CN111006974A - 一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置及其使用方法,属于光弹实验技术领域。该装置主要由承载框架、密封容器、加载系统、水压供给系统和光源系统组成。运用于散体颗粒在特定水压环境中力链结构演化与作用的研究,非常方便地观察到流固耦合条件下,散体颗粒体系内部的力链演化情况。结合后期数字图像的提取分析,从颗粒尺度计算其位移、旋转等空间物理参量和颗粒间接触法向、切向力等力学参量,在细观尺度上获取力链强弱分布和构型组成。与实验直接得到的应力‑应变关系相结合,深入开展松散地质体多尺度力学行为研究,揭示水环境对松散地质体的致灾机理,为我国构建工程地质安全控制理论体系提供实验依据。
Description
技术领域
本发明属于流固耦合光弹实验技术领域,特别涉及一种颗粒物质流固耦合 光弹实验装置。
背景技术
随着我国的快速发展,直接或者间接引发的山体滑坡、崩滑、泥石流等重 大工程地质灾害也频繁发生。此类地质灾害都有一个共同特点:承灾体都是松 散地质体,诱发因素多为降雨或人工扰动。因此,深入开展松散地质体多尺度 力学行为和致灾机理研究成为我国构建工程地质安全控制理论体系的热点和 重点。
传统地质力学研究大多基于连续介质力学理论,例如滑坡极限平衡分析方 法和以连续介质为基础的有限元强度折减法,但对于松散地质体而言,连续介 质分析方法难以揭示松散地质体内部细观结构和宏观力学行为的作用关系。为 了克服宏观唯象模型研究的局限性,诸多学者采用离散元方法开展了非连续介 质宏观力学行为的研究,但尚需要建立松散地质体细观力学研究的基础理论, 以准确地描述和解释其内在的物理力学机制。
光弹性实验主要是研究特定双折射材料在受力条件下所呈现处的特定光性 的实验,其能够在不破坏材料内部结构的基础上,清晰展现出应力条纹,结合 数字图像处理技术,可以对材料中的应力路径进行提取,实现散体颗粒力链演 化过程可视化分析。应用光弹性实验这一优点,将其运用到散体颗粒在水环境 中的力链结构的演化与作用,能够非常方便的观察到流固耦合条件下散体颗粒 系统的力链演化情况。结合后期数字图像的提取分析,深入开展松散地质体多 尺度力学行为研究,揭示水环境对松散地质体的致灾机理,为我国构建工程地 质安全控制理论体系提供实验依据。
发明内容
本发明主要通过颗粒物质流固耦合光弹实验装置,对滑坡、泥石流等由散 体颗粒为主要组成介质的体系,在水环境中的力链演化进行实验室模拟,贴近 实际、灵活、多元化反应实际工程情况,并为以散体颗粒为主的工程情况的深 入研究提供基础实验装置。
本发明通过下述技术方案实现:一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其 特征在于由承载框架1-1、密封容器1-2、加载系统、水压供给系统1-5和光源 系统组成。
其中密封容器1-2由12mm的钢化超白玻璃板组成,在该区域放置好试验 颗粒后通过水压供给系统1-5加压,通过压力变送器及控制器来控制水压的在 一定范围内恒定。
加载系统由伺服加载系统1-3和手动加载系统1-4共同构成。
承载框架1-1呈水平方向放置,采用整块铝合金板加工而成,每个加载方 向用3根4mm不锈钢加载杆共同施加最大500N的载荷,在框架上相应位置 预留了排气及进水孔道。
光源系统由LED平板光源1-6、紫外光源1-7和LED光源高度调节装置 1-8构成。
所述密封容器1-2上下都采用玻璃板,其中下盖玻璃板3-5固定,上盖玻 璃板3-1可作为密封试验区域的门轴,最大打开至与水平方向夹角呈120°;四 周玻璃与框架之间用上方形密封垫3-2、下方形密封垫3-4,外围用密封环组 3-7和上辅助压板3-6、下辅助压板3-8,保证密封腔3-3的密封性;水压通过 水压供给系统1-5提供,通过压力变送器和控制器保持恒定,最大可承载20kPa 水压。
