CN105606496B - 一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置及试验方法，所述的装置包括：支架，支架上端固接有横梁，横梁两端设置有第一滑轮和第二滑轮，支架一侧设置有电动机，支架另一侧设置有测量盘，测量盘上设置有刻度，测量盘上垂直放置空心圆筒，空心圆筒上端设置有筒盖，下端开口，圆筒外壁设置有刻度，以读取空心圆筒内松散颗粒的高度，刚性连接线架设在滑轮上，一端连接空心圆筒上端的筒盖，另一端固接于调速轮。本发明适用性强，可控可调，操作简便，通过调整试验圆筒直径、装载试验材料高度及变频调速器，实现不同约束边界控制条件下的溃决试验模拟，通过测量盘和高速摄像机对溃决试验过程的影响半径、堆积中心高度、溃决时间、溃决形态等进行记录与测量。
Description
技术领域：
本发明涉及工程应用力学技术领域，具体涉及一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置及试验方法。
背景技术：
松散颗粒材料的运动是自然界和工业生产过程中常见的一种运动形式，在地质灾害，化学工业和农业等众多的领域之中都扮演着重要的角色。但由于颗粒运动过程具有复杂性，至今仍是学术界和工程界关注的热点和难点问题，对松散颗粒材料的运动过程进行深入的研究无疑将对其所涉及领域的发展产生巨大的推动作用。
目前对于颗粒材料的研究理论主要分为离散介质理论与连续介质理论两类，离散介质理论将材料视为由离散颗粒组成，通过运用统计分析手段及离散元等现代数值计算方法对松散颗粒材料的运动进行研究，这种理论比较符合材料的实际赋存情况，适用性较强，但其离散介质理论的主要问题在于目前的微观模型偏于简单，数值计算时微观参数难以有效确定，并且计算量较大；连续介质理论将松散颗粒材料视为可产生大变形的连续流体，不侧重考察颗粒材料的微观力学行为，而是重点利用宏观指标考察松散颗粒材料的运动行为，因而连续介质理论适合于研究大规模的颗粒运动过程，但对于特定问题常常为了封闭和简化方程而需要做出一些假定，从而造成特定模型方程的适用范围十分有限，也造成了连续介质模型难以有效应用于复杂的运动条件之中。
鉴于目前松散颗粒材料理论研究中仍存在诸多的问题，为推动松散颗粒材料运动的研究，就必须进一步开展针对松散颗粒材料运动的试验研究，观察试验现象，研究力学机理，分析试验数据，为理论研究的正确性和有效性提供数据支撑。松散颗粒体的瞬间全溃溃决试验是一种简单而有效的试验方法，其通过迅速解除松散颗粒材料的全部约束边界，实现颗粒材料的起动。但这种起动方法过于简单，同时，也仅代表颗粒材料起动的一种典型形式，实际上松散颗粒材料的起动和约束边界的解除方式关系密切，但现有试验并不能有效控制约束边界。
发明内容：
本发明的目的是提供一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置及试验方法，用于定量分析各控制因素对松散颗粒材料溃决过程的时间和形态等要素的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，包括：支架，所述支架上端固接有横梁，所述横梁两端设置有第一滑轮和第二滑轮，所述支架一侧设置有电动机，支架另一侧设置有测量盘，所述测量盘上设置有刻度，所述测量盘上垂直放置有空心圆筒，空心圆筒上端设置有筒盖，下端开口，圆筒外壁设置有刻度，以读取空心圆筒内松散颗粒的高度，所述电动机一端通过导线连接变频调速器，另一端的输出轴连接调速轮，所述变频调速器通过导线连接电源，变频调速器调节电动机转速，刚性连接线架设在滑轮上，一端连接空心圆筒上端的筒盖，另一端固接于调速轮。
所述支架与空心圆筒之间架设有高速摄像机。
所述刚性连接线为细绳。
所述空心圆筒与筒盖螺纹连接，所述筒盖上设置有吊母，刚性连接线与吊母连接。
所述支架下端设置有底座。
所述支架为立柱。
采用上述的装置进行模拟松散颗粒溃决过程的试验方法，具体步骤如下：
步骤一：将支架架设好，将测量盘水平放置并固定住，刚性连接线穿过第一滑轮和第二滑轮，两端分别与进行试验的空心圆筒和调速轮连接，空心圆筒下端面与测试盘相接触，且使空心圆筒与测量盘保持垂直状态，空心圆筒轴心与测量盘圆心保持一致；
步骤二：打开空心圆筒上端的筒盖，从空心圆筒上方注入松散颗粒至一定高度，通过圆筒外壁设置的刻度读取空心圆筒内松散颗粒的高度，再将筒盖固接在空心圆筒上端；
步骤三：启动电动机，通过变频调速器控制电动机的转动输出，电动机输出轴的转动将刚性连接线缠绕在调速轮上，刚性连接线在第一滑轮和第二滑轮上向调速轮运动，刚性连接线向上提起空心圆筒，空心圆筒下端面远离测量盘，与此同时空心圆筒内松散颗粒发生溃决运动；
