CN104807705B - 一种平面纯剪试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面纯剪试验装置及方法，所述装置以反力墙为整个装置提供固定点，通过线滑轮和连接杆调整马达和剪叉机构的位置，通过马达为整个装置提供动力，马达带动剪叉机构发生剪叉运动提供平面的纯剪动力，剪叉机构引导滑块运动，滑块带动导向棒和伸缩膜对试样直接施加纯剪力。本发明通过控制试样水平和垂直方向的边界位移，能使试样边界处于平面纯剪状态，克服了传统加载装置难以实现模型边界处于平面纯剪状态的难题，填补目前该领域的空白，为研究纯剪条件下材料的变形特性提供有力支持。同时，本发明采用剪叉机构控制变形，使试验装置的尺寸可以达到米级，尤其适用于岩土材料的纯剪试验，是一种大型试验装置。

Description

一种平面纯剪试验装置及方法

技术领域

本发明属于材料试验技术领域，具体涉及一种平面纯剪试验装置及方法。

背景技术

剪切试验是研究材料力学特性的常用手段，尤其对岩土材料而言，剪切试验所获得的数据对岩土材料的使用和环境适应性具有巨大的指导意义。

现有技术中，通常采用直剪试验获得所需的材料力学特性，也是比较成熟的试验方法。但是，直剪试验具有一些自身无法克服的缺陷。如，直剪试验的剪切面是主观确定的；试验过程中，试样中的应力和应变不均匀，而且应力和应变的变化情况十分复杂；试样内各点应力状态及应力路径不同，在剪切面附近岩土单元上的主应力大小是变化的，方向是旋转的，无法保证试样处于纯剪状态，因而不能准确地获得材料在纯剪状态下的力学特性。另外，直剪试验的装置较小，不能观察试样在纯剪条件下的内部变形。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种平面纯剪试验方法和装置，通过控制试样水平和垂直方向的边界位移，保证试样边界处于平面纯剪状态，为研究纯剪条件下材料的力学特性提供准确的基础数据，同时实现适用于不同材料的试验装置的大型化，且更有利于材料力学性能的观察和研究。

根据本发明的一个方面，提供了一种平面纯剪试验装置，所述装置至少包括剪叉机构，所述剪叉机构用于为所述平面纯剪试验提供连续、均匀的纯剪力。

上述方案中，所述装置还包括：导向棒、滑块、伸缩膜、马达、连接杆、反力墙、线滑轮；其中，

所述反力墙用于为整个装置提供固定点，使整个装置在试验过程中保持稳定状态；

所述线滑轮的一侧固定在反力墙的内侧，另一侧通过连接杆与所述剪叉机构/马达相连，实现剪叉机构/马达与反力墙的滑动连接，用于对剪叉机构/马达位置进行调整；

所述剪叉机构的一侧通过连接杆与所述线滑轮相连，另一侧与所述马达的一侧相连，所述马达的另一侧再通过连接杆与所述线滑轮相连；所述马达用于为装置提供动力，所述剪叉机构用于在马达的带动下通过剪叉运动提供平面的纯剪力；

所述滑块与所述剪叉机构连接，用于在剪叉机构的带动下定向运动；

所述导向棒贯穿所述滑块，用于在滑块的带动下定向移动；

所述伸缩膜固定在所述滑块的内侧，用于与试样接触，固定试样，并用于直接对试样施加纯剪力。

上述方案中，所述滑块与所述剪叉机构连接，进一步为通过铰接的方式进行连接。

上述方案中，所述剪叉机构包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种平面纯剪试验方法，所述方法通过剪叉机构为所述平面纯剪试验提供连续、均匀的纯剪力。

上述方案中，所述方法还包括：

固定试样；

设置剪叉机构，所述剪叉机构通过伸缩膜与试样接触；

通过马达带动剪叉机构发生剪叉运动，从而通过伸缩膜对所述试样施加连续、均匀的纯剪力。

上述方案中，所述剪叉机构包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构。

上述方案中，所述方法还包括：

在所述剪叉机构的内侧设置滑块，所述滑块与所述剪叉机构连接，在剪叉机构的带动下定向运动；设置贯穿于所述滑块的导向棒，在滑块的带动下定向移动；所述导向棒与所述伸缩膜平行，为所述伸缩膜提供支撑。

