控制室的远程控制，实现颗粒材料在模型箱内的流动，借助视频观测系统，可清楚观察颗粒材料运动的整个过程，同时可以获得流动构型及持续时间。

与现有技术相比，本发明创新点：

1．岩土体在流动变形过程中产生的极大变形，采用传统的固体力学理论在研究此类问题时将存在诸多缺点。本发明创新性的采用流体力学理论这一全新的思路进行岩土体流动特性研究，克服了固体力学理论的研究缺陷。

2． 鉴于现有研究设备中没有专门针对微重力环境进行岩土颗粒材料流动的试验装置，结合中科院百米自由落塔的性能参数，本发明设计开发了一套适用于进行微重力落塔试验的模型试验系统。该系统可通过落塔控制室远程控制试验过程，所用模型箱及摄像装置清楚观察并记录岩土颗粒材料的流动过程。

（2）不同于传统研究中以常规的地表重力状态为研究条件，本发明基于设计的模型试验系统，可以进行常规重力及微重力环境下岩土颗粒材料的流动试验，获得了流动过程中岩土体变形的发展过程及构型变化。获得微重力环境下岩土颗粒流动呈现出的新现象，新特征。重点分析了常规重力环境及微重力下颗粒材料流动过程的流动特点，进一步认识重力地质作用的动力演化机理，为空间科技发展尤其是宇宙空间建设工程提供可靠、有力的科学依据。

附图说明

图1为单舱结构示意图( 属于现有技术,不是本发明对现有技术的贡献部分) 。

图2为模型箱装置示意图。

图3 相机控制装置示意图。

图4 为落塔中现有的双层舱架立体图，将之利用为本发明的双层架平台。

图5电路部分示意图。

图6整个系统的结构示意图。

标记说明: 模型箱1、挡板11、内接箱12、岩土颗粒（沙）13、基座14、直流电机21、电机座211、联轴器22、转轴23、接触限位开关24、光源3、高速相机4 、电磁铁41及其铁座42、相机安装板43、监控摄像头5、被吸头81、舱体82、舱内试验平台83、舱内电源84、导流罩85。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步介绍。 

实施例  

本发明在落塔平台的基础上，根据落塔试验系统的特点，有针对性的设计开发了一套适用于进行微重力落塔试验的模型试验系统。落舱是进行落塔试验的主要场所，与常规重力下的试验相比，在落塔中进行微重力试验还需考虑落塔设备的特殊限制。本实施例采用单舱进行微重力试验,舱内载荷空间为直径850mm，高1000mm的圆柱形空间, 因此本发明系统整体的实验设备必须适应该空间限制，如图1所示的单舱结构示意图,由上而下分别有被吸头81、舱体82、舱内试验平台83、舱内电源84、导流罩85。由于本实验中的岩土颗粒材料获得初速度的方法为自然重力加速，即在试验的开始阶段先让其在常规重力下流动短暂时间，获得初速度后，进入微重力环境继续流动，因此，所选用的材料的流动时间必须长到可以跨越两个流动阶段，本实施例采用普通岩土颗粒材料。另外，回收过载大于17g，试验系统的模型箱1、控制电路等各设备都必须坚固耐震。

如图6所示，本发明试验系统包括若干灯光、双层架平台及其两个模型箱、高速摄像监控系统和电路控制系统，其中：

所述灯光作为光源，用于照明，落塔装置内部是封闭黑暗的。

由于本发明用于研究微重力环境下的岩土颗粒材料流动特性，在试验过程中，试验用的颗粒材料将在模型箱内从左一端流动至另一端，而颗粒材料的流动造成的质心变化超出了落塔试验规定的安全范围，质心会有发生水平方向偏移。本发明利用舱体内现有双层舱架的结构，将之视为双层架平台，如图4所示。以双层架平台的中心为中心对称，在上下两层同时安放两个完全相同的模型箱，在同次试验、同一环境、同运动状态下，可以抵消单个模型箱试验中在水平方向产生的质心变化，能保持整个舱体的质心处于同一竖直线上，否则舱体将发生倾斜，给试验安全带来隐患。 

