CN112098241A - 颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于岩石动力学与冲击试验技术领域，公开了一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法，系统中冲击组件与导向组件滑动连接，升降组件与冲击组件连接，入射杆下端套装在套筒上端部，套筒下端部套装在透射杆上端，入射杆和透射杆的表面分别设有第一应变片和第二应变片，第一应变片和第二应变片均与数据采集处理单元连接；测算方法为：释放冲击组件对试件进行撞击,计算试件上端面峰值应力、上下端界面系数、下端面峰值应力和能耗。本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统调节灵活，有效地对颗粒物质进行撞击，使其破碎，试验效率高，测量准确，且操作简单。本发明适用于颗粒物质的能耗测量。

Description

颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法
技术领域
本发明属于岩石动力学与冲击试验技术领域，涉及一种能耗测量系统，具体地说是一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法。
背景技术
微观尺度上，基于离散元方法的基本思想，通过堆积和胶结一系列具有特定力学性质的颗粒来构建岩土体模型，空间中的每一个颗粒，都可以根据它的位置来计算与它临近颗粒的接触受力，在每一个时间步内可以计算出受力大小，然后不断地迭代，第一层颗粒挤压第二层颗粒，以此类推，随着时间步迭代，就可以观察到应力波在整体模型中的传播和能量消耗的情况，进而得到宏观岩石和土体的变形和破坏模型。
基于离散颗粒流软件PFC3D所建立的散体颗粒模型表明，脆性散体颗粒在受到冲击加载时，会对应力波传播产生显著的衰减作用。在冲击加载下，散体颗粒中传播的应力波峰值整体呈指数型衰减，随着传播距离的增大，应力波衰减程度逐渐减小，颗粒破碎程度也逐渐减小。矸石等脆性材料由大量的脆性散体颗粒组成，具有松散、多孔、易压缩等特性，应力波在此类松散脆性材料中的传播通常会呈现显著的衰减规律。
目前，散体脆性颗粒作为消波耗能材料已被广泛应用于防护领域，用作冲击、爆炸等的能量吸收。现有的散体脆性颗粒破碎的能耗测量采用的为分离式霍普金森杆，分离式霍普金森杆(Split Hopkinson Pressure Bar)是一种测量材料动态力学性质的装置，它的组成包括发射系统，试验杆系统和数据采集与处理系统，其原理是发射系统激发的应力波在试验杆中传播时兼具加载和测试的作用，依据实验杆中波传播的信息对试样两端面的应力—时间关系进行解析，从而获得试样的动态相应特征。然而，这种子弹射击加载的方式不能调节冲击的能量，而且测量应力的应力计通常埋置在沙土中来获取试件中的应力波信号，由于波阻抗的差异，应力计很难准确反应沙土中的实际应力状态，且应力计的存在，必然会对试件中波的传播造成影响。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统，实现对颗粒物质破碎时的冲击能量可调，而且测量准确，同时，操作简单；本发明的另一个目的，是要提供一种颗粒物质破碎时的能耗测算方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：
一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统，包括冲击试验装置和能耗测量装置，冲击试验装置包括冲击组件、控制冲击组件冲击方向的导向组件和控制冲击组件升降的升降组件，冲击组件与导向组件滑动连接，升降组件与冲击组件连接；能耗测量装置包括入射杆，冲击组件位于入射杆上方，释放时撞击入射杆上端，入射杆下端套装在套筒上端部，套筒下端部套装在透射杆上端，入射杆和透射杆的表面分别设有第一应变片和第二应变片，第一应变片和第二应变片均与数据采集处理单元连接。
作为限定：颗粒物质破碎时的能耗测量系统还包括主体框架，冲击试验装置和能耗测量装置设置于主体框架内部；导向组件为两个导向柱，两个导向柱分别设置在冲击组件两侧，导向柱一端均固定在主体框架底部，另一端连接有能沿导向柱上下滑动的冲击组件。
作为进一步限定：冲击组件为落锤，落锤包括落锤架和安装在落锤架内的重锤，落锤架上设置有卡槽，重锤上设置有锁紧单元，落锤架的卡槽与重锤上设的锁紧单元卡紧；升降组件包括驱动单元和连接绳，驱动单元与连接绳传动连接，连接绳与落锤架上端的吊环连接。
