CN107764641A - 油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石动力学试验领域，具体是油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置，包括样品、油压装置和水压装置，油压装置用于对样品的外部施加作用力，水压装置用于对样品的内部施加作用力。利用分离式霍普金森压杆对样品9的轴向施加作用力，利用油压装置1对样品9的外部施加作用力，利用水压装置2对样品9的内部施加作用力；后两种作用力共同作用在样品9上，模拟了样品9的围压综合加载，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，从而实现样品9的复杂应力状态的模拟。

Description

油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置

技术领域

本发明涉及岩石动力学试验领域，具体是油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置。

背景技术

在岩石动力学研究中，当待测试样应变率处于10¹-10⁴s^-1范围时，多采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置或其变形装置进行对应试验测试。结合SHPB装置基本工作原理，可知其对一维应力作用下材料动态力学性能测试更为适宜。然而，实际水利工程、地下工程等中，对于岩石材料，尤其含节理的岩体等，在爆破、地震等动态荷载作用下，会出现一系列力学响应。此时，工程材料所处荷载环境更为复杂，不会理想化地承受单一轴向荷载，严格意义上应为复杂的三向应力状态。

现有技术中，采用分离式霍普金森压杆装置的试验装置，通常配有单一的围压装置，例如油压装置等。该试验装置的试验效果、以及该试验装置完备性等方面均存在着一定的缺点与不足。该缺点与不足主要表现为：由于试验的样品施加压力的方式单一，难以形成对测试样品的围压综合加载，导致难以实现复杂应力状态的形成。此外，现有技术中的围压装置，通常会出现例如油压波动造成的负面效果，以及围压装置难以拆卸等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置。

根据本发明的一个方面，提供油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置，包括样品、油压装置和水压装置，所述油压装置与所述水压装置对所述样品施加围压。

进一步地，所述水压装置包括连接软管，所述连接软管穿透所述油压装置与所述样品连接。

进一步地，所述连接软管与所述油压装置之间设置环形密封结构，所述环形密封结构的顶端和底端用于密封所述油压装置，所述连接软管能够穿过所述环形密封结构。

进一步地，所述样品包括轴向中部的节理面；所述样品的内部具有穿透所述节理面的内孔，所述样品的两端径向分别设置开孔，所述内孔的两端分别与2个所述开孔相通；所述开孔用于与所述连接软管连接。

进一步地，所述节理面的径向外部设置密封套。

进一步地，所述油压装置包括轴向分体式的圆筒状的收容装置和与所述收容装置对应的弹性囊状部件，所述弹性囊状部件密封在所述收容装置的内表面上。

进一步地，所述油压装置还包括锁定装置，所述锁定装置用于径向锁紧所述收容装置。

进一步地，所述油压装置还包括压力平衡装置，所述压力平衡装置用于吸收所述样品的冲击影响。

本发明提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置，利用分离式霍普金森压杆对样品9形成轴向施加作用力，利用油压装置1对样品9的外部施加作用力，利用水压装置2对样品9的内部施加作用力；后两种作用力共同作用在样品9上，模拟了样品9的围压综合加载，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，实现样品9的复杂应力状态的模拟。

附图说明

图1为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的剖视图。

图2为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的油压装置的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的样品与密封套的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的环形密封结构的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的容纳装置和弹性囊状部件的结构示意图。

图6为本发明实施例提供的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，围压的含义应当理解为：作用于样品的一种或多种辅助作用力；样品受到分离式霍普金森压杆施加的轴向作用力不属于前述的一种或多种辅助作用力。

如图6所示，油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置，包括样品9、油压装置1和水压装置2。样品9容纳在油压装置1的内部，油压装置1用于对样品9的外部施加作用力。水压装置2与样品9的内部相通，水压装置2用于对样品9的内部施加作用力。样品9的轴向两侧端面由分离式霍普金森压杆的入射杆和透射杆施加作用力。由油压装置1和水压装置2共同对样品9施加围压，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，从而实现样品9的复杂应力状态的模拟。

实施例：

如图1～图5所示，本实施例提供一种具体的油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置。

如图2、图5所示，油压装置1包括：收容装置101、弹性囊状部件102和油压系统。油压系统用于储存和提供液压油。弹性囊状部件102密封设置在收容装置101的内表面上。弹性囊状部件102与收容装置101之间的空间用于容纳和增压油压系统提供的液压油，收容装置101上设置通油孔，通油孔用于与油压系统的连接。样品9在实际试验过程中，样品9整体容纳在弹性囊状部件102围成的空间内。通过油压系统的增压作用，使得弹性囊状部件102与收容装置101之间充满液压油，弹性囊状部件102逐渐的压紧样品9的外表面(不包括轴向两端的端面)，形成对样品9的外部施加作用力。

