CN108535146B - 一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及颗粒体系受冲击力下发现接触力的测量试验领域，具体涉及一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，包括：在有机玻璃圆中竖向叠放若干个实验球；在实验球与实验球间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器；采用加压机构对顶部实验球施加冲击荷载，通过力锤压力传感器记录下加压机构施加的冲击载荷；通过薄膜压力传感器和数据采集处理电路盒记录实验球与实验球之间接触力的大小；施加不同的冲击荷载，重复上述试验步骤。其能够定量控制冲击荷载大小，从而确定相对合理的施力范围，还可以通过力锤施加荷载的时程曲线和球间法向接触力的时程曲线，来研究球间法向接触力的耗散规律。
Description
技术领域
本发明涉及颗粒体系受冲击力下发现接触力的测量试验领域，具体涉及一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法。
背景技术
土木工程领域中，岩体或土体其本质构成均是以散体材料介质为主，由于散体材料颗粒的接触过程并不是一个简单的力学过程，所以相关的实验方法和理论体系尚未形成，但他也是国内外相关专家研究的热点。
离散元法作为散体颗粒研究不可替代的数值模拟方法，它着重研究散体颗粒的运动机制，而对散体颗粒接触力的实验研究又有助于进一步掌握散体颗粒的运动机制，因此有大量的试验方法来测定散体颗粒的接触力。
但这些试验方法中，有一部分相对简单，它们只测量散体颗粒的单向接触力，比如法向。往往在这类方法中，它们并没有定量控制所施加的冲击荷载大小，从而导致颗粒材料破碎和实验失败。另一方面，许多实验方法仅仅测量了颗粒材料之间的接触力，并没有深入研究颗粒间接触力的耗散规律，因此，它们所得的实验结论并不完善。
发明内容
本发明专利的目的在于克服现有试验方法的局限性，提供了一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法。其能够定量控制冲击荷载大小，从而确定相对合理的施力范围，还可以通过力锤施加荷载的时程曲线和球间法向接触力的时程曲线，来研究球间法向接触力的耗散规律。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，包括如下步骤：
步骤一、将有机玻璃圆管竖向安装于支撑板上，在有机玻璃圆管中竖向叠放若干个实验球；
步骤二、在实验球与实验球间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器，然后用导线将薄膜压力传感器依次与数据采集处理电路盒以及电脑相连；
步骤三、确认所有线路连接完好，打开数据采集处理电路盒；
步骤四、采用加压机构对顶部实验球施加冲击荷载，通过力锤压力传感器记录下加压机构施加的冲击荷载，并在电脑上显示出加压机构施加荷载的时程曲线；
步骤五、通过薄膜压力传感器和数据采集处理电路盒记录实验球与实验球之间接触力的大小，然后在电脑上显示出实验球间法向接触力的时程曲线；
步骤六、施加不同的冲击荷载，重复上述步骤一至五，获得不同冲击荷载下的加压机构施加荷载时程曲线以及实验球间法向接触力时程曲线；
步骤七、对比同组试验的加压机构和实验球间法向接触力波峰和波谷，根据采集到的数据和图像对实验球整个接触过程的施加荷载及接触压力进行分析。
作为本发明改进的技术方案，实验球为水泥球或金属球，各个实验球的直径误差为±0.2mm。
作为本发明改进的技术方案，加压机构采用冲击力锤。
作为本发明改进的技术方案，冲击力锤在与实验球接触的表面设有缓冲头。
作为本发明改进的技术方案，有机玻璃圆管的管壁在沿高度方向设有若干个孔。
与现有的试验方法相比，本发明专利的有益效果是：
1、本发明可以测出冲击力锤的力值，从而确定合理的施力范围，防止实验球因所受冲击力过大而发生破碎，或者因所受冲击力过小而影响试验精度。
2、本发明能够通过冲击力锤施加荷载的时程曲线和球间法向接触力的时程曲线，来研究球间法向接触力的耗散规律。
3、本发明将实验球放入有机玻璃圆管中，既使得实验球的球心在同一法线上，又限制了实验球的侧向位移，提高了试验的精度。
4、本发明的操作方法简单而且精度较高。
附图说明
图1是本发明的试验装置结构示意图。
图2是本发明的试验方法流程图。
图3 第1次冲击荷载时程曲线；
图4第2次冲击荷载时程曲线；
图5 第3次冲击荷载时程曲线；
图6 第4次冲击荷载时程曲线；
图7 第5次冲击荷载时程曲线；