所述模型箱，选择能放入舱内的较大尺寸的透明模型箱1，模型箱1所用材料均为厚度为5mm的透明的有机玻璃板，如图2所示，模型箱底部设置一基座14，用于垫高模型箱左侧高度，模型箱上安装挡板11处于下垂状态后形成左侧的内接箱12，是沙子13（图2中未示）的起始砂箱，挡板11旋转最终至水平状态期间，沙子颗粒材料流动。 在挡板的旋转由直流电机21驱动（本实施例采用额定电压24v，转速60r/min）。挡板一端固定于转轴23，转轴搭接限位在模型箱1顶上，所述直流电机通过电机座211固定在模型箱的相应位置，直流电机输出轴连接于连轴器22，连轴器输出端连接于转轴，由此驱动挡板的旋转运动。在模型箱上还设置接触限位开关24，安装于挡板旋转的最大阈值位置，距离能与挡板碰触。

所述高速摄像监控系统为一个高速摄像机4（本实施例拍摄速度为420帧/秒的摄像机），用于测定不同时刻岩土颗粒材料流动的几何构型与表面位移，在模型箱前侧放置数码摄像设备以便清晰地摄录颗粒材料流动过程中不同时刻的构型。由于进行落塔试验时，相机4处于落舱内，将无法进行手动操作。因此，必须设计出相应的控制设备来远程控制相机的打开、录制及保存动作。相机的控制开关及固定方式如图3，整个相机4通过安装板43固定于双层架平台上，在相机相应的电源开关处和录像开关处分别设置电磁铁41，电磁铁通过基座42固定于相机上。本实施例选用的电磁铁均为额定电压24v的直流电。

进一步优化方案，所述高速摄像监控系统还包括另一个高速摄像机4，在模型箱左上侧同样也放置一摄像设备从侧面观察砂土流动过程中表面形态的变化情况，由前侧得到的流动构型对流动的流体表面进行数字化，同时左上侧得到的构型图像可以对数字化结果进行校对，提高准确度。

当然，本实施例高速摄像监控系统不局限于一个或者两个高速摄像机4，为了进一步优化，甚至还可以布置若干个监控摄像头。

所述电路控制系统，如图5所示，它包括控制室、舱内接口模块、各开关电路和光源，所述舱内接口模块是舱体内现成的设备，舱内接口模块本身的结构不是本发明的贡献部分，本发明设计的模型试验系统必须与该落塔设施相对接，所述控制室与舱内接口模块无线连接，所述各开关电路通过继电器分别与舱内接口模块连接；所述开关电路分别包括由电机驱动电路、接触限位开关和继电器三者形成的闭合回路，还包括第一电磁铁开关、相机电源开关（图中未示）、继电器三者形成的闭合回路，还包括第二电磁铁开关、相机录相开关（图中未示）、继电器三者形成的闭合回路。电机驱动电路、光源分别与舱内接口模块连接以获得工作电源。

本发明系统增设监控摄像头，则监控摄像头也与舱内接口模块连接，接受控制室无线通讯以获得控制室的操作指令，同时实现监控图像数据的回传。出于保护落塔平台的电路控制系统，实验时通过控制继电器的开关，实现对电磁铁和电机的控制。所述继电器为市售的电磁继电器，它由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的，其基本原理为线圈两端施加电压后，线圈中产生电流，通过电磁效应将内部衔铁吸向铁芯，从而实现电路打开或闭合的功能。继电器本身不是本发明对现有技术的贡献部分。

基于上述电路控制系统，1.模型箱系统的基本工作原理：试验开始后，由控制室发出信号，接通直流电机电源，电机通电后带动挡板转动，此时砂箱内的岩土颗粒材料在模型箱内进行自由的流态化运动。同时，高速摄像装置将记录流动过程中不同时刻颗粒材料流动的几何构型与位移的动态实时变化，进而分析颗粒材料流态运动的流动范围、流动速度等动力学特征。当挡板转置接触开关后，自动切断电源，电机停止转动。 2.拍摄系统工作原理：试验前，通过控制室打开电源开关，通电后电磁铁的铁芯向前运动触碰相机按钮后将相机电源打开，继而接通第二个电磁铁电源（图中未示），其铁芯向前运动，此时相机将进入录像状态，试验结束后同样通过电磁铁关闭相机，使得整个过程中相机的开通时间较短，保证了相机电池的续航能力及存储能力均能符合试验要求。

