CN110567773A - 物理相似材料试件的快速承压成型装置及其成型方法 - Google Patents

Abstract

物理相似材料试件的快速承压成型装置及其成型方法，包括应变仪和水平设置的下平板，下平板上表面矩形阵列设有四根导柱,下平板上设置有液压千斤顶，四根导柱上滑动套设有中平板，四根导柱上端设置有上平板,每根导柱上均套设有一根位于上平板和中平板直之间的压缩弹簧,中平板上放置有试件成型模具,上平板下表面连接有压力传感器，压力传感器通过引线与应变仪连接。本发明可准确控制试件成型压力、成型密度和成型时间，通过对相似材料试件体积的控制，获得对相似材料试件成型条件的精确控制，提高了相似材料试件密度均匀性，减小了试件形状的离散度。使得模具具备了制作高密度相似材料试件的能力。

Description

物理相似材料试件的快速承压成型装置及其成型方法

技术领域

本发明属于相似材料试验技术领域，具体涉及一种物理相似材料试件的快速承压成型装置及其成型方法。

背景技术

物理相似模拟实验是矿山、地下空间及其他岩土工程问题研究的重要手段。合理的相似模拟试验要求模型满足几何相似性，动力相似性和运动相似性。相似模拟动力相似性是相似模拟试验是否合理的关键，其主要内容就是要求相似材料力学性质满足试验要求。制作相似材料的标准试件并测定其力学参数是确定相似材料力学性质的主要方法。

为研究相似材料配比和成型条件对力学性质的影响，常需要制作大量相似材料试件。目前相似材料试件的主要制作方法是手工压制。由于相似材料试件手工压实过程中，施力不均匀，施力大小不能控制，造成即使同一批次的相似材料试件，其力学性质也存在较高的离散度；万能压力机可获得对标准岩石试件受力条件很好的控制，但主要问题是万能压力机单次试验成本高、试件制作时间长，并且目前大部分相似模拟试件模具设计为仅能手工压制。因此，亟需一种满足相似材料试件成型条件可控要求，并且能够快速经济地制作相似材料试件的设备。

目前，相似材料试件在制作时一般采用手工压实法：相似材料按配比混合制备后装入圆柱形或立方形的相似模拟试件模具后，手工压实相似材料使相似材料正好充满模具。待模具中的相似材料试件固结后拆模取出，养护一段时间后进行力学测试。这种模具存在以下缺点：

1）模具体积固定，不能根据试验要求改变模型体积（通过改变长度）；

2）试件主要成型条件，包括承压成型时间、成型压力、成型密度均不可控；

3）试件成型的压力源一般为人力，压制过程误差较高，且制作效率较低；

4）目前的相似材料试件模具一般采用人工压实，难以制作高密度相似材料试件；

随着相似模拟研究方法从二维向三维，从浅部低应力条件向大埋深高应力条件的发展，从宏观现象的相似向实验参数精确化模拟的发展，相似材料试件的手工制作方法的弊端越发突出。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种结构简单、便于操作、体积可调节、制作效率高、密度高且均匀的物理相似材料试件的快速承压成型装置及其成型方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：物理相似材料试件的快速承压成型装置，包括应变仪和水平设置的下平板，下平板上表面矩形阵列设有四根导柱,下平板上设置有液压千斤顶，液压千斤顶和四根导柱均沿垂直方向设置，四根导柱上滑动套设有中平板，四根导柱上端通过螺母组件设置有上平板,每根导柱上均套设有一根位于上平板和中平板直之间的压缩弹簧,在压缩弹簧的弹力作用下,液压千斤顶的上端与中平板下表面定压配合,中平板上放置有试件成型模具,上平板下表面连接有压力传感器，压力传感器通过引线与应变仪连接，试件成型模具的上端与压力传感器下表面顶压接触。

试件成型模具包括底板、第一半圆筒、第二半圆筒、抱箍和顶盖，底板上表面固定设有圆柱形的底座，顶盖下表面固定设有圆柱形的压柱、第一半圆筒和第二半圆筒均沿垂直方向设置，第一半圆筒和第二半圆筒合围成一个圆筒体，圆筒体的内径、底座的外径和压柱的内径相等，圆筒体的下端部设置在底板上且套在底座外部，抱箍设置在第一半圆筒和第二半圆筒的外圆周，压柱伸入到圆筒体的上端口内；底板为圆形结构，中平板上表面中心处开设有用于放置并定位底板的圆形槽。