图8 第6次冲击荷载时程曲线；
图9 第7次冲击荷载时程曲线；
图10 第8次冲击荷载时程曲线；
图11 第4次试验球颗粒法向接触力时程曲线；
图12 第5次试验球颗粒法向接触力时程曲线；
图中，1、实验球；2、薄膜压力传感器；3、有机玻璃圆管；4、导线；5、支撑板；6、连接螺钉；7、固定套筒；8、数据采集处理电路盒；9、电脑；10、动态信号测试分析装置；11、信号转换器；12、冲击力锤；13、力锤压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利作进一步说明。以下描述仅用于更加清楚地说明本发明专利的技术方案，而不能以此来限制本发明专利的保护范围。
如图1-2所示，一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，包括如下步骤：
步骤一、将有机玻璃圆管竖向安装于支撑板上，在有机玻璃圆管中竖向叠放若干个实验球；
步骤二、在实验球与实验球间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器，然后用导线将薄膜压力传感器依次与数据采集处理电路盒以及电脑相连；
步骤三、确认所有线路连接完好，打开数据采集处理电路盒；
步骤四、采用加压机构对顶部实验球施加冲击荷载，通过力锤压力传感器记录下加压机构施加的冲击荷载，并在电脑上显示出加压机构施加荷载的时程曲线；步骤五、通过薄膜压力传感器和数据采集处理电路盒记录实验球与实验球之间接触力的大小，然后在电脑上显示出实验球间法向接触力的时程曲线；
步骤六、施加不同的冲击荷载，重复上述步骤一至五，获得不同冲击荷载下的加压机构施加荷载时程曲线以及实验球间法向接触力时程曲线；
步骤七、对比同组试验的加压机构和实验球间法向接触力波峰和波谷，根据采集到的数据和图像对实验球整个接触过程的施加荷载及接触压力进行分析。
作为本发明改进的技术方案，实验球为水泥球或金属球，各个实验球的直径误差为±0.2mm。
实施例1，本申请采用的装置为：包括冲击力锤12，力锤压力传感器13，信号转换器11，动态信号测试分析装置10，实验球1，薄膜压力传感器2，有机玻璃圆管3，导线4，支撑板5，连接螺钉6，固定套筒7，数据采集处理电路盒8和电脑9。
固定套筒通过连接螺钉安装于支撑板上，有机玻璃圆管的一端通过固定套筒安装于支撑板上，实验球放置于有机玻璃圆管中，有机玻璃圆管的尺寸能保证所有实验球的中心在一条直线上，薄膜压力传感器置于实验球与实验球之间，薄膜压力传感器通过导线连接于数据采集处理电路盒，数据采集处理电路盒连接于电脑；冲击力锤用于向实验球施加，冲击力锤的下端设有力锤压力传感器，信号转换器、动态信号测试分析装置分别与力锤压力传感器连接。
为了方便测距，有机玻璃圆管的管壁沿高度方向设有若干个孔。
图2是依据实施例1的装置的实验方法流程图，该试验方法步骤如下：（1）将带有侧向孔洞的有机玻璃圆管用套筒固定在支撑板上，把实验球叠放在有机玻璃圆筒中；（2）在实验球与实验球之间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器，然后用导线将传感器、数据采集处理电路盒与电脑相连；（3）采用冲击力锤对顶部实验球施加冲击荷载，通过力锤压力传感器记录下冲击荷载大小，并在电脑上显示出力锤施加荷载的时程曲线；（4）通过薄膜压力传感器和数据采集装置采集实验球与实验球之间接触力的大小，然后在电脑上显示出实验球间法向接触力的时程曲线；（5）施加不同的冲击荷载，重复上述试验步骤，获得不同冲击荷载下的冲击力锤施加荷载时程曲线以及实验球间法向接触力时程曲线；（6）根据采集到的数据和图像对实验球整个接触过程的施加荷载及接触压力进行分析。
图3-10是本发明的冲击力锤施加荷载时程曲线图，本试验用该试验方法共做了8次，从冲击荷载波峰可以看出，最大冲击荷载在6.1N—20.7N之间，从而确定了冲击力锤的合理施力范围。
图11-12是本发明的实验球间法向接触力时程曲线图（选取第4，第5次试验进行分析），表1是实验球间法向接触力时程数据；从图11-12中可以，最接近有机玻璃圆管管顶的8号薄膜压力传感器所测接触力是整个接触过程中所测接触力的最大值，其接触力峰值与冲击力锤施加荷载的峰值相近。此外，所选两组试验的接触力峰值从有机玻璃圆管管顶到有机玻璃圆管管底的方向基本呈现出先递减后上升的趋势，通过计算相邻两个薄膜压力传感器所测压力的差值，可以进一步研究实验球间法向接触力的耗散规律。
表1 第4、5组实测接触力峰值
| 薄膜编号 | 1号点 | 2号点 | 3号点 | 4号点 | 5号点 | 6号点 | 7号点 | 8号点 |
