CN108398322A - 颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置及其实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置及其实验方法。包括颗粒试样盒、压力试验机、薄膜压力传感器和测量显示器。颗粒试样盒是盛放颗粒材料的长方体容器，覆盖在容器上的盒盖带有通孔；压力试验机可透过试样盒的盒盖上通孔，作用于颗粒材料上，提供加压实验需要的压缩载荷；薄膜压力传感器放置在底层颗粒和试样盒底板之间测量数据。本发明操作简单，测量准确，可以有效地揭示颗粒材料的力学特性。

Description

颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置及其实验方法
技术领域
本发明涉及颗粒材料加压实验领域，具体涉及一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置及其实验方法。
背景技术
颗粒材料研究是近年来由多学科交叉发展起来的一门新兴学科。近年来，描述颗粒材料力学特性的研究有了较大进展，对于二维颗粒堆内部力的传递和分布，人们已通过实验得到了一些定性和半定量结果。但是，由于其复杂性、随机性以及测试手段的局限性，对颗粒材料的研究还很不够。
在力学分析中，主要采用理论推导、模拟计算和实验测试的方法。然而在当前的颗粒力学研究中，理论分析遇到极大困难，数值模拟计算因颗粒材料计算量大，只能模拟有限数量、形状单一的颗粒系统，难于满足理论研究和工程实践的需要。因此，实验测试就显得尤为重要，或者说是现阶段最适用的研究手段。
目前，有关颗粒材料内部接触力常用的接触式测试方法有高精度电子天平称重法和显色灵敏复写纸压痕方法。电子天平称重法利用探针接触底层颗粒体，数显读数确定颗粒对探针的压力，平行移动探针可得到底层各个颗粒对底面的压力大小；复写纸压痕法是指在外力作用下，颗粒通过挤压复写纸白纸上留下大小和颜色深浅不同的压痕，可以确定接触形变和法向力的大小。
尽管现有的颗粒间接触力测量方法及其研究取得了一定的成果，但还是存在一些不足。对于电子天平称重法，虽然电子天平的精度有了很大的提高，但是由于在测量过程中需要移动装置位置，不可避免地使底层颗粒会与接触纸产生摩擦，从而导致颗粒内部力的重新分布，使接触力测量容易受到干扰；对于复写纸压痕法，由于复写纸的灵敏度有限，并且在测量压痕和将压痕通过公式换算成压力过程中均有可能产生误差。总之，对于颗粒材料加压实验的测量部分，目前采用的电子天平称重法和复写纸压痕法在精确度和灵敏性方面的不同会对结果准确性产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置及其实验方法，解决了常用测量方法中的电子天平称重法因移动探针而导致接触力测量容易受到干扰和复写纸压痕法的接触力测量误差大的问题，抗干扰能力强，没有人为读数误差，改进了现有接触力测量方法的不足；同时目前有关颗粒材料的加压实验较少，本实验装置操作简单，测量准确，能够更加精准地开展颗粒材料的接触力实验研究。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，包括颗粒试样盒、压力试验机、测量显示器和若干个薄膜压力传感器。
所述颗粒试样盒，用于盛放需要测量接触力的颗粒材料。
所述压力试验机为液压施力装置，颗粒试样盒设置于压力试验机的试验平台上，通过压力试验机的压杆直接作用于颗粒材料上，提供加压实验所需载荷。
所述薄膜压力传感器为矩形薄膜压力传感器，均匀设置在底层的颗粒材料的底面和颗粒试样盒之间，用于感应压力。
所述测量显示器和薄膜压力传感器连接，显示测量数据。
所述颗粒试样盒包括水平底板、盒盖、两块固定侧板和两块可移动侧板，两块固定侧板平行间隔固定在水平底板的顶面，两块固定侧板内侧壁沿竖直方向分别对应开有两条相互平行的滑槽，两块可移动侧板平行设置在两块固定侧板之间，并分别对应插入滑槽，可移动侧板与滑槽之间采用紧密配合；盒盖中心设有通孔，盒盖固定在两块固定侧板和两块可移动侧板的顶面，颗粒材料填充在水平底板、盒盖、两块固定侧板和两块可移动侧板围成的空腔内，压力试验机的压杆穿过盒盖中心的通孔作用在颗粒材料上，若干个薄膜压力传感器均匀设置在颗粒材料的和水平底板之间。
