CN106840921A

CN106840921A - 砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法

Info

Publication number: CN106840921A
Application number: CN201710057913.0A
Authority: CN
Inventors: 金炜枫; 王鑫; 邓陈艳; 张力友; 程泽海
Original assignee: Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Current assignee: Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2037-01-23
Also published as: CN106840921B

Abstract

本发明公开了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统。转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机；胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板；所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。本发明设计了适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置，通过使用含有色颗粒硅溶胶克服了难以在扭转截面布设标志点的问题，另外解决了扭转过程中难以实时获得扭转截面的应变云图和转矩对应关系的问题。

Description

砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程研究领域,尤其涉及一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法。

背景技术

岩土工程中对于松散砂土地基可以用纳米硅溶胶溶液渗透加固。纳米硅溶胶溶液中悬浮着纳米颗粒，这些纳米颗粒在溶液碱性降低的过程中先逐渐凝聚成链状结构进而形成三维网状结构的凝胶，从而加固松散砂土地基。通过试验来测试颗粒胶结区的细观应变有助于从细观尺度上建立固化砂土的本构模型。但是现有的测试装置主要进行大尺寸颗粒胶结强度测试，在胶结区成型装置和加载精度方面难以满足砂颗粒等小尺寸颗粒胶结区的强度与应变测试要求。而新设计的针对砂颗粒等小尺寸颗粒的胶结区测试装置，关注于弯曲和剪切载荷下的强度和应变测试，虽然通过应用直线式超声电机来提高加载精度，但是这些装置无法施加扭矩载荷，也无法在扭转平面上布置标志点来测试剪应变。因此设计可用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、提出扭转截面布设标志点的方法、实时获得扭转过程中扭转截面的应变云图和转矩的对应关系显得尤为重要。

发明内容

本发明为了克服现有技术无法提供适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、在扭转截面上无法布设标志点测量剪应变、难以实时获得扭转过程中扭转截面的应变云图和转矩对应关系的问题，本发明提供了一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法。

本发明的技术方案：一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；

所述转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机，所述转动轴杆的一端设有螺孔，所述细线缠绕在转动轴杆上且与施力杆一端连接，施力杆的另一端连接直线式超声电机，所述应力计安装在施力杆上；

所述胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板，所述含色颗粒硅溶胶水箱中盛有纳米硅溶胶，所述纳米硅溶胶中分散着有色颗粒，所述颗粒安装套杆的一端有凹槽，所述凹槽用于与球形颗粒的小部分表面粘结，颗粒安装套杆的另一端有螺纹用于拧紧在转动轴杆一端的螺孔内；

所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；

所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。

优选地，所述球形颗粒直径取1mm，球形颗粒为二氧化硅颗粒。

优选地，所述圆形截面有机玻璃套管的内径等于球形颗粒的直径。

优选地，所述应力计为光纤测力计。

优选地，所述细线为碳纤维细线。

优选地，所述含有色颗粒硅溶胶水箱中的有色颗粒为炭黑颗粒。

一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，包括下述步骤：

步骤1：将圆形截面有机玻璃套管浸入含有色颗粒硅溶胶水箱内，待硅溶胶填满有机玻璃套筒后后，用镊子将球形颗粒推入圆形截面有机玻璃套管中；

步骤2：在含有色颗粒硅溶胶水箱内，将有机玻璃套管的端部圆截面放置在石英玻璃平板上，使有机玻璃套管中的球形颗粒与石英玻璃平板表面相接触，然后取出有机玻璃套管和石英玻璃平板，除保留球形颗粒、石英玻璃平板和有机玻璃套管围成区域内的硅溶胶外，吸除其他位置的硅溶胶，然后养护至凝胶将球形颗粒和石英玻璃平板粘结在一起；

步骤3:颗粒安装套杆一端的凹槽内涂上AB胶并抵至有机玻璃套管内的球形颗粒，然后褪出有机玻璃套管，然后将颗粒安装套杆的另一端的螺纹拧紧在转动轴杆一端的螺孔内，然后固定石英玻璃平板；

步骤4：提取扭转截面上的标志点：用光源照亮石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区，用数码相机拍摄纳米凝胶胶结区在石英玻璃平板上的截面，然后在数据采集及控制系统里记录这些标志点的初始坐标；

步骤5：启动直线式超声电机，直线式超声电机通过施力杆拉动缠绕在转动轴杆上的细线，细线为转动轴杆提供扭矩，此扭矩依次带动转动轴杆、颗粒安装套杆、球形颗粒和纳米凝胶胶结区，通过数据采集及控制系统记录应力计的数值，并计算作用在转动轴杆上的扭矩T(t)，记转动轴杆不与颗粒安装套杆连接时转动需要的的扭矩为T₀，T(t)-T₀即为纳米凝胶胶结区所受的扭矩，记录扭矩T(t)-T₀随时间的变化曲线，此曲线峰值为纳米凝胶胶结区的扭转强度；