压柱外圆表面沿母线方向开设有刻度，刻度的0刻度线与压柱下表面齐平。

底板和顶盖均为圆形，底板和顶盖的外径大于等于圆筒体的外径。

抱箍设置有两个，每个抱箍均由两个半圆环通过两个连接螺拴组件连接而成。

底板和底座内部开设有底部敞口的下减重槽，顶盖和压柱内部开设有顶部敞口的上减重槽。

四根导柱下端螺纹连接在底座内，液压千斤顶的底部水平固定设有方板，下平板上表面设有用于放置并定位方板的方形槽；上平板下表面设有安装座，压力传感器通过螺钉固定连接在安装座下表面，液压千斤顶、圆筒体、压力传感器的中心线重合，四根导柱所在的矩形的两条对角线交点位于所述的中心线上。

物理相似材料试件的快速承压成型装置的成型方法，包括以下步骤，

（1）将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具内部，装上顶盖，使压柱的下表面与相似材料接触，然后将试件成型模具放置到中平板上表面圆形槽内；

（2）升高液压千斤顶，中平板克服四根压缩弹簧的弹力，向上驱动试件成型模具沿四根导杆向上移动；当顶盖接触压力传感器，顶盖下表面的压柱开始压缩相似材料，压力传感器向应变仪输出实时压力，压柱外圆表面的刻度显示压缩位移量；

（3）当应变仪显示的压力数值升高至设计压力或相似材料试件压缩量达到设计值时关闭液压千斤顶，停止加压，并保持该压力至设计时间；

（4）保持压力至设计时间后液压千斤顶松压，中平板和液压千斤顶的柱塞在压缩弹簧的作用下向下移动到初始位置，取出试件成型模具，拆模取出成型的相似材料试件并计算出相似材料试件的体积。

所述步骤（1）中将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具内部的具体过程为，将第一半圆筒和第二半圆筒在底座上合并为圆筒体，将四个半圆环套在第一半圆筒和第二半圆筒外部并使用连接螺栓组件紧固，然后称得模具的重量M₁；将制备好的相似材料均匀装满圆筒体内腔，称得模具和相似材料的总重量M₂，M₂- M₁得到相似材料的重量；最后将压柱放置到圆筒体上端口的相似材料表面。

步骤（4）中拆模取出成型的相似材料试件的具体过程为，使用扳手拧下连接螺栓组件，取下四个半圆环套，再将第一半圆筒和第二半圆筒从底座上取下，再拿下来顶盖，最后把相似材料试件从底座上取下；

步骤（4）中计算出相似材料试件的体积的方法为：底座上表面距离圆筒体的上端口的距离H为已知，压柱伸入到圆筒体内部的深度从压柱外圆表面的刻度读出来数值L，H-L的数值即为圆柱形试件的长度，圆筒体的半径R也为已知，通过计算得到试件的体积V=πR²（H-L）。

采用上述技术方案，本发明各部件具有以下有益效果：

A．方形槽的尺寸稍大于液压千斤顶底部的方板尺寸，用于放置液压千斤顶。下平板的四个角上有螺纹孔，用于螺纹连接导柱。

B.中平板上表面中间有圆形槽，中平板的四个角上有光孔，导柱与光孔形成滑动装配。中平板的作用一方面是将液压千斤顶的作用力均匀传递到试件成型模具底部，另一方面避免液压千斤顶高度与试件成型模具高度相加导致重心过高导致加压时结构不稳定。中平板上表面中间有圆形槽，尺寸稍大于试件成型模具的底板尺寸，用于确保试件成型模具在中平板的中央。

C. 上平板中间下表面有凸起的安装座，上平板四个角上设有连接孔，导柱通过螺母组件与连接孔形成固定连接。向下凸起的安装座上设有螺纹孔，螺纹孔通过螺钉用于安装压力传感器。上平板中心、安装座中心线、液压千斤顶轴线、中平板上圆形槽的中心线、方形槽的中心线重合。

