CN112378790A - 高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石力学试验设备技术领域，具体涉及一种高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，旨在解决现有技术中动态加载岩石力学试验装置无法进行高应变率循环动态加载的问题，本申请的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统通过金属丝电爆炸驱动含能棒产生峰值压力、持续时间、波形可控的强冲击波，结合高刚度反力加载框架、高刚度作动器，通过冲击波多次激发，实现高应变率循环动态加载；通过三轴自平衡压力室、高频响伺服控制器实现恒定围压控制；采用激光测量技术实现应变的非接触式精密测量、光纤位移干涉位移测量、高频动态压阻式压力传感器采集动态加载压力数据，实现试验过程中高速高分辨率物理量测量。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学试验设备技术领域，具体涉及一种高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统。
背景技术
爆炸、冲击波是地质体工程中常见的动荷载形式，这种动荷载对岩体近区动载作用频率为千赫兹量级，对中远区的动载作用频率为几十至百赫兹量级，岩体所承受的应变率范围10-2～104/s。目前高应变率动态加载岩石力学试验装置有气液联动岩石力学试验机、霍普金森压杆、轻气炮等，这些试验装置存在二个主要问题：一是依赖于气液联动或者高频响液压传动装置实现动态加载的试验装置，有效应变率范围有限，难以满足101～104/s应变率范围动态加载；二是依赖于气动或者电磁加载实现高应变率动态加载，但不能实现可控动荷载形循环加载。这两个问题导致了现有的动态加载岩石力学试验装置无法进行高应变率循环动态加载。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中动态加载岩石力学试验装置无法进行高应变率循环动态加载的问题，本申请提供一种高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，包括主机加载模块、动态循环加载模块和动态测量模块；
所述主机加载模块包括加载框架以及装设于所述加载框架内部的三轴压力机构和作动器，所述作动器装设于所述三轴压力机构下方，所述三轴压力机构用于对放置于其内部的岩石试样施加轴压和围压，所述加载框架能够配合所述作动器构成反力框架，以对所述三轴压力机构施加轴向压力；
所述动态循环加载模块包括驱动机构、固定机构和移动机构，所述驱动机构与所述固定机构固定装设于所述作动器下方，所述移动机构可移动地设置于所述作动器下方。所述移动机构内部装设有若干个依次排列的冲击波激发装置，所述冲击波激发装置内部装设有含能棒，所述移动机构能够在所述驱动机构的驱动下相对于所述固定机构往复运动；
在工作状态下，所述驱动机构驱动所述移动机构相对于所述固定机构往复运动，以使得各所述冲击波激发装置的第一作用部依次与所述固定机构的第二作用部接触并激发所述含能棒产生可控冲击波，所述可控冲击波施力于所述作动器使其对所述岩石试样沿竖直方向进行高应变率压缩运动，以实现对岩石试样的高应变率循环动态加载；
所述动态测量模块用于获取试验过程中岩石试样的轴向压力数据、径向变形数据和轴向变形数据。
在一些优选技术方案中，所述作动器外部套设有油缸，所述油缸用于在动态循环加载模块工作前，驱动所述作动器沿竖直方向向上运动，以带动所述三轴压力机构的活塞与所述加载框架紧密配合，为所述三轴压力机构提供预紧力。
在一些优选技术方案中，所述加载框架包括门型框架，所述加载框架的上横梁在靠近所述三轴压力机构的位置设置有与所述三轴压力机构同轴的上负荷压力传感器。