步骤6：在直线式超声电机开动过程中，在时间点t₁,t₂,Λ,t_i,t_i+1,Λ,t_n时刻用数码相机拍摄石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面，由任意两个时刻t_i,t_i+1标志点的位置得到标志点的实时位移，在计算机中将石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面划分为四边形单元网格，然后将标志点上的位移拟合到四边形单元网格节点上，设其中一个四边形单元的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上的x坐标为x₁、x₂、x₃和x₄，y坐标为y₁、y₂、y₃和y₄，x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将x-y直角坐标系上的点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)映射到r-s直角坐标系上的点(-1,-1)、(1,-1)、(1,1)和(-1,1)，引入有限元方法中等参单元的插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)，其中：

N₁＝(1-r)(1-s)/4

N₂＝(1+r)(1-s)/4

N₃＝(1+r)(1+s)/4

N₄＝(1-r)(1+s)/4

插值得到这个四边形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁(r,s)+u₂N₂(r,s)+u₃N₃(r,s)+u₄N₄(r,s)

v(x,y)＝v₁N₁(r,s)+v₂N₂(r,s)+v₃N₃(r,s)+v₄N₄(r,s)

设四边形单元内任意一个标志点的插值位移为u(x_i,y_i)和v(x_i,y_i)，实测位移为u_i和v_i，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

以x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移v₁、v₂、v₃、v₄为优化变量，以∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²为目前函数，通过遗传算法寻优得到x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移v₁、v₂、v₃和v₄。将优化得到的节点位移代入应变公式可以得到四边形单元内任意一点的剪应变γ_xy(x,y)：

由不同时刻四边形单元内任意一点的剪应变γ_xy(x,y)，可以画出转矩加载过程中石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面的剪应变云图。

本发明的有益效果是克服现有技术无法提供适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、在扭转截面上无法布设标志点测量剪应变、难以实时获得扭转过程中扭转截面的应变云图和转矩对应关系的问题，通过使用含有色颗粒硅溶胶克服了难以在扭转截面布设标志点的问题、设计适用于扭转截面上剪应变无接触测量的胶结区成形装置、实时测量获得扭矩和胶结区的应变云图，为砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试提供了装置和方法。

附图说明

图1为本发明的测试时的结构示意图；

图2为本发明石英玻璃平板上胶结区截面示意图；

图3为本发明的胶结区成形装置示意图；

图4为本发明石英玻璃平板上胶结区截面剪应变测试网格划分示意图；

图中1.石英玻璃平板，2.纳米凝胶胶结区，3.球形颗粒，4.转动轴杆，5.细线，6.直线式超声电机，7.数据采集及控制系统，8.数码相机，9.光源设备，10.有色颗粒硅溶胶水箱，11.圆形截面有机玻璃套管，12.施力杆，13.应力计，14.颗粒安装套杆，15.石英玻璃平板上胶结区截面，16.凹槽。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1-3中砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，实验装置包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；所述转矩施加装置包括转动轴杆4、细线5、应力计13、施力杆12和直线式超声电机6，所述转动轴杆4的一端设有螺孔，所述细线5缠绕在转动轴杆4上且与施力杆12一端连接，施力杆12的另一端连接直线式超声电机6，所述应力计13安装在施力杆12上；所述胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱10、球形颗粒3、颗粒安装套杆14、圆形截面有机玻璃套管11和石英玻璃平板1，所述含色颗粒硅溶胶水箱10中盛有纳米硅溶胶，所述纳米硅溶胶中分散着有色颗粒，所述颗粒安装套杆14的一端有凹槽16，此凹槽16可与球形颗粒3的小部分表面粘结，颗粒安装套杆14的另一端有螺纹可拧紧在转动轴杆4一端的螺孔内；所述粒子图像测速装置包括数码相机8和光源9；所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。

本发明砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试过程如下：

步骤1：将圆形截面有机玻璃套11管浸入含有色颗粒硅溶胶水箱10内，待硅溶胶填满有机玻璃套筒11后后，用镊子将球形颗粒3推入圆形截面有机玻璃套管11中；

步骤2：在含有色颗粒硅溶胶水箱10内，将有机玻璃套管11的端部圆截面放置在石英玻璃平板1上，使有机玻璃套管11中的球形颗粒与石英玻璃平板1表面相接触，然后取出有机玻璃套管11和石英玻璃平板1，除保留球形颗粒3、石英玻璃平板1和有机玻璃套管11围成区域内的硅溶胶外，吸除其他位置的硅溶胶，然后养护至凝胶将球形颗粒3和石英玻璃平板1粘结在一起；

步骤3:颗粒安装套杆14一端的凹槽16内涂上AB胶并抵至有机玻璃套管11内的球形颗粒3，然后褪出有机玻璃套管11，然后将颗粒安装套杆14的另一端的螺纹拧紧在转动轴杆4一端的螺孔内，然后固定石英玻璃平板1；