步骤四：当空心圆筒升高到一定高度，空心圆筒内灌装的松散颗粒分布于测量盘上时，关闭电动机；
步骤五：通过测量盘上的刻度读取松散颗粒分布的半径，同时，用测量探针测得松散颗粒在测量盘轴心处堆积的高度；
步骤六：通过改变试验材料，或者测量盘的摩擦系数，或者空心圆筒直径的大小，得到在不同控制条件下松散颗粒的溃决过程，进而得到各控制因素对松散颗粒溃决的时间和形态要素的影响曲线。
所述步骤三中通过变频调速器对电动机的转速进行调整，进而改变空心圆筒抬起速度，得到不同的空心圆筒抬起速度下的松散颗粒的溃决过程。
在支架与空心圆筒之间架设有高速摄像机，记录松散颗粒溃决的过程及形态。
在测试盘上多个方向读取松散颗粒分布的半径，然后求取平均值，得到每次松散颗粒溃决试验的松散颗粒分布半径。
本发明一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置及试验方法的有益效果：可以选用不同的松散颗粒材料以及初始几何条件进行瞬间全溃试验，还可以通过变频调速器和调速轮实现对松散颗粒材料溃决约束边界条件的调节与控制，从而实现在不同约束边界控制条件下的溃决试验模拟，通过改变试验圆筒直径以及装载试验材料高度实现对初始几何条件的设定，在对不同速度控制过程条件下通过高精度测量盘和高速摄像机对松散颗粒材料溃决试验的影响半径，堆积中心高度、溃决时间、溃决形态等进行有效的记录与测量，实现松散颗粒材料在不同约束边界控制条件下的溃决试验模拟，进而得到各影响因素对溃决时间和堆积形态等试验要素的关系曲线，为理论研究发展提供试验与验证数据，推动松散颗粒材料运动理论的发展。与已有的瞬间全溃试验装置相比，本发明具有适用性强，可控可调，操作简便的特点。
附图说明：
图1为本发明一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置的结构示意图；
1-支架，2-底座，3-横梁，4-第一滑轮，5-第二滑轮，6-电动机，7-变频调速器，8-调速轮，9-测量盘，10-空心圆筒，11-细绳，12-高速摄像机，13-松散颗粒。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
根据图1所示，一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，包括：支架1，支架1下端设置有底座2，所述支架1上端固接有横梁3，所述支架1可以为立柱，所述横梁3两端设置有第一滑轮4和第二滑轮5，支架1一侧设置有电动机6，所述电动机6一端通过导线连接变频调速器7，所述变频调速器7通过导线连接电源，变频调速器7调节电动机6转速，支架1另一侧设置有测量盘9，所述测量盘9上设置有刻度，所述测量盘9上垂直放置有空心圆筒10，空心圆筒10上端设置有筒盖，所述空心圆筒与筒盖螺纹连接，所述筒盖上设置有吊母，空心圆筒10下端开口，圆筒外壁设置有刻度，以读取空心圆筒内松散颗粒13的高度，细绳11架设在滑轮上，细绳11的一端连接于筒盖上的吊母，细绳11另一端固接在电动机6的输出轴上，为细绳缠绕得更加方便，还可以在电动机6的输出轴上套装有调速轮8，细绳11固接在调速轮8上。
进一步地，可以在所述支架1与空心圆筒10之间架设有高速摄像机12，记录松散颗粒13溃决的过程及形态。
采用上述的装置进行模拟松散颗粒溃决过程的试验方法，具体步骤如下：
步骤一：将支架1架设好，将测量盘9水平放置并固定住，细绳11穿过第一滑轮4和第二滑轮5，两端分别与进行试验的空心圆筒10和调速轮8连接，空心圆筒10下端面与测试盘9相接触，且使空心圆筒10与测量盘9保持垂直状态，空心圆筒10轴心与测量盘9圆心保持一致；
步骤二：打开空心圆筒10上端的筒盖，从空心圆筒10上方注入松散颗粒13至一定高度，通过圆筒外壁设置的刻度读取空心圆筒10内松散颗粒13的高度，再将筒盖固接在空心圆筒10上端；
步骤三：启动电动机6，通过变频调速器7控制电动机的转动输出，电动机输出轴的转动将细绳11缠绕在调速轮8上，细绳11在第一滑轮4和第二滑轮5上向调速轮8运动，细绳11向上提起空心圆筒10，空心圆筒10下端面远离测量盘9，与此同时空心圆筒10内松散颗粒13发生溃决运动；
步骤四：当空心圆筒10升高到一定高度，空心圆筒10内灌装的松散颗粒13分布于测量盘9上时，关闭电动机6；
步骤五：通过测量盘9上的刻度读取松散颗粒13分布的半径，同时，用测量探针测得松散颗粒13在测量盘9轴心处堆积的高度；