在一些优选技术方案中，所述主机加载模块包括液压油源和伺服控制器；所述液压油源与所述三轴压力机构连接，所述伺服控制器与所述液压油源通信连接；所述液压油源内用于存储液压油，所述伺服控制器通过控制所述液压油源能够将液压油输入至所述三轴压力机构内为岩石试样提供围压；并在试验后向所述三轴压力机构内加压以使液压油回到所述液压油源。
在一些优选技术方案中，所述三轴压力机构包括活塞，所述活塞具有延伸于所述三轴压力机构外部的延伸端，所述三轴压力机构内部还设置有压垫和压头，所述活塞、所述压头和所述压垫沿竖直方向依次设置于岩石试样正上方，所述压头在背离所述压垫的端面为球凸面。
在一些优选技术方案中，所述主机加载模块还包括相互匹配的滑块和滑轨，所述滑轨设置于所述作动器上方，所述滑块用于承载所述三轴压力机构，所述滑块能够带动所述三轴压力机构沿所述滑轨延伸方向移动至所述作动器正上方。
在一些优选技术方案中，所述驱动机构包括驱动电机和第一齿轮，所述第一齿轮与所述驱动电机的输出轴连接，并能够在所述驱动电机的驱动下绕自身轴线旋转；
所述移动机构包括承载结构，所述承载结构用于承载若干个依次排列的所述冲击波激发装置，所述承载结构具有与所述第一齿轮啮合的啮合部，所述冲击波激发装置具有延伸于所述承载结构外部的第一作用部；
所述固定机构内部设置有与第一作用槽和第二作用槽，所述第一作用槽竖直设置于所述固定机构中部，所述第二作用槽设置于所述第一作用槽下方且与所述移动机构外形匹配，所述第一作用槽与所述第二作用槽贯通设置，所述作动器竖直活动设置于所述第一作用槽，所述移动机构活动设置于所述第二作用槽，所述第二作用槽内壁设置有电刷；在工作状态下，所述驱动机构驱动所述第一齿轮绕自身轴线转动，进而带动所述承载结构相对于所述固定机构运动，以使得各所述第一作用部依次与所述电刷滑动接触。
在一些优选技术方案中，所述承载结构为圆弧形结构，所述第二作用槽为圆弧形作用槽，所述电刷沿所述第二作用槽内壁贴合设置，所述承载机构和所述第二作用槽同心设置；所述驱动机构能够驱动所述承载结构绕其自身圆心转动，以使各所述冲击波激发装置的第一作用部依次与弧形电刷滑动接触。
在一些优选技术方案中，所述冲击波激发装置包括外壳，所述外壳内部设置有高压直流电源、储能器、控制器、能量转换器和含能棒，所述高压直流电源、所述储能器、所述控制器、所述能量转换器之间依次通过通信链路连接，所述储能器用于储存所述高压直流电源供给的能量，所述控制器通过控制所述储能器内部的电脉冲压缩并使得功率放大，进而所述能量转换器产生高压电脉冲，驱动所述含能棒内的金属丝电爆炸，激发所述含能棒内的含能材料释能，产生峰值压力可控、波形可控和持续时间可控的冲击波。
在一些优选技术方案中，所述含能棒包括金属丝，所述金属丝外覆有含能材料层，所述冲击波激发装置用于驱动所述金属丝电爆炸，进而激发所述含能材料层内含能材料的化学键断裂，释放化学能，以产生可控冲击波。
在一些优选技术方案中，所述动态测量模块装设于所述三轴压力机构内部，包括激光变形传感器、光纤干涉位移传感器、压阻式压力传感器。
本发明的有益效果：
本申请的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统通过金属丝电爆炸驱动含能棒产生峰值压力、持续时间、波形可控的强冲击波，结合高刚度反力加载框架、高刚度作动器，通过冲击波多次激发，实现高应变率循环动态加载；通过三轴自平衡压力室、高频响伺服控制器实现恒定围压控制；采用激光测量技术实现应变的非接触式精密测量、光纤位移干涉位移测量、高频动态压阻式压力传感器采集动态加载压力数据，实现试验过程中高速高分辨率物理量测量。
本发明的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统能够实现岩石力学试验装置进行高应变率循环动态加载，其能够满足 101～104/s应变率范围动态加载，能够最大化地开展高应变率范围试验的设计、演示、力学特性研究等问题，对实验者掌握高应变率循环动荷载岩石力学特性相关知识具有重要意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一种实施例的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统的整体结构示意图；