上述方案中，所述滑块与所述剪叉机构连接，进一步为通过铰接的方式进行连接。

本发明所提供的平面纯剪试验装置及方法，所述装置通过反力墙为整个装置提供固定点，通过线滑轮和连接杆调整马达和剪叉机构的位置，通过马达为整个装置提供动力，马达带动剪叉机构发生剪叉运动提供平面的纯剪动力，剪叉机构引导滑块运动，滑块带动导向棒和伸缩膜对试样直接施加纯剪力。本发明通过控制试样水平和垂直方向的边界位移，能使试样边界处于平面纯剪状态，克服了传统加载装置难以实现模型边界处于平面纯剪状态的难题，填补目前该领域的空白，为研究纯剪条件下材料的变形特性提供有力支持。而且本发明采用剪叉机构控制变形，使试验装置的尺寸可以达到米级，尤其适用于岩土材料的纯剪试验，是一种大型试验装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的平面纯剪试验装置立体结构示意图；

图2为图1所示平面纯剪试验装置主视图；

图3为图1所示平面纯剪试验装置中滑块与伸缩膜连接示意图；

图4为图1所示平面纯剪试验装置中滑块和导向棒连接示意图；

图5为图1所示平面纯剪试验装置中剪叉机构和滑块连接示意图；

图6为图1所示平面纯剪试验装置中线滑轮结构示意图；

图7为本发明实施例二的平面纯剪试验方法流程示意图。

附图标记说明

1-剪叉机构；2-导向棒；3-滑块；4-伸缩膜；5-马达；6-连接杆；7-反力墙；8-线滑轮；8.1-钢珠。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面详细描述本发明的实施方式，通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种平面纯剪试验装置和方法，能够保证试样处于平面纯剪状态，并且该装置的侧面可以采用有机玻璃制成，因而能够观察试样在纯剪条件下的内部变形。

图1为本发明实施例一的平面纯剪试验装置立体示意图；图2为图1所示平面纯剪试验装置结构示意图；图3为图1所示平面纯剪试验装置中滑块与伸缩膜连接示意图；图4为图1所示平面纯剪试验装置中滑块和导向棒连接示意图；图5为图1所示平面纯剪试验装置中剪叉机构和滑块连接示意图；图6为图1所示平面纯剪试验装置中线滑轮示意图。

如图1和图2所示，本实施例的平面纯剪试验装置包括：剪叉机构1、导向棒2、滑块3、伸缩膜4、马达5、连接杆6、反力墙7、线滑轮8。

所述剪叉机构1用于在马达5的带动下通过剪叉运动为平面纯剪试验提供平面的连续、均匀的纯剪动力；所述导向棒2用于引导滑块5运动；所述滑块3用于带动伸缩膜4对试样直接施加纯剪力；所述马达5用于为整个装置提供动力；所述连接杆6用于剪叉机构1与线滑轮8的连接；所述反力墙7用于为整个装置提供固定点，使整个装置在试验过程中保持稳定状态；所述线滑轮8用于根据试样的需求对马达位置进行调整。优选的，所述反力墙7所构成的截面由透明材料覆盖，在所述反力墙7的前截面和/或后截面形成透明的观察窗；所述伸缩膜4为橡皮膜；所述反力墙7为钢性固体。

图3为图1所示平面纯剪试验装置中滑块与伸缩膜连接示意图。

如图3所示，所述滑块3与平行排列的一组剪叉机构1相连，通过连接件与所述伸缩膜4紧密相连，如此，滑块在剪叉机构1的带动下滑动时，带动所述伸缩膜4平面的移动，伸缩膜4外的部分发生伸缩，适应纯剪区域的变化，使得伸缩膜4的平面与所述试样相适应，从而为纯剪试验提供平面、连续、均匀的纯剪力。