如图5所示，为了便于油压装置1的使用和拆卸，优选的将收容装置101设置为轴向分体式的圆筒状。收容装置101由金属材料制成，具有高强度、防水的特点。应当理解的是：轴向分体式的圆筒状的收容装置101，包括但不限于如下结构：端面面积相同的2个半圆筒型的结构、或者端面面积不同的2个弧筒形的结构、或者具有轴向直线或曲线剖分的结构等。

为了便于说明，本实施例以端面面积相同的2个半圆筒型的收容装置101为例做出进一步的说明。

如图5所示，油压装置1的弹性囊状部件102的形状应当适合收容装置101的形状。弹性囊状部件102通过边缘部位与收容装置101的内表面进行密封处理，依靠弹性囊状部件102与收容装置101之间的空间形成囊状。当2个收容装置101分离时，对应的2个弹性囊状部件102随之分离；当2个收容装置101组合时，2个弹性囊状部件102能够围聚成近似圆筒状的空间。应当理解的是，这种近似圆筒状的空间能够容纳样品9，并且在2个弹性囊状部件的连接处具有缝隙。当2个收容装置101组合之后，分别向2个弹性囊状部件102和收容装置101之间的空间注入液压油，2个弹性囊状部件102能够形成近似圆周状的对样品9的外表面(不包括轴向两端的端面)施加作用力。

如图2所示，进一步的，油压装置1还包括设置在收容装置101外部的锁定装置103。锁定装置103用于径向锁紧收容装置101。锁定装置103可以采用现有技术中的多种方式，例如：卡扣式、铰接式、带状部件等等。优选的锁定装置103为圆环式，圆环式的锁定装置103包括圆环结构和螺栓。圆环结构用于包围收容装置101的圆周，在圆环结构的两端或其中一端使用螺栓把紧，形成对收容装置101的锁紧。该圆环式的锁定装置103能够锁紧收容装置101的同时，不破坏收容装置101的表面。应当理解的是：破坏收容装置101的表面的方式包括在收容装置的外表面上焊接、胶黏、铆钉、螺纹等具有破坏性和腐蚀性的方式；以及，在收容装置101的静态或动态中十分容易磕碰到锁定装置103的方式。

如图2所示，进一步的，油压装置1还包括设置在油压系统中的压力平衡装置104。压力平衡装置104用于平衡、调节液压油的压力，以及吸收样品9的冲击影响。应当理解的是，样品9在受到分离式霍普金森压杆的入射杆的作用力之后，会对油压装置1产生冲击影响作用。油压装置1受到冲击影响之后，液压油的压力不稳定，形成压力的波动。压力平衡装置104能够吸收这种冲击影响，达到稳定液压油压力的效果。压力平衡装置优选的采用气囊。气囊的经济成本较低，并且易于调节和使用。将气囊整体设置在油压系统的内部，根据试验要求，调整气囊内的气量，形成静态下的平衡、调节液压油压力的效果。当油压装置1受到冲击影响时，气囊被液压油压缩后能够吸收液压油的波动，达到动态下的平衡、调节液压油压力的效果。

如图6、图1所示，水压装置2包括：循环水泵、连接软管201和水箱。循环水泵用于对水进行增压作用，水箱用于储存水和收集回流的水。连接软管201用于将水导入样品9的内部的一端，并且连接软管201从样品9的内部的另一端将水引导回水箱。

如图1所示，由于样品9的轴向两侧分别抵触分离式霍普金森压杆的入射杆和透射端，以及样品9的外部(不包括轴向两侧的端面)被油压装置1包围，因此，连接软管201需要穿过油压装置1、或者连接软管201需要穿过入射杆或透射杆。其中，连接软管201穿过入射杆或透射杆到达样品9的方式，明显不适用于试验要求，这是因为会破坏分离式霍普金森压杆的原本结构，因此不予说明。