图2为本发明一种实施例中主机加载模块的结构示意图；
图3为图2中A-A的剖视图；
图4为本发明一种实施例中主机加载模块的侧视图；
图5为图4中B-B的剖视图；
图6为本发明一种实施例中高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统的正视图；
图7为本发明一种实施例中动态循环加载模块的结构示意图；
图8为本发明一种实施例中动态循环加载模块的俯视图；
图9为本发明一种实施例中承载结构示意图；
图10为本发明一种实施例中冲击波激发装置结构示意图
附图标记列表：
1-加载框架；2-上负荷压力传感器；3-三轴压力机构；4-活塞； 5-滑车；6-滑轨；7-预紧力油缸；8-作动器；9-下负荷压力传感器；10-岩石试样；11-压垫；12-压头；13-动态循环加载模块；14-含能棒；15-含能棒盒；16-电刷；17-第一齿轮；18-驱动电机；19-冲击波激发装置；20-冲击波激发装置外壳；21-接线端子；22-高压直流电源；23-储能器；24-控制器；25-能量转换器；26-位移传感器；27-变形传感器；28-储能机箱； 29-液压油源；30-计算机；31-伺服控制器；32-储能机箱控制器，33-提升机构。
具体实施方式
为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
本发明的一种高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，包括主机加载模块、动态循环加载模块和动态测量模块；
所述主机加载模块包括加载框架以及装设于所述加载框架内部的三轴压力机构和作动器，所述作动器装设于所述三轴压力机构下方，所述三轴压力机构用于对放置于其内部的岩石试样施加轴压和围压，所述加载框架能够配合所述作动器对所述三轴压力机构施加轴向压力；
所述动态循环加载模块包括驱动机构、固定机构和移动机构，所述驱动机构与所述固定机构固定装设于所述作动器下方，所述移动机构内部装设有若干个依次排列的冲击波激发装置，所述冲击波激发装置内部装设有含能棒，所述移动机构能够在所述驱动机构的驱动下相对于所述固定机构往复运动；
在工作状态下，所述驱动机构驱动所述移动机构相对于所述固定机构往复运动，以使得各所述冲击波激发装置的第一作用部依次与所述固定机构的第二作用部接触并激发所述含能棒产生可控冲击波，所述可控冲击波施力于所述作动器使其对所述岩石试样沿竖直方向进行高应变率压缩运动，以实现对岩石试样的高应变率循环动态加载；
所述动态测量模块用于获取试验过程中岩石试样的轴向压力数据、径向变形数据和轴向变形数据。
为了更清晰地对本发明高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。
作为本发明的一个优选实施例，本发明的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统如图1所示，包括主机加载模块、动态循环加载模块和动态测量模块；
其中，主机加载模块包括加载框架1以及装设于加载框架 1内部的三轴压力机构3和作动器8，作动器8装设于三轴压力机构3 下方，三轴压力机构3用于对放置于其内部的岩石试样10施加轴压和围压，作动器8能够沿竖直方向往复运动，用于使加载框架1的上横梁对三轴压力机构的活塞4施加轴向压力；
具体而言，加载框架1可以为门型框架或口字型框架，优选地，加载框架为刚性结构，且包括上横梁，上横梁在靠近三轴压力机构3的位置装设有上负荷压力传感器2，该上负荷压力传感器2与三轴压力机构同轴设置，即与活塞4同轴设置，即活塞4能够与上负荷压力传感器2紧密接触，以使得上负荷压力传感器能够对活塞4受到的轴向压力进行测量。进一步地，加载框架1顶部还设置有提升机构33，提升机构33能够带动三轴压力机构3上下运动，实验之前，通过提升机构 33带动三轴压力机构下降落到工作台，提升机构33在实验完成后，取出岩石试样时，通过提升机构33与三轴压力机构3连接向上提升三轴压力机构3以取出岩石试样10。
