CN203587429U - 一种颗粒材料力学实验可视化测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，包括有光源、起偏镜、1/4波片、可视化加载装置、检偏镜、摄像机，其中，所述起偏镜和摄像机分别设置在可视化加载装置的相对两侧，所述起偏镜与可视化加载装置之间和所述摄像机与可视化加载装置之间均设置有所1/4波片，光源发出的光线沿着起偏镜、1/4波片、可视化加载装置、1/4波片、检偏镜、摄像机依次传播，并确保光源发出的光传播到可视化加载装置内的颗粒上。本实用新型可以对颗粒材料施加多种荷载，模拟各种常见土力学试验，应用应力—光性定律，实现上述试验中颗粒接触应力、剪切带厚度和角度、力链的分布和走向等参数的可视化。

Description

一种颗粒材料力学实验可视化测试装置

技术领域

本实用新型涉及颗粒物质力学性能测试分析及可视化的技术领域，尤其是指一种颗粒材料力学实验可视化测试装置。

背景技术

岩土类颗粒物质在自然界、工程建设以及日常生活中普遍存在，其力学特性及动力响应的研究在学术界已经开展了几十年。在过往的研究中，一般都是把岩土颗粒物质假设成连续体进行分析，基于经典的弹塑性力学理论，人们发展了较多的岩土体宏观力学模型，但没有一个能全面、正确表达其应力-应变关系的本构方程。究其原因，主要是由于基于连续体的假设与岩土本身的非连续颗粒特性不符，因此基于颗粒层次的细观研究具有重要的学术价值。

在力学分析中，主要采用理论推导、模拟计算和实验测试的方法。然而在当前的颗粒力学研究中，理论分析遇到极大困难，数值模拟计算因颗粒物质计算量大，只能模拟有限颗粒数量、形状单一的颗粒系统，难于满足理论研究和工程实践的需要。因此实验测试就显得尤为重要，或者说是现阶段最适用的研究手段。

颗粒力学实验测试的方法很多，主要有高精度电子天平称重法、显色灵敏复写纸压痕法、光弹实验法、荧光共聚焦显微镜法和磁共振弹性成像法。1999年美国Duke大学的Behringer教授应用光弹性法在颗粒力学研究领域做了大量实验，发表了相应研究论文；清华大学从07年也开始进行颗粒的光弹实验研究，并且在Behringer教授研制的光弹设备的基础上增加了可以实时跟踪宏观性质上的力、位移等物理量的设备，实用新型了一种新型的光弹实验仪。但是上述两种光弹仪器主要侧重于轴向荷载作用下，颗粒介质内部在细观层次的力学性能方面的研究，为了拓展光弹实验法在颗粒力学领域的应用范围，实现颗粒内部接触应力的直观观测，因此本实用新型研制了一种颗粒材料压缩/剪切试验可视化方法及试验装置，不仅可以对颗粒材料施加轴向荷载、剪切荷载，而且可以根据两种荷载组合来模拟颗粒介质尺度效应直观观测试验、应力拱试验、刚或柔性基础下地基载荷等试验，并实现上述试验中颗粒介质内部剪切带的厚度和角度、力链的分布和走向的可视化。

现阶段国内尚无关于颗粒内部细观力学性能可视化研究的相关报道，本方法及试验装置的提出，可以为未来的相关研究手段提供有益借鉴。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，可以对颗粒材料施加多种荷载，模拟各种常见土力学试验，应用应力—光性定律，实现上述试验中颗粒接触应力、剪切带厚度和角度、力链的分布和走向等参数的可视化。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，包括有光源、用于形成平面偏振光的起偏镜、用于形成圆偏振场的1/4波片、可对其内颗粒材料施加压缩/剪切荷载的可视化加载装置、用于过滤其它方向偏振光的检偏镜以及用于采集图片的摄像机，其中，所述起偏镜和摄像机分别设置在可视化加载装置的相对两侧，所述起偏镜与可视化加载装置之间和所述摄像机与可视化加载装置之间均设置有所1/4波片，光源发出的光线沿着起偏镜、1/4波片、可视化加载装置、1/4波片、检偏镜、摄像机依次传播，并确保光源发出的光传播到可视化加载装置内的颗粒上。

所述摄像机配置有用于实时显示图像的智能终端。

所述可视化加载装置包括有可视化框架、压缩荷载施加装置、剪切荷载施加装置、测量显示器以及相互配对的可视化上颗粒材料试样盒和可视化下颗粒材料试样盒，其中，所述可视化上颗粒材料试样盒和可视化下颗粒材料试样盒分别置于可视化框架内，且所述可视化下颗粒材料试样盒滑动安装在可视化框架的内腔底部，并可由装于可视化框架上的剪切荷载施加装置对其施加剪切荷载，所述可视化上颗粒材料试样盒和可视化下颗粒材料试样盒之间通过可拆卸的销钉连接，且所述可视化上颗粒材料试样盒可由装于可视化框架上的压缩荷载施加装置对其内的颗粒材料施加压缩荷载；所述压缩荷载施加装置和剪切荷载施加装置上均装有拉压传感器和位移传感器，且所述拉压传感器和位移传感器分别与测量显示器连接。

