CN110553916B - 一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法，涉及矿山工程、力学工程技术领域。本发明所述点式万向传载系统包括点式多级独立加载单元，该单元包括液压油缸和点式加载面板，液压油缸顶端设有球形凸面，点式加载面板中部焊接一个球形凹面，液压油缸的球形凸面和点式加载面板的球形凹面活动连接，液压油缸通过高压油管与控制台相连接；所述控制台通过高压油管与液压泵相连接，控制台内置有两个压力表；所述压力表置于液压泵上，所述液压泵的另一端与阀门的一端相连接，阀门的另一端与油压罐相连接；本系统可以实现应力加载方向的改变，为研究模型不同的力学环境提供了新的技术手段和方法，改变了以往模型加载方向单一的困扰。

Description

一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法

技术领域

本发明涉及矿山工程、力学工程技术领域，尤其涉及一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法。

背景技术

模型加载方法是力学试验、工程模拟实验中一项关键技术，因为它直接决定相似模型块体内所形成应力场的相似程度，直接关系到模拟实验研究结果的精度，也对模型试验结果能否符合工程实际受力状态起着至关重要的作用。

现有的实验平台模型的加载方法中，普遍使用的有如下两种加载方式：一是用柔性橡胶囊对模型加载、二是应用固定面板对模型加载。在实验精度要求不高的情况下，这两中实验室应力加载方法均能解决一些问题。随着实验平台的不断发展，对模型应力加载的方式也日益提高。以上两种实验室模型应力加载的方法的弊端也逐渐暴露：(1)用柔性橡胶加载属于整体加载，模型每个方向受力只能是一个整体，其应力加载均匀性尚可，但不能如实模拟模型在不同方向上不均匀受力状态，同时其行程较小，荷载强度偏低，无法满足模型较大变形、受力不均匀和较高的强度情况，适用范围受到了很大限制；又无法循环实用，成本高昂，且加载模型尺寸普遍较小，在地质环境条件相对简单的情况下可以实现模拟，但无法充分模拟地质条件较复杂的情况。(2)实验室大型的物理模拟应力加载方式多为整体加载或面加载，加载面板尺寸0.30m×0.50m、或者更大，载荷作用面积大，且传载、加载方向固定不可调，不能为沟谷、山地模型加载；当模型为二维应力加载的情况时，常常会将模型压垮；较难真实反映实际现场受载情况，对测试受不均匀荷载且荷载方向不同的模型存在较大困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法，本系统通过调节点式加载面板与模型接触的角度和方位，可以实现应力加载方向的改变，能够真实的模拟不同方向不同荷载状态下模型的力学环境，为研究模型不同的力学环境提供了新的技术手段和方法，改变了以往模型加载方向单一的困扰。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，所述实验应力加载系统包括多组竖向点式万向传载系统和多组侧向点式万向传载系统，每组点式万向传载系统包括油压罐，压力表，液压泵，控制台，点式多级独立加载单元、高压油管，阀门；

所述点式多级独立加载单元包括液压油缸和点式加载面板，所述液压油缸顶端设有球形凸面，点式加载面板中部焊接一个球形凹面，液压油缸的球形凸面和点式加载面板的球形凹面活动连接，所述液压油缸通过高压油管与控制台相连接；所述控制台通过高压油管与液压泵相连接，控制台内置有两个压力表；所述压力表置于液压泵上，所述液压泵的另一端与阀门的一端相连接，阀门的另一端与油压罐相连接；

所述点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，点式加载面板的最小尺寸根据实验台加载特征及研究对象强度特征决定；

所述点式加载面板中部焊接球形凹面的深度等于液压油缸顶端球形凸面的半径；

所述液压油缸和液压泵根据实验台应力加载的最大值选取；

所述实验应力加载系统能够对不同组的液压油缸施加不同的应力；

所述每一组点式万向传载系统能控制一个或多个点式多级独立加载单元；

另一方面，本发明提供一种点式加载万向传载的实验应力加载方法，通过所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统实现，包括如下步骤:

步骤1:计算点式加载面板的尺寸范围；

步骤1.1:点式加载面板形状为正方形，在设计“点”式加载面板最小尺寸时，应满足下式的要求：

P_max≤η

式中：P_max代表点式万向传载系统中点式加载面板能施加的最大压力值，单位为kPa；η代表待测模型承载力，单位为kPa；

步骤1.2:计算模型承载力η

对于模型材料的承载力的主要影响因素有材料的黏聚力、内摩擦角、材料重度和泊松比；根据建立在刚塑体假定基础上模型承载能力的等效计算公式为：

式中，c为模型材料的黏聚力，单位为kPa；

为模型材料的内摩擦角，单位为度；γ为模型材料的重度，单位为kN/m³，ν为模型材料的泊松比；b为加载面板的边长，单位为m；

步骤1.3:计算“点”式加载面板最小尺寸,公式如下：

P_max≤η

则点式加载面板的最小尺寸为bm；

点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，所以点式加载面板的尺寸取值范围为[b，0.30]，点式加载面板的具体尺寸根据试验台和实验模型的尺寸确定，且在该范围内取0.05m的整数倍；

步骤2：根据步骤1确定的面板尺寸，加工制造点式加载面板以及与球面耦合的连接件，将球形的连接件焊接在液压油缸顶端，即液压油缸的传载轴上。

步骤3：选择液压油缸和液压泵的型号；

根据实验台框架承载能力及实验台功能要求，设计试验台应力加载的最大值；基于试验台应力加载的最大值，选择合理的液压油缸和液压泵型号；

步骤4：对试验台应力加载液压系统进行分组布置、分区控制设计；

步骤4.1：根据实验条件设置实验台的竖向点式万向传载系统、侧向点式万向传载系统的分区域控制方案；所述分区域控制方案即将点式万向传载系统和侧向点式万向传载系统中不同的应力加载区域划分出来，划分后每个区域内加载的应力相同；

步骤4.2：根据分区域控制方案对液压油缸进行分组、分区的安装，连接好阀门和高压油管，每个区域对应一个液压泵站；

步骤5：将应力加载系统和实验平台组装好，并根据实验需求安装测试仪器后开始进行实验。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统及方法，本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、所述“点”式加载装置由于“点”式加载面板尺寸小，一般不超过0.30m×0.30m，通过模型设计的受力情况对液压油缸进行分组安装，同时应力加载控制系统可以对不同组的液压油缸施加大小不同的压力，即在模型应力加载时可以分区分段分点的对模型施加大小不同的应力，这可以较真实的模拟地面、地下的建筑物等“点”式受力情况。所述“点”式加载系统相比较传统模拟中的应力加载装置其可以模拟模型受不均匀荷载的情况，为更加真实反映现场真实的力学环境提供了新的手段和方法。

2、所述“点”式加载面板中部的球形凹面和液压油缸顶端的球形凸面形成的球面接触“万向”传载活动结构，由于所述“点”式加载面板的尺寸较小、方向可以改变，在模拟实验中可以模拟丘陵、沟壑和山地等复杂地形的受力情况；通过调节“点”式加载面板与模型接触的角度和方位，可以实现应力加载方向的改变，为研究模型不同的力学环境提供了新的技术手段和方法，改变了以往模型加载方向单一的困扰。

附图说明

图1为本发明实施例提供的点式加载万向传载的实验应力加载系统示意图；

图2为本发明实施例提供的点式加载万向传载的实验应力加载方法流程图；

图3为本发明实施例提供的点式多级独立加载单元示意图；

图4为本发明实施例提供的点式多级独立加载单元剖面示意图；

图5为本发明实施例提供的点式加载面板的示意图；

图6为本发明实施例提供的多组竖向点式万向传载系统和多组侧向点式万向传载系统示意图；

图中：1.油压罐，2.压力表，3.液压泵，4.控制台，5.液压油缸，6.点式加载面板，7.高压油管，8.阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例的方法如下所述。

一方面，本发明提供一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，所述实验应力加载系统包括多组竖向点式万向传载系统和多组侧向点式万向传载系统，如图6所示，每组点式万向传载系统包括油压罐1，压力表2，液压泵3，控制台4，点式多级独立加载单元、高压油管7，阀门8，如图1所示；

如图3所示，所述点式多级独立加载单元包括液压油缸5和点式加载面板6，所述液压油缸5顶端设有球形凸面，点式加载面板6中部焊接一个球形凹面，如图5所示，且面积较小，可近似为“点”式加载。液压油缸5的球形凸面和点式加载面板6的球形凹面活动连接，点式多级独立加载单元的剖面如图4所示，所述液压油缸5通过高压油管7与控制台4相连接；所述控制台4通过高压油管7与液压泵3相连接，所述控制台4内置有两组压力表2；所述压力表2置于液压泵3上，用于测量液压泵的压力值；所述点式加载面板上焊接的球形凹面和液压油缸上焊接的球形凸面组成球面接触“万向”传载，所述点式加载面板6中部的凹面与液压油缸5顶端球形凸面相耦合，实现“万向”传载。所述液压泵3的另一端与阀门8的一端相连接，阀门8的另一端与油压罐1相连接；