需要说明的是，本申请的三轴压力机构3即为三轴压力室，具体本领域技术人员可参照公知技术选择。本申请的三轴压力机构 3包括活塞4，活塞4具有延伸于三轴压力机构3外部的延伸端，三轴压力机构3内部还设置有压垫11和压头12，活塞4、压头12和压垫11 沿竖直方向依次设置于岩石试样10正上方，压头12在背离压垫11的端面为球凸面，即压头与活塞4的接触面为球凸面，其用于调整岩石试样10的平行度误差。
具体而言，在本申请的实施例中，岩石试样10下方为作动器8，作动器8与岩石试样之间还设置有下负荷压力传感器9，岩石试样上方设置有压垫11和压头12，活塞4的下端部与压头12的球凸面紧密贴合，活塞4的上端部延伸于三轴压力机构3的外部，且活塞4能够在作动器4的作用下与上负荷压力传感器2抵触，加载框架1能够配合作动器4构成反力框架，以使得刚性加载框架对活塞4施加轴向压力，进而对岩石试样10提供轴向压力。
在一些优选实施例中，作动器8外部套设有预紧力油缸 7，预紧力油缸7用于在动态循环加载模块13工作前，驱动作动器8沿竖直方向向上运动，以带动三轴压力机构的活塞4与加载框架1紧密配合，为三轴压力机构3提供预紧力。本申请的作动器8为高刚度作动器。
更进一步地，本申请主机加载模块还包括液压油源29和伺服控制器31；液压油源29与三轴压力机构3连接，伺服控制器31与液压油源29通信连接；液压油源29内用于存储液压油，伺服控制器31 通过控制液压油源29能够将液压油输入至三轴压力机构3内为岩石试样10提供围压；并在试验后向三轴压力机构3内加压以使液压油回到液压油源。在一些实施例中，还包括油泵和空压机，液压油源29通过油泵连接三轴压力机构3，且空压机也连接三轴压力机构3；其中液压油源29内用于存储液压油，以通过油泵的活塞的作用将液压油输入到三轴压力机构3内以提供围压；并在试验完毕后通过空压机向三轴压力机构3内加压以使液压油回到液压油源29。具体施加围压的时间与压力值以及其他参数通过与伺服控制器通信连接的计算机30控制，本领域技术人员可采用现有技术进行，在此不再赘述。
在本申请的另一些优选实施例中，主机加载模块还包括相互匹配的滑块和滑轨，参阅附图1，将滑块结构设计为滑车5，其能够沿滑轨6的延伸方向移动。具体而言，滑轨6设置于作动器8的上方，滑车5用于承载三轴压力机构3，实验时，实验者将三轴压力机构3内部的岩石试样10进行固定，而后通过滑车5带动三轴压力机构3沿滑轨6延伸方向移动至作动器8正上方。以使得作动器8与岩石试样10 同轴线设置。
参阅附图7-10，动态循环加载模块13包括驱动机构、固定机构和移动机构，驱动机构与固定机构固定装设于作动器8的下方，移动机构内部装设有若干个依次排列的冲击波激发装置19，冲击波激发装置19内部装设有含能棒14，移动机构能够在驱动机构的驱动下相对于固定机构做往复运动；在移动机构相对于固定机构做往复运动实现自动填充含能棒14。
在工作状态下，驱动机构驱动移动机构相对于固定机构往复运动，以使得各冲击波激发装置19的第一作用部依次与固定机构的第二作用部接触并激发含能棒14发出可控冲击波，可控冲击波施力于作动器8，以使得其对岩石试样10沿竖直方向进行高应变率压缩运动，以实现对岩石试样10的高应变率循环动态加载。该冲击波为峰值压力、持续时间、波形可控的强冲击波，结合高刚度反力框架、高刚度作动器，通过冲击波多次激发，实现高应变率循环动态加载。
具体而言，驱动机构包括驱动电机18和第一齿轮17，第一齿轮17与驱动电机18的输出轴连接，并能够在驱动电机18的驱动下绕自身轴线旋转；
移动机构包括承载结构，该承载机构即为如图所示的含能棒盒15，含能棒盒15用于承载若干个依次排列的冲击波激发装置19，含能棒盒15具有与第一齿轮17啮合的啮合部，冲击波激发装置19具有延伸于含能棒盒15外部的第一作用部；在本申请的优选实施例中，第一作用部为图10所示的接线端子21。