D. 四根导柱用于固定上平板和下平板，装配后轴线垂直于下平板。四根导柱的作用是固定整体装配、作为导轨为中平板的位移定向、在液压千斤顶对试件成型模具施压时承载拉应力。

E. 四根压缩弹簧分别套在四根导柱上。在压制相似材料试件完成，液压千斤顶松压后，用于帮助中间板和液压千斤顶复位。

试件成型模具在液压千斤顶作用下发生轴向位移，通过试件成型模具的压柱上的位移刻度可得到相似材料试件的轴向变形量，通过压力传感器可得到实时受力大小。

液压千斤顶的作用是为试件的成型提供压力源。液压千斤顶对试件成型模具施加的压力通过压力传感器感应，并通过引线传输给应变仪实时显示。液压千斤顶工作时不易产生晃动，并且沿轴向无扭矩，保证了装置工作时的整体稳定性。

压力传感器呈圆盘形，与上平板下表面的安装座采用螺钉连接，引线接到应变仪上。装置工作时与压力传感器相连的应变仪装置输出电信号，通过计算机处理并进行换算可得到应力大小。装置工作时确保可变体积的物理相似材料试件模具、压力传感器、上平板、中平板、下平板、液压千斤顶的轴线均重合。

本发明解决了现有技术的模具存在的以下问题：

（1）解决相似材料试件体积不可变问题。目前不管是圆柱形或立方形的相似材料试件模具制作的试件体积均固定，不能控制试件体积，因此试件密度不易控制。本发明改进了标准相似材料试件模具，使压柱可轴向位移，并刻有刻度控制相似材料试件的轴向尺寸，使得试件体积可控。

（2）提供了制作高密度相似材料试件的能力。本发明的模具材料均采用钢材制成，底板和底座一体制成，顶盖和压柱一体制成，上减重槽和下减重槽的设置，可进一步减轻模具的重量，降低成本且便于拿取。抱箍加固圆筒体减小了周向变形，通过伺服压力机对可移动模型盖施加的较大压力，制得高密度的相似材料试件。

（3）解决试件内部密度不均匀的问题。目前圆柱形或立方形的固定体积相似材料试件模具采用人工压制的方法，要求相似材料正好填满模型内腔。人工压制使试件成型压力较小并且不均匀，造成了试件内部材料均匀性较差。并且一般相似材料难以正好填满模型内腔，多次加减料加剧了试件的不均匀性。

（4）利用液压千斤顶施加压力减少了人力，更重要的是结合压力传感器获得了对相似材料试件成型的压力条件的控制，降低了试件压制过程误差，具备了制作高精度相似材料试件的能力。

（5）通过液压千斤顶提供的高压，使装配能够制作高应力、高密度相似材料试件，为新型相似材料的研发奠定了基础。同时，相比采用万能压力机压制相似材料试件，采用液压千斤顶结合复位弹簧大幅减少了相似材料试件的压制成本和时间。

（5）在下平板、中平板的中轴线附近刻槽，保证了试件成型模具、压力传感器、上平板、钢制中间板、下平板、液压千斤顶的轴线均重合，提高了装置整体受力稳定性。

（6）采用中平板，一方面是将液压千斤顶的作用力均匀传递到试件成型模具底部，另一方面避免液压千斤顶高度与试件成型模具高度相加导致重心过高导致加压时结构不稳定。

综上所述，本发明可准确控制试件成型压力、成型密度和成型时间，避免了手工压制相似材料试件引起的误差和离散性，通过对相似材料试件体积的控制，获得对相似材料试件成型条件的精确控制，解决了相似材料试件密度控制的难题，提高了相似材料试件密度均匀性，减小了试件形状的离散度。使得模具具备了制作高密度相似材料试件的能力。对于新型相似材料的研发具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的装配示意；

图2使本发明的爆炸图；

图3是本发明中试件成型模具的装配图；

图4是本发明中试件成型模具的爆炸图。

具体实施方式

如图1-图4所示，物理相似材料试件的快速承压成型装置，包括应变仪（图中未示出）和水平设置的下平板11，下平板11上表面矩形阵列设有四根导柱12,下平板11上设置有液压千斤顶13，液压千斤顶13和四根导柱12均沿垂直方向设置，四根导柱12上滑动套设有中平板14，四根导柱12上端通过螺母组件15设置有上平板16,每根导柱12上均套设有一根位于上平板16和中平板14直之间的压缩弹簧17,在压缩弹簧17的弹力作用下,液压千斤顶13的上端与中平板14下表面定压配合,中平板14上放置有试件成型模具18,上平板16下表面连接有压力传感器19，压力传感器19通过引线与应变仪连接，试件成型模具18的上端与压力传感器19下表面顶压接触。