所述点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，点式加载面板的最小尺寸根据实验台加载特征及研究对象强度特征决定；所述实验台为进行实验的整个实验系统平台；

所述点式加载面板中部焊接球形凹面的深度等于液压油缸顶端球形凸面的半径；

所述液压油缸和液压泵根据实验台应力加载的最大值选取；

所述实验应力加载系统能够对不同组的液压油缸施加不同的应力；

所述每一组点式万向传载系统能控制一个或多个点式多级独立加载单元；

另一方面，本发明提供一种点式加载万向传载的实验应力加载方法，通过所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统实现，如图2所示，包括如下步骤:

“点”式加载面板和模型接触时可归为刚性体–弹性体的接触问题，模型的破坏与否取决于模型所受的应力是否超过材料的承载能力，在“点”式加载面板与模型接触时由于模型的材料和尺寸都是固定不变的，所以在应力加载时认为模型材料的承载力是固定不变的。当“点”式加载面板尺寸设计很小时，加载液压油缸布置密集、管路系统复杂，应力加载系统加工制造难度大、成本高，也没有必要，且“点”式加载方式易形成应力集中，若加载载荷超过了材料的承载能力时模型会被压坏；当“点”式加载面板尺寸过大时，难以真实模拟不同条件下的研究对象的受力问题。所以在实验室模型应力加载过程中要选择合理的“点”式加载面板的尺寸。

步骤1:计算点式加载面板的尺寸范围；

步骤1.1:点式加载面板形状为正方形，在设计“点”式加载面板最小尺寸时，应满足下式的要求：

P_max≤η

式中：P_max代表点式万向传载系统中点式加载面板能施加的最大压力值，单位为kPa；η代表待测模型承载力，单位为kPa；

步骤1.2:计算模型承载力η

对于模型材料的承载力的主要影响因素有材料的黏聚力、内摩擦角、材料重度和泊松比；根据建立在刚塑体假定基础上模型承载能力的等效计算公式为：

式中，c为模型材料的黏聚力，单位为kPa；

为模型材料的内摩擦角，单位为度；γ为模型材料的重度，单位为kN/m³，ν为模型材料的泊松比；b为加载面板的边长，单位为m。

步骤1.3:计算“点”式加载面板最小尺寸

P_max≤η

则点式加载面板的最小尺寸为bm。

点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，所以点式加载面板的尺寸取值范围为[b，0.30]，点式加载面板的具体尺寸根据试验台和实验模型的尺寸确定，同时为了保证加载应力的多样性和模型的完整度，面板的尺寸在该范围内取0.05m的整数倍，以便加载面板尺寸与实验台模型的尺寸更好地匹配。

根据设计试验台模拟最大压力为500kPa，即P_max＝500kPa。

设计试验台模拟模型采用相似材料制作，参考常规的相似材料物理力学性质，取c＝580kPa，

γ＝2.1×10⁴kN/m³，ν＝0.19。

代入步骤1.3计算可得点式加载面板的最小尺寸b≥0.18m。

根据设计试验台框架内腔尺寸为1800mm×1200mm×1200mm(长×宽×高)，按照面板的尺寸按照0.05m的整数倍取整的原则，确定加载面板的尺寸为0.20m×0.20m。

步骤2：根据步骤1确定的面板尺寸，加工制造点式加载面板以及与球面耦合的“万向”传载连接件，将球形的“万向”传载连接件焊接在液压油缸顶端，即液压油缸的传载轴上，实现“万向”传载方式。

步骤3：选择液压油缸和液压泵的型号；

根据实验台框架承载能力及实验台功能要求，设计试验台应力加载的最大值；基于试验台应力加载的最大值，选择合理的液压油缸和液压泵型号；

根据模拟试样需求压力0.5MPa，折算需要液压泵站压力7.0MPa。

由于，确定的单液压缸加载面板尺寸为0.2m×0.2m，即面积为400cm²，所以液压缸最小面积s＝400×0.5/7＝28.6cm²，对应直径60mm，因此，选用63mm缸径可满足需求。