固定机构内部设置有与第一作用槽和第二作用槽，第一作用槽竖直设置于固定机构中部，第二作用槽设置于第一作用槽下方且与移动机构外形匹配，第一作用槽与第二作用槽贯通设置，作动器8竖直活动设置于第一作用槽，移动机构活动设置于第二作用槽，第二作用槽内壁设置有电刷16，在本申请的优选实施例中，第二作用部即为电刷 16。
在工作状态下，驱动机构驱动第一齿轮17绕自身轴线转动，进而带动含能棒盒15相对于固定机构运动，以使得各冲击波激发装置19的接线端子21依次与电刷16滑动接触。
在本申请的优选实施例中，承载结构为圆弧形结构，即含能棒盒15为圆弧形结构，则第二作用槽为圆弧形作用槽，电刷16沿第二作用槽内壁贴合设置，即电刷16呈弧形设置，含能棒盒15和第二作用槽同心设置。
冲击波激发装置19包括外壳20，外壳20内部设置有高压直流电源22、若干个储能器23、控制器24、能量转换器25和含能棒14。高压直流电源22、若干个储能器23、控制器24、能量转换器25之间通过通信链路连接，其中，若干个储能器23串联连接，高压直流电源22与接线端子21通信连接；直流高压经扼流圈给储能器23充电；储能器23储存高压直流电源22供给的能量，借助控制器24开关的快速切换，实现电脉冲压缩、功率放大，控制器24用于将储能器23中存储的电能传递至能量转换器25；能量转换器25产生高压电脉冲激发含能棒14，驱动含能棒14内的属丝电爆炸，使得含能材料化学键断裂并释放化学能，以产生峰值压力、持续时间、波形可控的强冲击波。
含能棒14包括金属丝，该金属丝外覆有含能材料层，冲击波激发装置19用于驱动金属丝电爆炸，进而激发含能材料层内含能材料的化学键断裂，释放化学能，以产生可控冲击波。具体地，含能棒14 的一种优选实施例为包括外壳、金属丝、内管，外壳和内管均为两端封闭的中空直管；外壳与内管同轴套装，金属丝沿外壳与内管的轴线设置，其两端伸出外壳并固定安装；内管内装填粉状含能材料，内管和外壳之间装填液体含能材料。优选的，所述外壳包括直管和插装在直管两端的端盖，直管为金属材料的管状结构；端盖为非金属材料，端盖在其中心朝直管方向设有固定柱；所述内管为玻璃材质，内管两端设有内管端头，内管端头与所述固定柱接触；端盖和内管端头沿其轴线设有通孔。优选的，金属丝的直径为300-500μm，材质为钨或钽。粉状含能材料包括质量分数为20-30％的铝粉、65-75％的高氯酸铵或高氯酸钾、3- 5％的石蜡，粉状含能材料的填装密度为1.0～1.2g/cm3。所述液体含能材料包括质量分数为95％的硝基甲烷和5％的乙二胺。优选的，所述直管外表面沿其轴向设有多排槽体集合体，每排槽体集合体包括沿直管周向设置的多个矩形槽。
本申请利用金属丝电爆炸产生的等离子体、冲击波以及强电磁辐射等效应驱动含能材料释能的技术。含能材料具有在隔绝空气条件下发生化学反应并瞬间输出巨大功率的独特性质，其反应由多种因素引发，可归纳为热和冲击波两种机制。热和冲击波在含能材料内部局部升温形成“热点”并引发化学反应，进而导致含能材料整体迅速释能，借助于含能材料的化学能可以数十倍地增加冲击波能量。在驱动过程中，通过金属丝与含能材料的参数优化，可安全、可控、重复地产生参数可调的冲击波以适应不同岩石实验的需求。相对于传统化学爆炸，本申请能够实现高应变率动态循环加载实验。
本申请动态循环加载模块13是从一侧开始，驱动电机18 驱动第一齿轮17带动含能棒盒15移动至下一个接线端子21与电刷16 接触，激发含能棒14以产生可控冲击波，含能棒14数量不做限定，本申请的优选实施例中为12支，含能棒盒15内部所有含能棒14全部激发完再填充含能棒14，填充方式可由实验人员自行设置。优选地，本申请的承载结构也可以为直线结构，即齿轮齿条的传动方式进行传动使得各含能棒在驱动电机18的驱动下内含能材料依次释能，产生峰值压力、波形、持续时间可控冲击波。
动态测量模块装设于三轴压力机构3的内部，其用于获取试验过程中岩石试样10的轴向压力数据、径向变形数据和轴向变形数据，通过激光测量技术实现应变的非接触式精密测量，其包括光纤位移干涉位移测量、高频动态压阻式压力传感器采集动态加载压力数据，实现试验过程中高速高分辨率物理量测量。