步骤4：提取扭转截面上的标志点：用光源9照亮石英玻璃平板1上的纳米凝胶胶结区15，用数码相机8拍摄石英玻璃平板1上的纳米凝胶胶结区截面15，然后在数据采集及控制系统里记录这些标志点的初始坐标；

步骤5：启动直线式超声电机6，直线式超声电机6通过施力杆12拉动缠绕在转动轴杆4上的细线5，细线5为转动轴杆4提供扭矩，此扭矩依次带动转动轴杆4、颗粒安装套杆14、球形颗粒3和纳米凝胶胶结区2，通过数据采集及控制系统记录应力计的数值，并计算作用在转动轴杆4上的扭矩T(t)，记转动轴杆4不与颗粒安装套杆14连接时转动需要的的扭矩为T₀，T(t)-T₀即为纳米凝胶胶结区12所受的扭矩，记录扭矩T(t)-T₀随时间的变化曲线，此曲线峰值为纳米凝胶胶结区12的扭转强度。

步骤6：在直线式超声电机6开动过程中，在时间点t₁,t₂,Λ,t_i,t_i+1,Λ,t_n时刻用数码相机8拍摄石英玻璃平板1上的纳米凝胶胶结区截面15，由任意两个时刻t_i,t_i+1标志点的位置得到标志点的实时位移，在计算机中将石英玻璃平板1上的纳米凝胶胶结区截面15划分为如图4所示的四边形单元网格，然后将标志点上的位移拟合到四边形单元网格节点上，设其中一个四边形单元的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上的x坐标为x₁、x₂、x₃和x₄，y坐标为y₁、y₂、y₃和y₄，x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将x-y直角坐标系上的点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)映射到r-s直角坐标系上的点(-1,-1)、(1,-1)、(1,1)和(-1,1)，引入有限元方法中等参单元的插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)，其中：

N₁＝(1-r)(1-s)/4

N₂＝(1+r)(1-s)/4

N₃＝(1+r)(1+s)/4

N₄＝(1-r)(1+s)/4

u(x,y)＝u₁N₁(r,s)+u₂N₂(r,s)+u₃N₃(r,s)+u₄N₄(r,s)

v(x,y)＝v₁N₁(r,s)+v₂N₂(r,s)+v₃N₃(r,s)+v₄N₄(r,s)

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

Claims

1.一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：其包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；

所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；

2.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述球形颗粒直径取1mm，球形颗粒为二氧化硅颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述圆形截面有机玻璃套管的内径等于球形颗粒的直径。

4.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述应力计为光纤测力计。

5.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述细线为碳纤维细线。

6.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述含有色颗粒硅溶胶水箱中的有色颗粒为炭黑颗粒。

7.一种如权利要求1-6所述的砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤6：在直线式超声电机开动过程中，在时间点t₁,t₂,Λ,t_i,t_i+1,Λ,t_n时刻用数码相机拍摄石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面，由任意两个时刻t_i,t_i+1标志点的位置得到标志点的实时位移，在计算机中将石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面划分为四边形单元网格，然后将标志点上的位移拟合到四边形单元网格节点上，设其中一个四边形单元的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上的x坐标为x₁、x₂、x₃和x₄，y坐标为y₁、y₂、y₃和y₄，x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，引入插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)，插值得到这个四边形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁(r,s)+u₂N₂(r,s)+u₃N₃(r,s)+u₄N₄(r,s)

v(x,y)＝v₁N₁(r,s)+v₂N₂(r,s)+v₃N₃(r,s)+v₄N₄(r,s)

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

通过优化算法寻优得到x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移v₁、v₂、v₃和v₄，将优化得到的节点位移代入应变公式可以得到四边形单元内任意一点的剪应变γ_xy(x,y)：

\begin{matrix} γ_{x y} (x, y) = \frac{\partial u (x, y)}{\partial y} + \frac{\partial v (x, y)}{\partial x} \\ = u_{1} \frac{\partial N_{1}}{\partial y} + u_{2} \frac{\partial N_{2}}{\partial y} + u_{3} \frac{\partial N_{3}}{\partial y} + u_{4} \frac{\partial N_{4}}{\partial y} + v_{1} \frac{\partial N_{1}}{\partial x} + v_{2} \frac{\partial N_{2}}{\partial x} + v_{3} \frac{\partial N_{3}}{\partial x} + v_{4} \frac{\partial N_{4}}{\partial x} \end{matrix}

8.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，其特征在于：步骤6中，所述插值函数为有限元方法中等参单元的插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)，将x-y直角坐标系上的点(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)和(x₄,y₄)映射到r-s直角坐标系上的点(-1,-1)、(1,-1)、(1,1)和(-1,1)，插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)为：

N₁＝(1-r)(1-s)/4

N₂＝(1+r)(1-s)/4

N₃＝(1+r)(1+s)/4

N₄＝(1-r)(1+s)/4。

9.根据权利要求7所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，其特征在于：步骤6中，以x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移v₁、v₂、v₃、v₄为优化变量，以∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²为目前函数，通过遗传算法寻优得到四边形节点x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移v₁、v₂、v₃和v₄。