作为另一种限定：能耗测量装置还包括设置在套筒上端内部的第一垫块和套筒下端内部的第二垫块，第一垫块和第二垫块与套筒配合将颗粒物质封装在套筒内。
作为限定：能耗测量装置还包括与透射杆下端连接的吸收杆。
作为进一步限定：数据采集单元包括第一惠通斯电桥、第二惠通斯电桥、放大电路和示波器，第一应变片与第一惠通斯电桥连接，第二应变片与第二惠通斯电桥连接，第一惠通斯电桥和第二惠通斯电桥均与放大电路连接，放大电路与示波器连接。
本发明还提供了上述颗粒物质破碎时的能耗测量系统的一种测算方法，所述方法为：
S1、应力波加载：将待测颗粒物质试件置于套筒内，调节升降组件使冲击组件的冲击力能够破碎待测颗粒物质试件，调节导向组件使冲击组件的下落方向对准入射杆，释放冲击组件，使其做自由落体运动，撞击入射杆，形成一个压力脉冲在入射杆、测颗粒物质试件和透射杆中传播，在入射杆中形成入射波和反射波，在透射杆中形成透射波，由数据采集处理单元采集第一应变片和第二应变片的信息，并记录入射波、反射波和透射波的信息；
S2、待测颗粒物质试件上端面峰值应力计算：根据入射波、反射波得到入射波峰值应力和反射波峰值应力，计算得到待测颗粒物质试件上端面峰值应力；
S3、界面系数的获取：利用入射波和反射波，拟合得到由待测颗粒物质试件所受应力表达的待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表达式；并根据反射系数与试件下端面处的透射系数的相互关系，得到待测颗粒物质试件下端面处的透射系数表达式；
S4、试件下端峰值应力计算：由透射波得到透射波峰值应力，根据透射波峰值应力和待测颗粒物质试件下端面处的透射系数，计算得到待测颗粒物质试件下端面峰值应力；
S5、压缩过程的耗能计算：待测颗粒物质试件下端面峰值应力和待测颗粒物质试件上端面峰值应力差值，即为待测颗粒物质试件在压缩过程中的能量消耗。
作为限定：步骤S2中待测颗粒物质试件上端面峰值应力的计算公式为：σSI-peak＝σBI-peak+σBR-peak
式中，σSI-peak为待测颗粒物质试件上端面处的峰值应力，σBI-peak为入射波峰值应力，σBR-peak为反射波峰值应力。
作为进一步限定：步骤S3中待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表示为待测颗粒物质试件上端部所受轴向应力σ1的函数F1(σ1)，σ1的值等于待测颗粒物质试件上端面入射波应力，即
σ1＝σSI
式中，σSI为待测颗粒物质试件上端面入射波应力；
σSI＝σBI+σBR
式中，σBR为反射波应力，σBI为入射波应力；
待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表达式为：
F1(σ1)＝σBR/σBI
式中，F1(σ1)为待测颗粒物质试件上端面处的反射系数；
待测颗粒物质试件下端面处的透射系数表示为待测颗粒物质试件下端部所受轴向应力σ2的函数T2(σ2)，σ2的值等于待测颗粒物质试件下端面透射波应力，即
σ2＝σBT
式中，σBT为待测颗粒物质试件下端面透射波应力；
待测颗粒物质试件下端面处的透射系数与待测颗粒物质试件上端面处的反射系数F1(σ1)的关系为：
F1(σ1)+T2(σ2)＝1
式中，T2(σ2)为待测颗粒物质试件下端面处的透射系数。
作为再进一步限定：步骤S4中待测颗粒物质试件下端面峰值应力的计算公式为：
Figure BDA0002681191960000041
式中，σST-peak为待测颗粒物质试件下端面处的峰值应力，σBT-peak为透射波峰值应力，T2(σBT-peak)为透射波峰值应力σBT-peak对应的透射系数
本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：
(1)本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，包括冲击试验装置和能耗测量装置，冲击试验装置包括冲击组件、导向组件和升降组件，通过调节冲击组件的重量和用过升降组件调节冲击组件的高度，来控制冲击组件的冲击力，进而有效地对颗粒物质进行撞击，使其破碎，调节灵活，操作简单，同时，大大提高了试验效率；
(2)本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统中的反射杆和透射杆上设有应变片，通过采集颗粒物质破碎时应变片的应力信息，通过计算即可得到能耗，操作简单，测量准确；