模型箱可满足试验用的岩土颗粒材料的大范围流动，通过控制电机的供电实现模型箱内接箱挡板的开启，实现了试验操作的远程控制。采用摄像机和监控相机相结合的图像采集装置，实现对实验过程岩土颗粒材料流动的全程记录，满足了颗粒材料变形流动的观测要求。通过更换木质基座14角度，可方便的实现模型箱角度的变化，以便观测不同角度下的试验结果。模型试验系统可以充分利用了计算技术、数字成像技术的发展成果，将计算机技术、摄像与图像分析量测技术融于一体（该部分不是本发明技术方案任务），可以得到岩土颗粒材料流动后的流动构型和流动范围等信息，为微重力环境下岩土颗粒材料的流动特性研究提供依据。本发明设计的模型试验系统与落塔设施相对接，进行微重力环境下岩土颗粒的流动特性研究。试验结果表明，重力场减弱后使得岩土颗粒材料的流动速度降低的更加缓慢。在提供初始速度的情况下，岩土颗粒材料在微重力环境中流动持续时间更长，流动范围更大。测试结果表明，该模型试验系统可清晰观测岩土颗粒材料流动的整个过程，并获得其流动的流动构型和流动范围等信息。

Claims (2)

1.一种用于落塔平台的砂土流动模型试验系统，其特征在于，该模型试验系统包括若干灯光、双层架平台及其两个模型箱、高速摄像监控系统和电路控制系统，其中：

所述灯光作为光源，用于照明；

所述双层架平台采用舱内现有的双层舱架，以双层架平台的中心为中心对称，在上下两层同时安放两个完全相同的模型箱，保持动态中整个舱体的质心始终处于同一竖直线上；

所述模型箱，其材料为透明的有机玻璃板，模型箱底部设置一基座，用于垫高模型箱左侧高度，起始静止状态下模型箱上安装的挡板处于下垂状态，从而形成左侧的内接箱，内接箱是沙子的起始砂箱，挡板的旋转由直流电机驱动；挡板一端固定于转轴，转轴搭接限位在模型箱顶上，所述直流电机通过电机座固定在模型箱的相应位置，直流电机输出轴连接于连轴器，连轴器输出端连接于转轴；在模型箱上还设置接触限位开关，所述接触限位开关安装于挡板旋转的最大阈值角度位置，且接触限位开关与转轴之间的距离能保证其与挡板碰触；

所述高速摄像监控系统为一个高速摄像机，用于测定不同时刻岩土颗粒材料流动的几何构型与表面位移，在模型箱前侧放置该高速摄像机以便清晰地摄录颗粒材料流动过程中不同时刻的构型；整个高速摄像机通过安装板固定于双层架平台上，在高速摄像机相应的电源开关处和录像开关处分别设置电磁铁，电磁铁通过基座固定于高速摄像机上；

所述电路控制系统，包括控制室、舱内接口模块、各开关电路和光源，所述舱内接口模块是舱体内现成的设备，所述控制室与舱内接口模块无线连接，所述各开关电路通过继电器分别与舱内接口模块连接；所述开关电路分别包括由电机驱动电路、接触限位开关和继电器三者形成的闭合回路，还包括第一电磁铁开关、相机电源开关、继电器三者形成的闭合回路，还包括第二电磁铁开关、高速摄像机录相开关、继电器三者形成的闭合回路；电机驱动电路、光源分别与舱内接口模块连接以获得工作电源。

2.如权利要求1所述的用于落塔平台的砂土流动模型试验系统，其特征在于，所述高速摄像监控系统还包括在多位点布置若干个监控摄像头，则监控摄像头也与舱内接口模块连接，接受控制室无线通讯以获得控制室的操作指令，同时实现监控图像数据的回传。