| 第4组 | 9.366 | 9.899 | 8.970 | 8.850 | 10.218 | 10.747 | 11.894 | 12.719 |
| 第5组 | 17.104 | 17.408 | 16.539 | 15.322 | 16.321 | 16.852 | 17.670 | 21.513 |
所述带有侧向孔洞的有机玻璃圆管及固定套筒，可根据试验所需实验球的个数和直径，更换不同直径以及长度的有机玻璃圆管及固定套筒。
试验所用实验球可为水泥球或金属球，误差为±0.2mm，以确保实验球竖直排列。
所述冲击力锤具有缓冲头，它能够降低冲击速度，也可以控制试件的脉冲宽度或激振频率。
所述数据采集装置在测量时应同步启动，便于对比分析力锤和球间接触力的时程曲线。
本发明所述试验方法的原理为：将实验球叠放在限制侧向位移的有机玻璃圆管中，实验球与实验球之间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器；接着采用冲击力锤对顶部实验球施加冲击荷载并获取冲击力锤施加荷载的时程曲线；然后通过数据采集装置采集球间接触面处的压力值并获取实验球间法向接触力的时程曲线；最后对整个接触过程的施加荷载及接触压力进行分析。
实施例2
加压机构，包括供气瓶、储气室、固定支架、加载板以及活塞；供气瓶、储气室与加载板通过输气管依次连接；供气瓶上设有气压表与气体阀门开关；供气瓶通过输气管连接于储气室，储气室上设有控制开关与压力表；储气室通过输气管作用于加载板，固定支架的一端头采用无缝钢管封堵；加载板连接于固定支架的另一端；活塞设于加载板的下方并同时位于有机玻璃圆管的上端；加载板与活塞接触的一面设有冲击传感器；活塞的外径与有机玻璃圆管的内径一致；在控制供气瓶供气能实现控制加载板向活塞施压，活塞向有机玻璃圆管中的实验球加压。通过控制冲击气压的大小，可精确把握施加冲击荷载的大小和持续时间，避免了传统方法使用落锤施压的弊端。另外，通过气压加载还可实现多级加载的目的。
测量法向位移，机构包括支架，以及安装于支架上的红外发射器、红外接收器与红外距离传感器；支架安装于支撑板上；其中，红外发射器发射的红外信号能通过有机玻璃圆管管壁上的孔；红外接收器用于接收红外发射器发射的信号；红外距离传感器用于检测实验球的法向位移。
以上仅是本发明专利的优选实施方式，在不脱离本发明专利技术原理的前提下，对本发明做出的若干改进和变形，都应视为本发明专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将有机玻璃圆管竖向安装于支撑板上，在有机玻璃圆管中竖向叠放若干个实验球；有机玻璃圆管的一端通过固定套筒安装于支撑板上，实验球放置于有机玻璃圆管中，有机玻璃圆管的尺寸能保证所有实验球的中心在一条直线上；
步骤二、在实验球与实验球间的接触面贴上能够检测压力的薄膜压力传感器，然后用导线将薄膜压力传感器依次与数据采集处理电路盒以及电脑相连；
步骤三、确认所有线路连接完好，打开数据采集处理电路盒；
步骤四、采用加压机构对顶部实验球施加冲击荷载，通过力锤压力传感器记录下加压机构施加的冲击荷载；测量法向位移，机构包括支架，以及安装于支架上的红外发射器、红外接收器与红外距离传感器；支架安装于支撑板上；有机玻璃圆管的管壁在沿高度方向设有若干个孔；其中，红外发射器发射的红外信号能通过有机玻璃圆管管壁上的孔；红外接收器用于接收红外发射器发射的信号；红外距离传感器用于检测实验球的法向位移；并在电脑上显示出加压机构施加荷载的时程曲线；
步骤五、通过薄膜压力传感器和数据采集处理电路盒记录实验球与实验球之间接触力的大小，然后在电脑上显示出实验球间法向接触力的时程曲线；
步骤六、施加不同的冲击荷载，重复上述步骤一至五，获得不同冲击荷载下的加压机构施加荷载时程曲线以及实验球间法向接触力时程曲线；
步骤七、对比同组试验的加压机构和实验球间法向接触力波峰和波谷，根据采集到的数据和图像对实验球整个接触过程的施加荷载及接触压力进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，其特征在于，实验球为水泥球或金属球，各个实验球的直径误差为±0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，其特征在于，加压机构采用冲击力锤。
4.根据权利要求3所述的一种球体颗粒体系受冲击作用下的法向接触力测试方法，其特征在于，冲击力锤在与实验球接触的表面设有缓冲头。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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