优选地，动态测量模块包括激变形传感器、光纤干涉位移传感器、压阻式压力传感器。在本申请的优选实施例中，包括设置图岩石试样10周侧的位移传感器26、变形传感器27、上负荷压力传感器2 和下负荷压力传感器9，本申请对其安装位置不做限定，只要能够保证其对岩石试样10进行测量即可，更优选地，本申请的动态测量模块还可以包括图像监测装置以获取岩石试样破裂样貌，动态测量模块内部各元件通过数据导线将检测到的数据信号传输至全数字动态闭环伺服控制器31或传输至计算机30。
本申请的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统的实验过程如下：
步骤S100，打开计算机，打开伺服控制器、储能机箱控制器，联结计算机与伺服控制器、储能机箱控制器通讯；
步骤S200，打开高压电源，按次序在储能棒盒中安装一定装药量的含能棒；
步骤S300，岩石试样10安装激光变形传感器27，安装光纤位移传感器26，放置在样品台上，连接数据线；
步骤S400，岩石试样10上放置压垫11和压头12，提升机构33下放三轴压力室，三轴压力机构3，以将三轴压力机构3放置于滑车5，滑车5推送装好岩石试样10的三轴压力机构3至加载框架1的中央；
步骤S500，在计算机上设置好高速高分辨率测量各个传感器采样参数；
步骤S600，打开液压油源29给预紧力油缸7充注耐磨液压油，使得高刚度作动器8向上作动，至三轴压力机构活塞4与上负荷压力传感器5紧密接触；
步骤S700，打开液压油源29给三轴压力机构3充注耐磨液压油至设定围压；
步骤S800，启动动态循环加载模块13，冲击波激发装置19 激发含能棒14，产生可控冲击波，高刚度作动器8向上位移，冲击荷载加载于岩石试样10，依次控制驱动电机18至下一个冲击波激发装置19 的接线端子21与电刷16解除激发设定的含能棒，依次进行高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验；
步骤S900，完成试验后，在计算机30上保存试验过程动态测量各传感器数值，将围压卸载，三轴压力机构活塞4向下位移，推出滑车5，卸下岩石试样10，完成试验。
上述本申请实施例中的技术方案中，至少具有如下的技术效果及优点：
本申请的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统通过金属丝电爆炸驱动含能棒产生峰值压力、持续时间、波形可控的强冲击波，结合高刚度反力加载框架、高刚度作动器，通过冲击波多次激发，实现高应变率循环动态加载；通过三轴自平衡压力室、高频响伺服控制器实现恒定围压控制；采用激光测量技术实现应变的非接触式精密测量、光纤位移干涉位移测量、高频动态压阻式压力传感器采集动态加载压力数据，实现试验过程中高速高分辨率物理量测量。
本发明的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统能够实现岩石力学试验装置进行高应变率循环动态加载，其能够满足 101～104/s应变率范围动态加载，能够最大化地开展高应变率范围试验的设计、演示、力学特性研究等问题，对实验者掌握高应变率循环动荷载岩石力学特性相关知识具有重要意义。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，包括主机加载模块、动态循环加载模块和动态测量模块；
所述主机加载模块包括加载框架以及装设于所述加载框架内部的三轴压力机构和作动器，所述作动器装设于所述三轴压力机构下方，所述三轴压力机构用于对放置于其内部的岩石试样施加轴压和围压，所述加载框架能够配合所述作动器对所述三轴压力机构施加轴向压力；
所述动态循环加载模块包括驱动机构、固定机构和移动机构，所述驱动机构与所述固定机构固定装设于所述作动器下方，所述移动机构内部装设有若干个依次排列的冲击波激发装置，所述冲击波激发装置内部装设有含能棒，所述移动机构能够在所述驱动机构的驱动下相对于所述固定机构往复运动；