试件成型模具18包括底板1、第一半圆筒2、第二半圆筒3、抱箍和顶盖5，底板1上表面固定设有圆柱形的底座6，顶盖5下表面固定设有圆柱形的压柱7、第一半圆筒2和第二半圆筒3均沿垂直方向设置，第一半圆筒2和第二半圆筒3合围成一个圆筒体，圆筒体的内径、底座6的外径和压柱7的内径相等，圆筒体的下端部设置在底板1上且套在底座6外部，抱箍设置在第一半圆筒2和第二半圆筒3的外圆周，压柱7伸入到圆筒体的上端口内；底板1为圆形结构，中平板14上表面中心处开设有用于放置并定位底板1的圆形槽20。

压柱7外圆表面沿母线方向开设有刻度8，刻度8的0刻度线与压柱7下表面齐平。

底板1和顶盖5均为圆形，底板1和顶盖5的外径大于等于圆筒体的外径。

抱箍设置有两个，每个抱箍均由两个半圆环4通过两个连接螺拴组件9连接而成。

底板1和底座6内部开设有底部敞口的下减重槽，顶盖5和压柱7内部开设有顶部敞口的上减重槽10。

四根导柱12下端螺纹连接在底座6内，液压千斤顶13的底部水平固定设有方板21，下平板11上表面设有用于放置并定位方板21的方形槽22；上平板16下表面设有安装座23，压力传感器19通过螺钉24固定连接在安装座23下表面，液压千斤顶13、圆筒体、压力传感器19的中心线重合，四根导柱12所在的矩形的两条对角线交点位于所述的中心线上。

物理相似材料试件的快速承压成型装置的成型方法，包括以下步骤，

（1）将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具18内部，装上顶盖5，使压柱7的下表面与相似材料接触，然后将试件成型模具18放置到中平板14上表面圆形槽20内；

（2）升高液压千斤顶13，中平板14克服四根压缩弹簧17的弹力，向上驱动试件成型模具18沿四根导杆向上移动；当顶盖5接触压力传感器19，顶盖5下表面的压柱7开始压缩相似材料，压力传感器19向应变仪输出实时压力，压柱7外圆表面的刻度8显示压缩位移量；

（3）当应变仪显示的压力数值升高至设计压力或相似材料试件压缩量达到设计值时关闭液压千斤顶13，停止加压，并保持该压力至设计时间；

（4）保持压力至设计时间后液压千斤顶13松压，中平板14和液压千斤顶13的柱塞在压缩弹簧17的作用下向下移动到初始位置，取出试件成型模具18，拆模取出成型的相似材料试件并计算出相似材料试件的体积。

所述步骤（1）中将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具18内部的具体过程为，将第一半圆筒2和第二半圆筒3在底座6上合并为圆筒体，将四个半圆环4套在第一半圆筒2和第二半圆筒3外部并使用连接螺栓组件紧固，然后称得模具的重量M₁；将制备好的相似材料均匀装满圆筒体内腔，称得模具和相似材料的总重量M₂，M₂- M₁得到相似材料的重量；最后将压柱7放置到圆筒体上端口的相似材料表面。

步骤（4）中拆模取出成型的相似材料试件的具体过程为，使用扳手拧下连接螺栓组件，取下四个半圆环4套，再将第一半圆筒2和第二半圆筒3从底座6上取下，再拿下来顶盖5，最后把相似材料试件从底座6上取下；

步骤（4）中计算出相似材料试件的体积的方法为：底座6上表面距离圆筒体的上端口的距离H为已知，压柱7伸入到圆筒体内部的深度从压柱7外圆表面的刻度8读出来数值L，H-L的数值即为圆柱形试件的长度，圆筒体的半径R也为已知，通过计算得到试件的体积V=πR²（H-L）。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：包括应变仪和水平设置的下平板，下平板上表面矩形阵列设有四根导柱,下平板上设置有液压千斤顶，液压千斤顶和四根导柱均沿垂直方向设置，四根导柱上滑动套设有中平板，四根导柱上端通过螺母组件设置有上平板,每根导柱上均套设有一根位于上平板和中平板直之间的压缩弹簧,在压缩弹簧的弹力作用下,液压千斤顶的上端与中平板下表面定压配合,中平板上放置有试件成型模具,上平板下表面连接有压力传感器，压力传感器通过引线与应变仪连接，试件成型模具的上端与压力传感器下表面顶压接触。