即选择液压油缸的型号为：MOB63×200，选择液压泵型号为：40L-1HP-VP15。

步骤4：对试验台应力加载液压系统进行分组布置、分区控制设计；

步骤4.1：为了满足应力加载系统可以模拟多种实验条件，根据实验条件设置实验台的竖向点式万向传载系统、侧向点式万向传载系统的分区域控制方案；所述分区域控制方案即将点式万向传载系统和侧向点式万向传载系统中不同的应力加载区域划分出来，划分后每个区域内加载的应力相同；

步骤4.2：根据分区域控制方案对液压油缸进行分组、分区的安装，连接好阀门和高压油管，每个区域对应一个液压泵站；

步骤5：将应力加载系统和实验平台组装好，并根据实验需求安装测试仪器后开始进行实验。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述实验应力加载系统包括多组竖向点式万向传载系统和多组侧向点式万向传载系统，每组点式万向传载系统包括油压罐，压力表，液压泵，控制台，点式多级独立加载单元、高压油管，阀门；

所述点式多级独立加载单元包括液压油缸和点式加载面板，所述液压油缸顶端设有球形凸面，点式加载面板中部焊接一个球形凹面，液压油缸的球形凸面和点式加载面板的球形凹面活动连接，所述液压油缸通过高压油管与控制台相连接；所述控制台通过高压油管与液压泵相连接，控制台内置有两个压力表；所述压力表置于液压泵上，所述液压泵的另一端与阀门的一端相连接，阀门的另一端与油压罐相连接。

2.根据权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，点式加载面板的最小尺寸根据实验台加载特征及研究对象强度特征决定。

3.根据权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述点式加载面板中部焊接球形凹面的深度等于液压油缸顶端球形凸面的半径。

4.根据权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述液压油缸和液压泵根据实验台应力加载的最大值选取。

5.根据权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述实验应力加载系统能够对不同组的液压油缸施加不同的应力。

6.根据权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统，其特征在于：所述每一组点式万向传载系统能控制一个或多个点式多级独立加载单元。

7.一种点式加载万向传载的实验应力加载方法，通过权利要求1所述的一种点式加载万向传载的实验应力加载系统实现，其特征在于：包括如下步骤:

步骤1:计算点式加载面板的尺寸范围；

步骤1.1:点式加载面板形状为正方形，在设计“点”式加载面板最小尺寸时，应满足下式的要求：

P_max≤η

式中：P_max代表点式万向传载系统中点式加载面板能施加的最大压力值，单位为kPa；η代表待测模型承载力，单位为kPa；

步骤1.2:计算模型承载力η；

对于模型材料的承载力的主要影响因素有材料的黏聚力、内摩擦角、材料重度和泊松比；根据建立在刚塑体假定基础上模型承载能力的等效计算公式为：

式中，c为模型材料的黏聚力，单位为kPa；

为模型材料的内摩擦角，单位为度；γ为模型材料的重度，单位为kN/m³，ν为模型材料的泊松比；b为加载面板的边长，单位为m；

步骤1.3:计算“点”式加载面板最小尺寸,公式如下：

P_max≤η

则点式加载面板的最小尺寸为bm；

点式加载面板的最大尺寸设计不超过0.30m×0.30m，所以点式加载面板的尺寸取值范围为[b，0.30]，点式加载面板的具体尺寸根据试验台和实验模型的尺寸确定，且在该范围内取0.05m的整数倍；

步骤2：根据步骤1确定的面板尺寸，加工制造点式加载面板以及与球面耦合的连接件，将球形的连接件焊接在液压油缸顶端，即液压油缸的传载轴上；

步骤3：选择液压油缸和液压泵的型号；

根据实验台框架承载能力及实验台功能要求，设计试验台应力加载的最大值；基于试验台应力加载的最大值，选择合理的液压油缸和液压泵型号；

步骤4：对试验台应力加载液压系统进行分组布置、分区控制设计；

步骤4.1：根据实验条件设置实验台的竖向点式万向传载系统、侧向点式万向传载系统的分区域控制方案；所述分区域控制方案即将点式万向传载系统和侧向点式万向传载系统中不同的应力加载区域划分出来，划分后每个区域内加载的应力相同；

步骤4.2：根据分区域控制方案对液压油缸进行分组、分区的安装，连接好阀门和高压油管，每个区域对应一个液压泵站；

步骤5：将应力加载系统和实验平台组装好，并根据实验需求安装测试仪器后开始进行实验。

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