步骤六：通过调整在电动机6一端通过导线连接的变频调速器7，调节电动机6转速，进而改变空心圆筒10抬起速度，得到不同的空心圆筒10抬起速度下的松散颗粒13的溃决过程；还可以通过改变试验材料，或者测量盘9的摩擦系数，或者空心圆筒10直径的大小，得到在不同控制条件下松散颗粒的溃决过程，进而得到各控制因素对松散颗粒溃决的时间和形态要素的影响曲线；
进一步地，在试验过程中，可以通过在支架1与空心圆筒10之间架设高速摄像机12，记录松散颗粒溃决的过程及形态；
进一步地，在步骤五中，在测试盘9上多个方向读取松散颗粒分布的半径，然后求取平均值，得到每次松散颗粒溃决试验的松散颗粒分布半径。
最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，其特征在于：包括：支架，所述支架上端固接有横梁，所述横梁两端设置有第一滑轮和第二滑轮，所述支架一侧设置有电动机，支架另一侧设置有测量盘，所述测量盘上设置有刻度，所述测量盘上垂直放置有空心圆筒，所述支架与空心圆筒之间架设有高速摄像机，空心圆筒上端设置有筒盖，下端开口，圆筒外壁设置有刻度，以读取空心圆筒内松散颗粒的高度，所述电动机一端通过导线连接变频调速器，另一端的输出轴连接调速轮，所述变频调速器通过导线连接电源，变频调速器调节电动机转速，刚性连接线架设在滑轮上，一端连接空心圆筒上端的筒盖，另一端固接于调速轮。
2.根据权利要求1所述的一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，其特征在于：所述刚性连接线为细绳。
3.根据权利要求1所述的一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，其特征在于：所述空心圆筒与筒盖螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，其特征在于：所述筒盖上设置有吊母，刚性连接线与吊母连接。
5.根据权利要求1所述的一种模拟松散颗粒溃决过程的试验装置，其特征在于：所述支架下端设置有底座。
6.采用权利要求1所述的装置进行模拟松散颗粒溃决过程的试验方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：将支架架设好，将测量盘水平放置并固定住，刚性连接线穿过第一滑轮和第二滑轮，两端分别与进行试验的空心圆筒和调速轮连接，空心圆筒下端面与测量 盘相接触，且使空心圆筒与测量盘保持垂直状态，空心圆筒轴心与测量盘圆心保持一致；
步骤二：打开空心圆筒上端的筒盖，从空心圆筒上方注入松散颗粒至一定高度，通过圆筒外壁设置的刻度读取空心圆筒内松散颗粒的高度，再将筒盖固接在空心圆筒上端；
步骤三：启动电动机，通过变频调速器控制电动机的转动输出，电动机输出轴的转动将刚性连接线缠绕在调速轮上，刚性连接线在第一滑轮和第二滑轮上向电动机输出轴运动，刚性连接线向上提起空心圆筒，空心圆筒下端面远离测量盘，与此同时空心圆筒内松散颗粒发生溃决运动；
步骤四：当空心圆筒升高到一定高度，空心圆筒内灌装的松散颗粒分布于测量盘上时，关闭电动机；
步骤五：通过测量盘上的刻度读取松散颗粒分布的半径，同时，用测量探针测得松散颗粒在测量盘轴心处堆积的高度；
步骤六：通过改变试验材料，或者测量盘的摩擦系数，或者空心圆筒直径的大小，得到在不同控制条件下松散颗粒的溃决过程，进而得到各控制因素对松散颗粒溃决的时间和形态要素的影响曲线。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述步骤三中，通过变频调速器对电动机的转速进行调整，进而改变空心圆筒抬起速度，得到不同的空心圆筒抬起速度下的松散颗粒的溃决过程。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在支架与空心圆筒之间架设有高速摄像机，记录松散颗粒溃决的过程及形态。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在所述步骤五中，在测量 盘上多个方向读取松散颗粒分布的半径，然后求取平均值，得到每次松散颗粒溃决试验的松散颗粒分布半径。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190205 Termination date: 20211211 |
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