2.根据权利要求1所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：试件成型模具包括底板、第一半圆筒、第二半圆筒、抱箍和顶盖，底板上表面固定设有圆柱形的底座，顶盖下表面固定设有圆柱形的压柱、第一半圆筒和第二半圆筒均沿垂直方向设置，第一半圆筒和第二半圆筒合围成一个圆筒体，圆筒体的内径、底座的外径和压柱的内径相等，圆筒体的下端部设置在底板上且套在底座外部，抱箍设置在第一半圆筒和第二半圆筒的外圆周，压柱伸入到圆筒体的上端口内；底板为圆形结构，中平板上表面中心处开设有用于放置并定位底板的圆形槽。

3.根据权利要求2所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：压柱外圆表面沿母线方向开设有刻度，刻度的0刻度线与压柱下表面齐平。

4.根据权利要求3所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：底板和顶盖均为圆形，底板和顶盖的外径大于等于圆筒体的外径。

5.根据权利要求4所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：抱箍设置有两个，每个抱箍均由两个半圆环通过两个连接螺拴组件连接而成。

6.根据权利要求5所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：底板和底座内部开设有底部敞口的下减重槽，顶盖和压柱内部开设有顶部敞口的上减重槽。

7.根据权利要求6所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置，其特征在于：四根导柱下端螺纹连接在底座内，液压千斤顶的底部水平固定设有方板，下平板上表面设有用于放置并定位方板的方形槽；上平板下表面设有安装座，压力传感器通过螺钉固定连接在安装座下表面，液压千斤顶、圆筒体、压力传感器的中心线重合，四根导柱所在的矩形的两条对角线交点位于所述的中心线上。

8.采用如权利要求7所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置的成型方法，其特征在于：包括以下步骤，

（1）将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具内部，装上顶盖，使压柱的下表面与相似材料接触，然后将试件成型模具放置到中平板上表面圆形槽内；

（2）升高液压千斤顶，中平板克服四根压缩弹簧的弹力，向上驱动试件成型模具沿四根导杆向上移动；当顶盖接触压力传感器，顶盖下表面的压柱开始压缩相似材料，压力传感器向应变仪输出实时压力，压柱外圆表面的刻度显示压缩位移量；

（3）当应变仪显示的压力数值升高至设计压力或相似材料试件压缩量达到设计值时关闭液压千斤顶，停止加压，并保持该压力至设计时间；

（4）保持压力至设计时间后液压千斤顶松压，中平板和液压千斤顶的柱塞在压缩弹簧的作用下向下移动到初始位置，取出试件成型模具，拆模取出成型的相似材料试件并计算出相似材料试件的体积。

9.根据权利要求7所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置的成型方法，其特征在于：所述步骤（1）中将制备好的相似材料均匀装满试件成型模具内部的具体过程为，将第一半圆筒和第二半圆筒在底座上合并为圆筒体，将四个半圆环套在第一半圆筒和第二半圆筒外部并使用连接螺栓组件紧固，然后称得模具的重量M₁；将制备好的相似材料均匀装满圆筒体内腔，称得模具和相似材料的总重量M₂，M₂- M₁得到相似材料的重量；最后将压柱放置到圆筒体上端口的相似材料表面。

10.根据权利要求9所述的物理相似材料试件的快速承压成型装置的成型方法，其特征在于：步骤（4）中拆模取出成型的相似材料试件的具体过程为，使用扳手拧下连接螺栓组件，取下四个半圆环套，再将第一半圆筒和第二半圆筒从底座上取下，再拿下来顶盖，最后把相似材料试件从底座上取下；

步骤（4）中计算出相似材料试件的体积的方法为：底座上表面距离圆筒体的上端口的距离H为已知，压柱伸入到圆筒体内部的深度从压柱外圆表面的刻度读出来数值L，H-L的数值即为圆柱形试件的长度，圆筒体的半径R也为已知，通过计算得到试件的体积V=πR²（H-L）。