所述伺服加载系统1-3由伺服电机4-2提供动力,带动伺服加载装置2-4, 推动伺服加载杆2-5,加载杆前端衔接伺服加载刀片2-6,进而对颗粒系统进 行双轴加载;加载力由压力传感器2-7传至控制系统,荷载量程为10-500N, 加载到前进最大位移可至限位板4-1,减速及传动装置4-3可保证加载过程顺 利进行。
所述加载系统设置有手动加载刀片2-3和伺服加载刀片2-6,相邻加载刀 片采用分层交叉结构,可保证双向加载。
所述手动加载系统1-4通过转动加载手轮5-2,带动手动加载装置2-1,推 动手动加载杆2-2,加载杆前端衔接手动加载刀片2-3,能对加载力进行补偿, 保证从伺服加载端到达对边的加载力恒定。
所述承载框架1-1既为加载杆提供通道,保证外荷载向内传递,也在相应 位置预留了排气及进水孔道,成为水压传输的载体。
一种如上所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置的使用方法,其特征在 于,包括如下操作步骤:
(a)首先把紫外光源(1-7)调整到最高位置,并固定好,防止跌落,将 上盖玻璃板(3-1)打开到最大位置;
(b)通过加载系统将手动加载刀片(2-3)和伺服加载刀片(2-6)后撤 到最大位置处,并将试验颗粒均匀的排布到试验区;
(c)启动水压供给装置(1-5)充水到即将溢出框架(1-1),然后将上盖 玻璃板(3-1)慢慢盖上并用上辅助压板(3-6)和下辅助压板(3-8)压紧;
(d)调整紫外光源(1-7)以及LED光源(1-6)到合适位置,并打开光 源;
(e)通过水压供给装置(1-5)加压到指定压力;
(f)电脑数据清零,设定好试验各阶段的力或位移后,试验开始,根据 实际需要调动伺服加载系统(1-3)和手动加载系统(1-4)到需要力值或者位 移值;
(g)在每个阶段通过高分辨率相机获取颗粒体位置图像、力链图像和紫 外图像;
(h)试验结束后,关闭光源,将紫外光源(1-7)调整到最高位置并锁紧, 拆卸上辅助压板(3-6)和下辅助压板(3-8),将上盖玻璃板(3-1)打开,取 出颗粒,并将排气口的螺丝拧下,将水排干,以防止出现锈蚀和水垢附着。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
本发明的一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置,根据实验不同水环境要求, 对密封试验区进行水压加载,同时对其中颗粒体系进行双向加载,以实现流固 耦合加载环境。
附图说明
图1为本发明的颗粒物质流固耦合光弹实验装置总体构成图;
图2为实验框架和加载装置示意图;
图3为密封系统示意图;
图4为伺服加载系统示意图;
图5为手动加载系统意图。
[主要标记符号说明]
1-1承载框架、1-2密封容器、1-3伺服加载系统、1-4手动加载系统、1-5 水压供给装置、1-6LED光源、1-7紫外光源、1-8LED光源高度调节装置;
2-1手动加载装置、2-2手动加载杆、2-3手动加载刀片、2-4伺服加载装 置、2-5伺服加载杆、2-6伺服加载刀片、2-7压力传感器;
3-1上盖玻璃板(可打开)、3-2方形密封垫(上)、3-3密封腔、3-4方 形密封垫(下)、3-5下盖玻璃板(固定)、3-6辅助压板上(可拆)3-7密 封环组、3-8辅助压板下(固定);
4-1限位板、4-2伺服电机、4-3减速及传动装置;
5-1位移标尺、5-2加载手轮。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附 图及具体实施步骤进行详细描述。
本发明针对散体颗粒为主要组成介质在水环境中的光弹力链中进行实验室 模拟,提供了一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置。
如图1所示,该装置包括承载框架1-1,密封容器1-2,加载系统,水压供 给系统1-5和光源系统;