所述颗粒试样盒还包括两个加强筋，两个加强筋分别设置在两个固定侧板的外壁面，其底部与水平底板固连。
所述可移动侧板采用高强度的透明的有机玻璃板。
所述两个可移动侧板内壁之间的间隔距离等于颗粒材料的厚度，使得该实验为颗粒材料的二维加压实验。
一种基于颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置的实验方法，方法步骤如下：
步骤1、将若干个薄膜压力传感器均匀设置在颗粒试样盒的水平底板的顶面，沿着固定侧板的滑槽分别插入可移动侧板，将颗粒材料以六角密排型的形式放入颗粒试样盒中；
步骤2、将颗粒试样盒放置在压力试验机的试验平台上，使压力试验机的压杆能穿过盒盖中心的通孔，直接作用在颗粒材料上；
步骤3、将若干个薄膜压力传感器分别和测量显示器连接；
步骤4、启动压力试验机，按一定的加载形式对颗粒材料施加竖直方向的压缩载荷；
步骤5、读取测量显示器的读数，并多次实验，记录数据。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
（1）利用压力试验机进行加载，加载形式可控制并且多样，突破了砝码的局限性；（2）相比于复写纸压痕法的复杂操作，通过在颗粒试样盒内设置薄膜压力传感器，测量底部接触力更加精确，读取简便；（3）颗粒试样盒盛放的颗粒材料形状多样，横截面为圆形的颗粒均能放置，丰富了实验对象的种类；通过更换传感器类型，可以测量压力、应力和应变等力学参量；（4）该装置还具有结构简单，稳定可靠，测量准确的优点。
附图说明
图1为本发明颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置的整体结构示意图。
图2为本发明颗粒材料试样盒的结构示意图。
图3为本发明颗粒材料试样盒的分解结构示意图。
图4为本发明薄膜压力传感器和测量显示器连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，包括颗粒试样盒、压力试验机1、测量显示器12和若干个薄膜压力传感器10；所述颗粒试样盒，用于盛放需要测量接触力的颗粒材料9；所述压力试验机1为液压施力装置，颗粒试样盒设置于压力试验机1的试验平台上，通过压力试验机1的压杆2直接作用于颗粒材料9上，提供加压实验所需载荷；所述薄膜压力传感器10为矩形薄膜压力传感器，均匀设置在底层的颗粒材料9的底面和颗粒试样盒之间，用于感应压力；所述测量显示器12和薄膜压力传感器10连接，显示测量数据。
所述颗粒试样盒包括水平底板5、盒盖3、两块固定侧板6和两块可移动侧板8，水平底板5和压力试验机1的试验平台之间采用螺栓连接，使颗粒试样盒固定在压力试验机1的试验平台上，两块固定侧板6采用焊接方式，平行间隔固定在水平底板5的顶面，两块固定侧板6内侧壁沿竖直方向分别对应开有两条相互平行的滑槽11，两块可移动侧板8平行设置在两块固定侧板6之间，并分别对应插入滑槽11，可移动侧板8与滑槽11之间采用紧密配合；盒盖3中心设有通孔4，盒盖3固定在两块固定侧板6和两块可移动侧板8的顶面，颗粒材料9填充在水平底板5、盒盖3、两块固定侧板6和两块可移动侧板8围成的空腔内，压力试验机1的压杆2穿过盒盖3中心的通孔4作用在颗粒材料9上，若干个薄膜压力传感器10均匀设置在颗粒材料9和水平底板5之间。
所述颗粒试样盒还包括两个加强筋7，两个加强筋7和两个固定侧板6之间采用焊接方式分别设置在两个固定侧板6的外壁面，其底部与水平底板5也采用焊接方式固连，使两个固定侧板6和水平底板5连接牢固。
所述可移动侧板8采用高强度的透明的有机玻璃板。
所述两个可移动侧板8内壁之间的间隔距离等于颗粒材料9的厚度，使得该实验为颗粒材料9的二维加压实验。
一种基于颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置的试验方法，方法步骤如下：