图4为图1所示平面纯剪试验装置中滑块和导向棒连接示意图。

如图4所示，所述导向棒2与所述单独的一个剪叉机构平行，一个剪叉机构沿导向棒2方向设置，所述导向棒2贯穿滑块3，对所述滑块3起到固定的作用；相应的，每个滑块3与一组导向棒2相垂直，并贯穿于一组导向棒2，同时，每个滑块3也与一组剪叉机构1相连，从而在剪叉机构4的带动下，发生滑动，而不会发生偏移，保持各个滑块3之间的平行，从而为试验提供一个稳定的平面。

图5为图1所示平面纯剪试验装置中剪叉机构和滑块连接示意图。

如图5所示，所述剪叉机构1的每个小单元由四个相互铰接的直杆构成，所构成的一个铰接点与所述滑块3相连，从而成为这个小的剪叉单元的支点，侧面的铰接点与另外一个小的剪叉单元通过铰接的方式相连，从而形成一个单独的剪叉机构1；每个滑块3上设置多外铰接点，与一组相互平行的剪叉机构的相对的小的剪叉单元连接，从而使得一组相互平行的剪叉机构1共同为所述伸缩膜所在的平面提供纯剪动力，保证纯剪力的均匀、连接。

图6为图1所示平面纯剪试验装置中线滑轮结构示意图。

如图6所示，优选的，所述线滑轮8包括两组相互平行的钢珠8.1，在钢珠8.1的中间与连接杆6相连，通过钢珠8.1的移动，调整连接杆6的位置，从而调整与所述连接杆6相连的剪叉机构1和/或马达5的位置。

如图1至图6所示，所述线滑轮8固定在反力墙7的内侧，所述剪叉机构1的一侧通过连接杆6与所述线滑轮8相连，实现剪叉机构1与反力墙7的滑动连接；剪叉机构1的另一侧通过连接杆6与所述马达5相连，所述马达5通过连接杆6连接在线滑轮8上，实现马达5与反力墙7的滑动连接。

所述导向棒2位于试验区的边缘。

所述滑块3贯穿于导向棒2上，所述伸缩膜4固定在所述滑块3的面向试样的一侧，在试验的过程中与试样接触；所述剪叉机构1在与伸缩膜4相对的另一侧与所述滑块3连接。

马达5通过连接杆带动剪叉机构1变形时，剪叉机构1带动滑块3滑动，通过所述滑块3带动导向棒2运动，导向棒3通过伸缩膜4对试样施加纯剪力，保持试样边界的均匀变形。

优选的，所述滑块3与剪叉机构1通过铰接的方式实现连接。

优选的，所述剪叉机构1包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构，所述水平剪叉机构即为试样垂直边界的剪叉机构，所述垂直剪叉机构即为试样水平边界的剪叉机构，所述水平剪叉机构和垂直剪叉机构相互独立控制，也可以同时控制，实现两个方向剪叉机构的联动，使试样边界水平应变和边界垂直应变之和等于零，从而保证试样处于纯剪状态。

当采用本实施例的平面纯剪试验装置进行试样的纯剪试验时，首先根据试样的大小和形状调整线滑轮8，线滑轮8通过连接杆6带动马达5和剪叉机构1进入预定位置，使装置在剪叉机构1松驰状态下，伸缩膜4与试样的边界处于相接触的状态。放置好试样后，启动马达5，马达5带动剪叉机构1发生剪叉运动。处于水平方向的剪叉机构1实现试样水平方向的边界位移；处于垂直方向的剪叉机构1实现试样垂直方向的边界位移。剪叉机构1带动滑块3沿预定方向滑动，从而带动导向棒2平移，导向棒2推动伸缩膜4对试样施加平面、连续、均匀的纯剪力。

另外，所述反力墙7所构成的截面由透明材料覆盖，在所述反力墙7的前截面和/或后截面形成透明的观察窗，从而可以直观的观察到试样的变化过程。

本发明实施例通过控制试样水平和垂直方向的边界位移，能使试样边界处于平面纯剪状态，克服了传统加载装置难以实现模型边界处于平面纯剪状态的难题，填补目前该领域的空白，为研究纯剪条件下材料的变形特性提供有力支持。同时，本发明采用剪叉机构控制变形，使试验装置的尺寸可以达到米级，尤其适用于岩土材料的纯剪试验，是一种大型试验装置。