其中密封容器1-2由12mm的钢化超白玻璃板组成,在该区域放置好试验 颗粒后通过水压供给系统1-5加压,通过压力变送器及控制器来控制水压的在 一定范围内恒定。
加载系统由伺服加载系统1-3和手动加载系统1-4共同构成。
承载框架1-1呈水平方向放置,采用整块铝合金板加工而成,每个加载方 向用3根4mm不锈钢加载杆共同施加最大500N的载荷,在框架上相应位置 预留了排气及进水孔道。
光源系统由LED平板光源1-6、紫外光源1-7和LED光源高度调节装置 1-8构成。
所述密封容器1-2上下都采用玻璃板,其中下盖玻璃板3-5固定,上盖玻 璃板3-1可作为密封试验区域的门轴,最大打开至与水平方向夹角呈120°;四 周玻璃与框架之间用方形密封垫3-2、3-4,外围用密封环组3-7和辅助压板3-6、 3-8,保证密封腔3-3的密封性;水压通过水压供给系统1-5提供,通过压力变 送器和控制器保持恒定,最大可承载20kPa水压。
所述伺服加载系统1-3由伺服电机4-2提供动力,带动伺服加载装置2-4, 推动伺服加载杆2-5,加载杆前端衔接伺服加载刀片2-6,进而对颗粒系统进 行双轴加载;加载力由压力传感器2-7传至控制系统,荷载量程为10-500N, 加载到前进最大位移可至限位板4-1,减速及传动装置4-3可保证加载过程顺 利进行。
所述加载系统设置有手动加载刀片2-3和伺服加载刀片2-6,相邻加载刀 片采用分层交叉结构,可保证双向加载。
所述手动加载系统1-4通过转动加载手轮5-2,带动手动加载装置2-1,推 动手动加载杆2-2,加载杆前端衔接手动加载刀片2-3,能对加载力进行补偿, 保证从伺服加载端到达对边的加载力恒定。
所述承载框架1-1既为加载杆提供通道,保证外荷载向内传递,也在相应 位置预留了排气及进水孔道,成为水压传输的载体。
颗粒物质流固耦合光弹实验装置的操作步骤有:
(a)首先把紫外光源1-7调整到最高位置,并固定好,防止跌落,将上 盖玻璃板3-1打开到最大位置;
(b)通过加载系统将加载刀片2-3、2-6后撤到最大位置处,并将试验颗 粒均匀的排布到试验区;
(c)启动水压供给装置1-5充水到即将溢出框架1-1,然后将上盖玻璃板 3-1慢慢盖上并用辅助压板3-6、3-8压紧;
(d)调整紫外光源1-7以及LED光源1-6到合适位置,并打开光源;
(e)通过水压供给装置1-5加压到指定压力;
(f)电脑数据清零,设定好试验各阶段的力或位移后,试验开始,根据 实际需要调动伺服加载系统1-3和手动加载系统1-4到需要力值或者位移值;
(g)在每个阶段通过高分辨率相机获取颗粒体位置图像、力链图像和紫 外图像;
(h)试验结束后,关闭光源,将紫外光源1-7调整到最高位置并锁紧, 拆卸辅助压板3-6、3-8,将上盖玻璃板3-1打开,取出颗粒,并将排气口的螺 丝拧下,将水排干,以防止出现锈蚀和水垢附着。
各项技术参数如下表:
型号 | PE-FPC02 |
X向最大试验力 | 500N |
Y向最大试验力 | 500N |
试验力测量范围 | 10N~500N |
试验力测量精度 | ±1% |
X、Y方向有效加力行程 | 200mm |
位移测量精度 | ±1% |
位移速度 | 0.1~200mm/min无级可调 |
恒力加载控制精度 | ±1% |
颗粒物质厚度 | 6mm |
透视窗面积 | 500mm×500mm |
试验水压 | 0~20kPa |
外形尺寸 | 约700×700×1200mm(不合成像设备) |
以上实施方式对本发明进行了说明,但本发明不限于上述具体实施案例, 凡基于本发明所作的任何改进或变型均属本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于由承载框架(1-1)、密封容器(1-2)、加载系统、水压供给系统(1-5)和光源系统组成;