(3)本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统中设有第一垫块和第二垫快，第一垫块和第二垫块与套筒配合将颗粒物质封装在套筒内，待测颗粒物质试件所处高度可通过第一垫块和第二垫块在套筒中的位置进行调节，无需更换新的套筒，操作简单，节约成本；
(4)本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统中设有吸收杆，经过透射杆的能量由吸收杆捕获吸收，延长了测量系统的使用寿命；
(5)本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统的数据采集单元，采用惠通斯电桥测量应变片的电阻变化，再根据示波器记录的信息，计算颗粒物质破碎时的能耗，操作简单；
综上所述，本发明提供的颗粒物质破碎时的能耗测量系统调节灵活，有效地对颗粒物质进行撞击，使其破碎，试验效率高，测量准确，且操作简单。
本发明的颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法适用于颗粒物质的能耗测算。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1为本发明实施例的测算方法流程图；
图2为本发明实施例的颗粒物质破碎时的能耗测量系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的落锤的结构示意图；
图4为本发明实施例入射波、反射波和透射波的波形图；
图中：1、主体框架；2、导向柱；3、落锤架；4、重锤；5、冲击头；6、吊环；7、入射杆；8、透射杆；9、吸收杆；10、第一应变片；11、第二应变片；12、套筒；13、矸石试件；14、第一惠通斯电桥；15、第二惠通斯电桥；16、放大电路；17、示波器；18、驱动单元；19、落锤；20、导向孔；21、第一垫块；22、第二垫块。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。
实施例颗粒物质破碎时的能耗测量系统及测算方法
一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其结构图如图2所示，包括冲击试验装置、能耗测量装置和主体框架1，冲击试验装置和能耗测量装置设置于主体框架1内部；冲击试验装置包括冲击组件、控制冲击组件冲击方向的导向组件和控制冲击组件升降的升降组件，冲击组件为落锤19，落锤19包括落锤架3和安装在落锤架3内的重锤4，落锤架3上设置有卡槽，落锤架3两侧设有导向孔20，重锤4下端设有冲击头5，重锤4上设置有锁紧单元，落锤架3的卡槽与重锤4上设的锁紧单元卡紧；导向组件为两个直径均小于导向孔20直径的导向柱2，两个导向柱2分别设置在落锤架3两侧，导向柱2一端均固定在主体框架1底部，另一端与落锤架3两侧的导向孔20滑动连接；升降组件包括驱动单元18和连接绳，驱动单元18与连接绳传动连接，连接绳与落锤架3上端的吊环6连接；能耗测量装置包括入射杆7，落锤19位于入射杆7上方，释放时撞击入射杆7上端，入射杆7下端套装在套筒12上端部，套筒12下端部套装在透射杆8上端，透射杆8下端连接有吸收杆9，套筒12上端内部设有第一垫块21，套筒12下端内部设有第二垫块22，第一垫块21和第二垫块22与套筒12配合将颗粒物质试件封装在套筒12内，入射杆7和透射杆8的表面分别设有第一应变片10和第二应变片11，第一应变片10与第一惠通斯电桥14连接，第二应变片11与第二惠通斯电桥15连接，第一惠通斯电桥14和第二惠通斯电桥15均与放大电路16连接，放大电路16与示波器17连接。
本实施例冲击头5、入射杆7、透射杆8、吸收杆9、第一垫块21和第二垫块22所采用的的材料相同，直径大小相同，且同轴固定，套筒12采用钢材料，弹性模量200GPa，厚度为60mm。
本实施例中待测颗粒物质试件为材料均匀和各轴向界面的应力均匀的矸石试件13，矸石试件13长度L为150mm，以保证在试验有效测量时间t≤0.129ms内，应力波在矸石试件13内无反射叠加，试件中应力波的波速为C≤2320.38m/s，矸石试件13长度满足t＜2L/C，即应力波在矸石试件13中传播一个来回的时间大于试验有效量测时间。
测算方法包括如下步骤：