步骤1、将若干个薄膜压力传感器10均匀设置在颗粒试样盒的水平底板5的顶面，沿着固定侧板6的滑槽分别插入可移动侧板8，将颗粒材料9以六角密排型的形式放入颗粒试样盒中。
步骤2、将颗粒试样盒放置在压力试验机1的实验平台上，使压力试验机1的压杆2能穿过盒盖3中心的通孔4，直接作用在颗粒材料9上。
步骤3、将若干个薄膜压力传感器10分别和测量显示器12连接。
步骤4、启动压力试验机1，按一定的加载形式对颗粒材料9施加竖直方向的压缩载荷。
步骤5、读取测量显示器12的读数，并多次实验，记录数据。

Claims (6)

1.一种颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，其特征在于：包括颗粒试样盒、压力试验机（1）、测量显示器（12）和若干个薄膜压力传感器（10）；
所述颗粒试样盒，用于盛放需要测量接触力的颗粒材料（9）；
所述压力试验机（1）为液压施力装置，颗粒试样盒设置于压力试验机（1）的试验平台上，通过压力试验机（1）的压杆（2）直接作用于颗粒材料（9）上，提供加压实验所需载荷；
所述薄膜压力传感器（10）为矩形薄膜压力传感器，均匀设置在底层的颗粒材料（9）的底面和颗粒试样盒之间，用于感应压力；
所述测量显示器（12）和薄膜压力传感器（10）连接，显示测量数据。
2.根据权利要求1所述的颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，其特征在于：所述颗粒试样盒包括水平底板（5）、盒盖（3）、两块固定侧板（6）和两块可移动侧板（8），两块固定侧板（6）平行间隔固定在水平底板（5）的顶面，两块固定侧板（6）内侧壁沿竖直方向分别对应开有两条相互平行的滑槽（11），两块可移动侧板（8）平行设置在两块固定侧板（6）之间，并分别对应插入滑槽（11），可移动侧板（8）与滑槽（11）之间采用紧密配合；盒盖（3）中心设有通孔（4），盒盖（3）固定在两块固定侧板（6）和两块可移动侧板（8）的顶面，颗粒材料（9）填充在水平底板（5）、盒盖（3）、两块固定侧板（6）和两块可移动侧板（8）围成的空腔内，压力试验机（1）的压杆（2）穿过盒盖（3）中心的通孔作用在颗粒材料（9）上，若干个薄膜压力传感器（10）均匀设置在颗粒材料（9）的和水平底板（5）之间。
3.根据权利要求2所述的颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，其特征在于：所述颗粒试样盒还包括两个加强筋（7），两个加强筋（7）分别设置在两个固定侧板（6）的外壁面，其底部与水平底板（5）固连。
4.根据权利要求2所述的颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，其特征在于：所述可移动侧板（8）采用高强度的透明的有机玻璃板。
5.根据权利要求2所述的颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置，其特征在于：所述两个可移动侧板（8）内壁之间的间隔距离等于颗粒材料（9）的厚度，使得该实验为颗粒材料（9）的二维加压实验。
6.一种基于权利要求1-5中任意一项所述的颗粒材料加压实验的接触力测量实验装置的实验方法，其特征在于，方法步骤如下：
步骤1、将若干个薄膜压力传感器（10）均匀设置在颗粒试样盒的水平底板（5）的顶面，沿着固定侧板（6）的滑槽分别插入可移动侧板（8），将颗粒材料（9）以六角密排型的形式放入颗粒试样盒中；
步骤2、将颗粒试样盒放置在压力试验机（1）的试验平台上，使压力试验机（1）的压杆（2）能穿过盒盖（3）中心的通孔（4），直接作用在颗粒材料（9）上；
步骤3、将若干个薄膜压力传感器（10）分别和测量显示器（12）连接；
步骤4、启动压力试验机（1），按一定的加载形式对颗粒材料（9）施加竖直方向的压缩载荷；
步骤5、读取测量显示器（12）的读数，并多次实验，记录数据。
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