其中密封容器(1-2)由12mm的钢化超白玻璃板组成,上下都采用玻璃板,其中下盖玻璃板(3-5)固定,上盖玻璃板(3-1)可作为密封试验区域的门轴,最大打开至与水平方向夹角呈120°;四周玻璃与框架之间有上方形密封垫(3-2)和下方形密封垫(3-4),外围有密封环组(3-7)和上辅助压板(3-6)及下辅助压板(3-8),保证密封腔(3-3)的密封性;在该区域放置好试验颗粒后通过水压供给系统(1-5)加压,通过压力变送器及控制器来控制水压的在一定范围内恒定;
加载系统由伺服加载系统(1-3)和手动加载系统(1-4)共同构成;
承载框架(1-1)呈水平方向放置,采用整块铝合金板加工而成,每个加载方向用3根4mm不锈钢加载杆共同施加最大500N的载荷,在框架上相应位置预留了排气及进水孔道;
光源系统由LED平板光源(1-6)、紫外光源(1-7)和LED光源高度调节装置(1-8)构成。
2.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于:水压通过水压供给系统(1-5)提供,通过压力变送器和控制器保持恒定,最大可承载20kPa水压。
3.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于:所述的伺服加载系统(1-3)由伺服电机(4-2)提供动力,带动伺服加载装置(2-4),推动伺服加载杆(2-5),加载杆前端衔接伺服加载刀片(2-6),进而对颗粒系统进行双轴加载;加载力由压力传感器(2-7)传至控制系统,荷载量程为10-500N,加载到前进最大位移可至限位板(4-1),减速及传动装置(4-3)保证加载过程顺利进行。
4.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于:所述的加载系统设置有手动加载刀片(2-3)和伺服加载刀片(2-6),相邻两加载刀片采用分层交叉结构,保证双向加载。
5.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于:所述的手动加载系统(1-4)通过转动加载手轮(5-2),带动手动加载装置(2-1),推动手动加载杆(2-2),加载杆前端衔接手动加载刀片(2-3),能对加载力进行补偿,保证从伺服加载端到达对边的加载力恒定。
6.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置,其特征在于:所述的承载框架(1-1)既为加载杆提供通道,保证外荷载向内传递,也在相应位置预留了排气及进水孔道,成为水压传输的载体。
7.根据权利要求1所述的颗粒物质流固耦合光弹实验装置的使用方法,其特征在于,包括如下操作步骤:
(a)首先把紫外光源(1-7)调整到最高位置,并固定好,防止跌落,将上盖玻璃板(3-1)打开到最大位置;
(b)通过加载系统将手动加载刀片(2-3)和伺服加载刀片(2-6)后撤到最大位置处,并将试验颗粒均匀的排布到试验区;
(c)启动水压供给装置(1-5)充水到即将溢出框架(1-1),然后将上盖玻璃板(3-1)慢慢盖上并用上辅助压板(3-6)和下辅助压板(3-8)压紧;
(d)调整紫外光源(1-7)以及LED光源(1-6)到合适位置,并打开光源;
(e)通过水压供给装置(1-5)加压到指定压力;
(f)电脑数据清零,设定好试验各阶段的力或位移后,试验开始,根据实际需要调动伺服加载系统(1-3)和手动加载系统(1-4)到需要力值或者位移值;
(g)在每个阶段通过高分辨率相机获取颗粒体位置图像、力链图像和紫外图像;
(h)试验结束后,关闭光源,将紫外光源(1-7)调整到最高位置并锁紧,拆卸上辅助压板(3-6)和下辅助压板(3-8),将上盖玻璃板(3-1)打开,取出颗粒,并将排气口的螺丝拧下,将水排干,以防止出现锈蚀和水垢附着。
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