S1、应力波加载：将矸石试件13置于套筒12内，第一垫片21和第二垫片22配合套筒12将矸石试件封装在套筒12内，调节升降组件使冲击组件的冲击力能够破碎矸石试件13，调节导向组件使冲击组件的下落方向对准入射杆7，释放冲击组件，使其做自由落体运动，撞击入射杆7，在入射杆7中形成一个压力脉冲，即入射波，压力脉冲在入射杆7中向下传播，当传至入射杆7与矸石试件13的界面时，部分入射波形成反射波重新返回入射杆7，另一部分则透过矸石试件13作为透射波进入透射杆8，第一惠通斯电桥14和第二惠通斯电桥15分别采集第一应变片10和第二应变片11的信息，并经过放大电路16，由示波器17记录入射波、反射波和透射波的信息，并上传至上位机进行下述步骤的计算，示波器17设置采样频率为2MHz，采样点数为10000，入射波、反射波和透射波的波形图如图4所示；
S2、矸石试件13上端面峰值应力计算：根据入射波、反射波得到入射波峰值应力和反射波峰值应力，计算得到矸石试件13上端面峰值应力；
矸石试件13上端面峰值应力的计算公式为：
σSI-peak＝σBI-peak+σBR-peak
式中，σSI-peak为矸石试件13上端面处的峰值应力，σBI-peak为入射波峰值应力，σBR-peak为反射波峰值应力；
本实施例中σBI-peak＝20MPa，σBR-peak＝9MPa，因此，σSI-peak＝29MPa。
S3、界面系数的获取：利用入射波和反射波，拟合得到由矸石试件13所受应力表达的矸石试件13上端面处的反射系数表达式；并根据反射系数与试件下端面处的透射系数的相互关系，得到矸石试件13下端面处的透射系数表达式；
矸石试件13上端面处的反射系数表示为矸石试件13上端部所受轴向应力σ1的函数F1(σ1)，σ1的值等于矸石试件13上端面入射波应力，即
σ1＝σSI
式中，σSI为矸石试件13上端面入射波应力；
σSI＝σBI+σBR
式中，σBR为反射波应力，σBI为入射波应力；
矸石试件13上端面处的反射系数表达式为：
F1(σ1)＝σBR/σBI
式中，F1(σ1)为矸石试件13上端面处的反射系数；
矸石试件13下端面处的透射系数表示为矸石试件13下端部所受轴向应力σ2的函数T2(σ2)，σ2的值等于矸石试件13下端面透射波应力，即
σ2＝σBT
式中，σBT为矸石试件13下端面透射波应力；
矸石试件13下端面处的透射系数与矸石试件13上端面处的反射系数F1(σ1)的关系为：
F1(σ1)+T2(σ2)＝1
式中，T2(σ2)为矸石试件13下端面处的透射系数；
S4、试件下端峰值应力计算：由透射波得到透射波峰值应力，根据透射波峰值应力和矸石试件13下端面处的透射系数，计算得到矸石试件13下端面峰值应力；
矸石试件13下端面峰值应力的计算公式为：
Figure BDA0002681191960000081
式中，σST-peak为矸石试件13下端面处的峰值应力，σBT-peak为透射波峰值应力，T2(σBT-peak)为透射波峰值应力σBT-peak对应的透射系数；
本实施例中σBT-peak＝7MPa，T2(σBT-peak)＝0.5，因此，σST-peak＝14MPa。
S5、压缩过程的耗能计算：矸石试件13下端面峰值应力和矸石试件13上端面峰值应力差值，即为矸石试件13在压缩过程中的能量消耗；
本实施例中σSI-peak-σST-peak＝15MPa，即矸石试件13在压缩过程中的能量消耗为15MPa。

Claims (10)

1.一种颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，包括冲击试验装置和能耗测量装置，冲击试验装置包括冲击组件、控制冲击组件冲击方向的导向组件和控制冲击组件升降的升降组件，冲击组件与导向组件滑动连接，升降组件与冲击组件连接；能耗测量装置包括入射杆，冲击组件位于入射杆上方，释放时撞击入射杆上端，入射杆下端套装在套筒上端部，套筒下端部套装在透射杆上端，入射杆和透射杆的表面分别设有第一应变片和第二应变片，第一应变片和第二应变片均与数据采集处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，它还包括主体框架，冲击试验装置和能耗测量装置设置于主体框架内部；导向组件为两个导向柱，两个导向柱分别设置在冲击组件两侧，导向柱一端均固定在主体框架底部，另一端连接有能沿导向柱上下滑动的冲击组件。
3.根据权利要求1或2所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，冲击组件为落锤，落锤包括落锤架和安装在落锤架内的重锤，落锤架上设置有卡槽，重锤上设置有锁紧单元，落锤架的卡槽与重锤上设的锁紧单元卡紧；升降组件包括驱动单元和连接绳，驱动单元与连接绳传动连接，连接绳与落锤架上端的吊环连接。