图7为本发明实施例二的平面纯剪试验方法流程示意图。

如图7所示，本实施例的平面纯剪试验方法，包括如下步骤：

步骤S101，固定试样。

优选的，本步骤固定试样的过程具体为：首先根据试样的大小和形状调整线滑轮，线滑轮通过连接杆带动马达和剪叉机构进入预定位置，使装置在剪叉机构松驰状态下，伸缩膜与试样的边界处于相接触的状态。

步骤S102，设置剪叉机构，所述剪叉机构通过伸缩膜与固定试样接触。

优选的，所述剪叉机构通过伸缩膜与固定试样接触，具体包括：在所述剪叉机构的内侧设置滑块，与所述剪叉机构固定连接，在剪叉机构的带动下定向运动；设置贯穿于所述滑块的导向棒，在滑块的带动下定向移动；所述导向棒与所述伸缩膜平行，为所述伸缩膜提供支撑。

所述剪叉机构包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构，所述水平剪叉机构即为试样垂直边界的剪叉机构，所述垂直剪叉机构即为试样水平边界的剪叉机构，所述水平剪叉机构和垂直剪叉机构相互独立控制，也可以同时控制，实现两个方向剪叉机构的联动，使试样边界水平应变和边界垂直应变之和等于零，从而保证试样处于纯剪状态。

步骤S103，通过马达带动剪叉机构发生剪叉运动，从而通过伸缩膜对所述试样施加纯剪力。

本实施例的平面纯剪试验方法，通过控制试样水平和垂直方向的边界位移，能使试样边界处于平面纯剪状态，克服了传统加载装置难以实现模型边界处于平面纯剪状态的难题，为研究纯剪膜件下材料的变形特性供有力支持。而且本发明采用剪叉机构控制变形，使试验装置的尺寸可以达到米级，尤其适用于大型岩土材料的纯剪试验。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种平面纯剪试验装置，其特征在于，所述装置包括：剪叉机构、导向棒、滑块、伸缩膜、马达、连接杆、反力墙、线滑轮；其中，

所述剪叉机构用于为所述平面纯剪试验提供连续、均匀的纯剪力；

所述反力墙用于为整个装置提供固定点，使整个装置在试验过程中保持稳定状态；

所述线滑轮的一侧固定在反力墙的内侧，另一侧通过连接杆与所述剪叉机构/马达相连，实现剪叉机构/马达与反力墙的滑动连接，用于对剪叉机构或马达位置进行调整；

所述剪叉机构的一侧通过连接杆与所述线滑轮相连，另一侧与所述马达的一侧相连，所述马达的另一侧再通过连接杆与所述线滑轮相连；所述马达用于为装置提供动力，所述剪叉机构用于在马达的带动下通过剪叉运动提供平面的纯剪力；

所述滑块与所述剪叉机构连接，用于在剪叉机构的带动下定向运动；

所述导向棒贯穿所述滑块，用于在滑块的带动下定向移动；

所述伸缩膜固定在所述滑块的内侧，用于与试样接触，固定试样，并用于直接对试样施加纯剪力。

2.根据权利要求1所述的平面纯剪试验装置，其特征在于，所述滑块与所述剪叉机构连接，为通过铰接的方式进行连接。

3.根据权利要求1所述的平面纯剪试验装置，其特征在于，所述剪叉机构包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构。

4.一种平面纯剪试验方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1所述的平面纯剪试验装置来实现，所述方法包括：

固定试样；

设置剪叉机构，所述剪叉机构通过伸缩膜与试样接触；

通过马达带动剪叉机构发生剪叉运动，从而通过伸缩膜对所述试样施加连续、均匀的纯剪力；

在所述剪叉机构的内侧设置滑块，所述滑块与所述剪叉机构连接，在剪叉机构的带动下定向运动；设置贯穿于所述滑块的导向棒，所述导向棒在滑块的带动下定向移动；所述导向棒与所述伸缩膜平行，为所述伸缩膜提供支撑。

5.根据权利要求4所述的纯剪试验方法，其特征在于，所述剪叉机构包括水平剪叉机构和垂直剪叉机构。

6.根据权利要求4所述的纯剪试验方法，其特征在于，所述滑块与所述剪叉机构连接，为通过铰接的方式进行连接。