下面以连接软管201穿透油压装置1的方式，并结合对样品9的改进做出进一步的详细说明。

如图1、图3所示，样品9整体设置为圆柱状结构，并且样品9由轴向中部分为2段。每一段都是一个圆柱状，2段之间相互抵触形成节理面6，该节理面6用于模拟样品的节理。样品9的内部轴向设置穿透节理面6的内孔91，内孔91的数量可以是一个或多个。内孔91的作用是用于水在样品9的内部流通，流动的水对样品9的内部施加作用力。应当理解的是：为了模拟样品9的复杂的应力状态，内孔91的数量应当设置为多个，最好是2的整数倍；同时，多个内孔91的轴心应当分别与样品9的轴心间距相同，多个内孔91围绕样品9的轴心平均分布。为了达到试验的要求和目的，内孔91在向样品9整体的两端延伸时，应当在到达样品9整体的两个轴向端面前终止，以防止水从内孔91的溢出。同时，在样品9的节理面6的径向外部设置密封套5，密封套5能够防止水经过内孔91后从节理面6的径向溢出。此外，样品9整体的两端径向分别设置开孔92，任意一端的开孔92可以是一个或多个。开孔92的作用是用于与连接软管201相连，并将水导入或导出内孔91。为了便于连接软管201与开孔92的连接，优选的将连接软管201的管头部设置为漏斗状或锥状，方便连接软管201插入到开孔92中。同时，连接软管201插入到开孔92之后能够形成密封结构，该密封结构能够防止水从开孔92溢出。

如图1、图4所示，为了实现连接软管201穿透油压装置1，防止油压装置1产生因为漏油导致的液压油压力失衡，增设环形密封结构4。环形密封结构4整体为卷筒型，其顶端和底端分别用于密封收容装置101与弹性囊状部件102。环形密封结构4的中轴线设置通孔，该通孔用于连接水管201的穿透。具体的，在收容装置1的表面开设水孔Ⅰ，在弹性囊状部件的表面开设水孔Ⅱ，水孔Ⅰ的中心和水孔Ⅱ的中心在同一条直径上。将环形密封结构4的顶端与水孔Ⅰ进行密封，将环形密封结构4的底端与水孔Ⅱ进行密封。设置环形密封结构4，能够防止液压油从水孔Ⅰ和水孔Ⅱ的溢出，同时不影响连接水管201的穿过。

实际使用水压装置2，由循环水泵将水箱中的水通过穿透油压装置1的第一根连接软管201输送到样品9的其中一个开孔92，水沿着开孔92流入内孔91；水穿过节理面6，继续沿着内孔91到达样品9的另一个开孔92；水通过第二根连接软管201从样品9排出，水沿着第二根连接软管201回到水箱内。其中，水在流经内孔91的过程中对样品9的内部完成作用力的施加。

分离式霍普金森压杆的入射杆和透射杆分别设置在样品9的轴向两侧，并且入射杆和透射杆分别抵触到样品9整体的轴向两个端面。

本发明的工作原理是：利用分离式霍普金森压杆对样品9形成轴向施加作用力，利用油压装置1对样品9的外部(不包括轴向的两个端面)施加作用力，利用水压装置2对样品9的内部施加作用力；后两种作用力共同对样品9施加围压，并与分离式霍普金森压杆装置引起的轴向作用力共同作用，从而实现样品9的复杂应力状态的模拟。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.油压水压联合作用辅助分离式霍普金森压杆围压施加装置，其特征在于：

包括样品(9)、油压装置(1)和水压装置(2)，所述油压装置(1)与所述水压装置(2)对所述样品(9)施加围压。

2.根据权利要求1所述的围压施加装置，其特征在于：

所述水压装置(2)包括连接软管(201)，所述连接软管(201)穿透所述油压装置(1)与所述样品(9)连接。

3.根据权利要求2所述的围压施加装置，其特征在于：

所述连接软管(201)与所述油压装置(1)之间设置环形密封结构(4)，所述环形密封结构(4)的顶端和底端用于密封所述油压装置(1)，所述连接软管(201)能够穿过所述环形密封结构(4)。

4.根据权利要求2所述的围压施加装置，其特征在于：

所述样品(9)包括轴向中部的节理面(6)；所述样品(9)的内部具有穿透所述节理面(6)的内孔(91)，所述样品(9)的两端径向分别设置开孔(92)，所述内孔(91)的两端分别与2个所述开孔(92)相通；所述开孔(92)用于与所述连接软管(201)连接。

5.根据权利要求4所述的围压施加装置，其特征在于：

所述节理面(6)的径向外部设置密封套(5)。

6.根据权利要求1所述的围压施加装置，其特征在于：

所述油压装置(1)包括轴向分体式的圆筒状的收容装置(101)和与所述收容装置(101)对应的弹性囊状部件(102)，所述弹性囊状部件(102)密封在所述收容装置(101)的内表面上。

7.根据权利要求6所述的围压施加装置，其特征在于：

所述油压装置(1)还包括锁定装置(103)，所述锁定装置(103)用于径向锁紧所述收容装置(101)。

8.根据权利要求1所述的围压施加装置，其特征在于：

所述油压装置(1)还包括压力平衡装置(104)，所述压力平衡装置(104)用于吸收所述样品(9)的冲击影响。