在工作状态下，所述驱动机构驱动所述移动机构相对于所述固定机构往复运动，以使得各所述冲击波激发装置的第一作用部依次与所述固定机构的第二作用部接触并激发所述含能棒产生可控冲击波，所述可控冲击波施力于所述作动器以实现对岩石试样的循环动态加载；
所述动态测量模块用于获取试验过程中岩石试样的轴向压力数据、径向变形数据和轴向变形数据。
2.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述作动器外部套设有油缸，所述油缸用于在动态循环加载模块工作前，驱动所述作动器沿竖直方向向上运动，以带动所述三轴压力机构的活塞与所述加载框架紧密配合，为所述三轴压力机构提供预紧力。
3.根据权利要求2所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述加载框架包括门型框架，所述加载框架的上横梁在靠近所述三轴压力机构的位置设置有与所述三轴压力机构同轴的上负荷压力传感器。
4.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述主机加载模块包括液压油源和伺服控制器；所述液压油源与所述三轴压力机构连接，所述伺服控制器与所述液压油源通信连接；所述液压油源内用于存储液压油，所述伺服控制器通过控制所述液压油源能够将液压油输入至所述三轴压力机构内为岩石试样提供围压；并在试验后向所述三轴压力机构内加压以使液压油回到所述液压油源。
5.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述三轴压力机构包括活塞，所述活塞具有延伸于所述三轴压力机构外部的延伸端，所述三轴压力机构内部还设置有压垫和压头，所述活塞、所述压头和所述压垫沿竖直方向依次设置于岩石试样正上方，所述压头在背离所述压垫的端面为球凸面。
6.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述主机加载模块还包括相互匹配的滑块和滑轨，所述滑轨设置于所述作动器上方，所述滑块用于承载所述三轴压力机构，所述滑块能够带动所述三轴压力机构沿所述滑轨延伸方向移动至所述作动器正上方。
7.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机和第一齿轮，所述第一齿轮与所述驱动电机的输出轴连接，并能够在所述驱动电机的驱动下绕自身轴线旋转；
所述移动机构包括承载结构，所述承载结构用于承载若干个依次排列的所述冲击波激发装置，所述承载结构具有与所述第一齿轮啮合的啮合部，所述冲击波激发装置具有延伸于所述承载结构外部的第一作用部；
所述固定机构内部设置有与第一作用槽和第二作用槽，所述第一作用槽竖直设置于所述固定机构中部，所述第二作用槽设置于所述第一作用槽下方且与所述移动机构外形匹配，所述第一作用槽与所述第二作用槽贯通设置，所述作动器竖直活动设置于所述第一作用槽，所述移动机构活动设置于所述第二作用槽，所述第二作用槽内壁设置有电刷；
在工作状态下，所述驱动机构驱动所述第一齿轮绕自身轴线转动，进而带动所述承载结构相对于所述固定机构运动，以使得各所述第一作用部依次与所述电刷滑动接触。
8.根据权利要求7所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述承载结构为圆弧形结构，所述第二作用槽为圆弧形作用槽，所述电刷沿所述第二作用槽内壁贴合设置，所述承载机构和所述第二作用槽同心设置。
9.根据权利要求7所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述含能棒包括金属丝，所述金属丝外覆有含能材料层，所述冲击波激发装置用于驱动所述金属丝电爆炸，进而激发所述含能材料层内含能材料的化学键断裂，释放化学能，以产生可控冲击波。
10.根据权利要求1所述的高应变率循环动态加载三轴岩石力学试验系统，其特征在于，所述动态测量模块装设于所述三轴压力机构内部，包括激变形传感器、光纤干涉位移传感器、压阻式压力传感器。
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