4.根据权利要求3所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，能耗测量装置还包括设置在套筒上端内部的第一垫块和套筒下端内部的第二垫块，第一垫块和第二垫块与套筒配合将颗粒物质封装在套筒内。
5.根据权利要求1、2、4中任意一项所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，能耗测量装置还包括与透射杆下端连接的吸收杆。
6.根据权利要求5所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统，其特征在于，数据采集单元包括第一惠通斯电桥、第二惠通斯电桥、放大电路和示波器，第一应变片与第一惠通斯电桥连接，第二应变片与第二惠通斯电桥连接，第一惠通斯电桥和第二惠通斯电桥均与放大电路连接，放大电路与示波器连接。
7.基于权利要求1-6中任意一项所述的颗粒物质破碎时的能耗测量系统的一种测算方法，其特征在于，所述方法为包括如下步骤：
S1、应力波加载：将待测颗粒物质试件置于套筒内，调节升降组件使冲击组件的冲击力能够破碎待测颗粒物质试件，调节导向组件使冲击组件的下落方向对准入射杆，释放冲击组件，使其做自由落体运动，撞击入射杆，形成一个压力脉冲在入射杆、测颗粒物质试件和透射杆中传播，在入射杆中形成入射波和反射波，在透射杆中形成透射波，由数据采集处理单元采集第一应变片和第二应变片的信息，并记录入射波、反射波和透射波的信息；
S2、待测颗粒物质试件上端面峰值应力计算：根据入射波、反射波得到入射波峰值应力和反射波峰值应力，计算得到待测颗粒物质试件上端面峰值应力；
S3、界面系数的获取：利用入射波和反射波，拟合得到由待测颗粒物质试件所受应力表达的待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表达式；并根据反射系数与试件下端面处的透射系数的相互关系，得到待测颗粒物质试件下端面处的透射系数表达式；
S4、试件下端峰值应力计算：由透射波得到透射波峰值应力，根据透射波峰值应力和待测颗粒物质试件下端面处的透射系数，计算得到待测颗粒物质试件下端面峰值应力；
S5、压缩过程的耗能计算：待测颗粒物质试件下端面峰值应力和待测颗粒物质试件上端面峰值应力差值，即为待测颗粒物质试件在压缩过程中的能量消耗。
8.根据权利要求7所述的测算方法，其特征在于，步骤S2中待测颗粒物质试件上端面峰值应力的计算公式为：σSI-peak＝σBI-peak+σBR-peak
式中，σSI-peak为待测颗粒物质试件上端面处的峰值应力，σBI-peak为入射波峰值应力，σBR-peak为反射波峰值应力。
9.根据权利要求8所述的测算方法，其特征在于，步骤S3中待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表示为待测颗粒物质试件上端部所受轴向应力σ1的函数F1(σ1)，σ1的值等于待测颗粒物质试件上端面入射波应力，即
σ1＝σSI
式中，σSI为待测颗粒物质试件上端面入射波应力；
σSI＝σBI+σBR
式中，σBR为反射波应力，σBI为入射波应力；
待测颗粒物质试件上端面处的反射系数表达式为：
F1(σ1)＝σBR/σBI
式中，F1(σ1)为待测颗粒物质试件上端面处的反射系数；
待测颗粒物质试件下端面处的透射系数表示为待测颗粒物质试件下端部所受轴向应力σ2的函数T2(σ2)，σ2的值等于待测颗粒物质试件下端面透射波应力，即
σ2＝σBT
式中，σBT为待测颗粒物质试件下端面透射波应力；
待测颗粒物质试件下端面处的透射系数与待测颗粒物质试件上端面处的反射系数F1(σ1)的关系为：
F1(σ1)+T2(σ2)＝1
式中，T2(σ2)为待测颗粒物质试件下端面处的透射系数。
10.根据权利要求9所述的测算方法，其特征在于，步骤S4中待测颗粒物质试件下端面峰值应力的计算公式为：
Figure FDA0002681191950000031
式中，σST-peak为待测颗粒物质试件下端面处的峰值应力，σBT-peak为透射波峰值应力，T2(σBT-peak)为透射波峰值应力σBT-peak对应的透射系数。
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