所述可视化框架上设有用于调整颗粒材料试样盒初始位置的复位螺杆。

所述可视化上颗粒材料试样盒的顶部设有用于压着其内颗粒材料的加载盖板，压缩荷载施加装置通过其压杆顶着加载盖板，为可视化上颗粒材料试样盒内的颗粒材料施加压缩荷载；所述剪切荷载施加装置通过其剪切杆顶着可视化下颗粒材料试样盒的侧壁，为该可视化下颗粒材料试样盒施加剪切荷载。

所述可视化上颗粒材料试样盒和可视化下颗粒材料试样盒均配套有两块可视化板，所述可视化上颗粒材料试样盒和可视化下颗粒材料试样盒上分别形成有用于安装所述可视化板的卡槽，且所述可视化上颗粒材料试样盒的卡槽与可视化下颗粒材料试样盒的卡槽一一对应。

所述可视化下颗粒材料试样盒是通过其底部的滑块滑动安装在可视化框架的内腔底部。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本实用新型可以对由光弹性、光弹塑性或其他发光材料加工而成的球形、圆柱形、椭圆柱形、多边形等多种形状的毫米级颗粒（尺寸最小可以达到2mm）进行实验，颗粒透明度很高，使岩土颗粒介质特性试验直观可视。

2、本实用新型利用压缩荷载施加装置和剪切荷载施加装置进行加载，突破砝码的局限性，可以在规定的量程内施加任意大小的荷载。

3、本实用新型的可视化加载装置中安装了拉压传感器和位移传感器，可以实时准确记录荷载、位移大小变化，其中位移传感器采用光栅传感器，精度高（本实验装置位移精度为0.01mm）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠。

4、本实用新型把颗粒材料试样盒分成上、下盒，可以对颗粒材料施加剪切荷载，克服了现有仪器只能施加压缩荷载，不能施加剪切荷载的限制，使实验的加载方式更加多样化，拓展了颗粒实验的应用范围。

5、本实用新型在颗粒材料试样盒中设置多个卡槽，插入可视化板后可以形成不同间距的试样盒，一方面在进行二维平面试验时，可以衡量试样厚度尺寸的影响，另一方面，可以根据颗粒材料加工的便易性选择不同的试样厚度尺寸。

附图说明

图1为本实用新型的光路原理图。

图2为本实用新型的可视化加载装置的结构示意图。

图3为本实用新型的可视化上颗粒材料试样盒的主视图。

图4为本实用新型的可视化上颗粒材料试样盒的俯视图。

图5为本实用新型的可视化下颗粒材料试样盒的立体图。

图6为本实用新型施加剪切荷载使可视化下颗粒材料试样盒移动后的结构示意图。

图7为本实用新型的可视化加载装置模拟应力拱试验结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

参见图1所示，本实施例所述的颗粒材料力学实验可视化测试装置，包括有光源G、用于形成平面偏振光的起偏镜A，用于形成圆偏振场的1/4波片B、D，可对其内颗粒材料施加压缩/剪切荷载的可视化加载装置C、用于过滤其它方向偏振光的检偏镜E以及用于采集图片的摄像机F，其中，所述起偏镜A和摄像机F分别设置在可视化加载装置C的相对两侧，所述起偏镜A与可视化加载装置C之间和所述摄像机F与可视化加载装置C之间均设置有所1/4波片，光源发出的光线沿着起偏镜A、1/4波片B、可视化加载装置C、1/4波片D、检偏镜E、摄像机F依次传播，并确保光源G发出的光传播到可视化加载装置C内的颗粒上；此外，所述摄像机F配置有用于实时显示图像的智能终端H（如电脑）。

参见图2所示，本实施例所述的可视化加载装置C包括有整体呈方形的可视化框架1、压缩荷载施加装置2、剪切荷载施加装置3、测量显示器4以及相互配对的可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6，其中，所述可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6分别置于可视化框架1内，且所述可视化下颗粒材料试样盒6通过其底部的滑块8滑动安装在可视化框架1的内腔底部，并可由装于可视化框架1顶部上的剪切荷载施加装置3对其施加剪切荷载，所述可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6之间通过可拆卸的销钉10连接，且所述可视化上颗粒材料试样盒5可由装于可视化框架1侧壁上的压缩荷载施加装置2对其内的颗粒材料施加压缩荷载；所述压缩荷载施加装置2和剪切荷载施加装置3上均装有拉压传感器和位移传感器，且所述拉压传感器和位移传感器通过导线分别与测量显示器4连接，其中位移传感器采用光栅传感器，精度高（本测试装置位移精度为0.01mm）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠；所述可视化上颗粒材料试样盒5的顶部设有用于压着其内颗粒材料的加载盖板，压缩荷载施加装置2通过其压杆201顶着加载盖板，为可视化上颗粒材料试样盒5内的颗粒材料施加压缩荷载；所述剪切荷载施加装置3通过其剪切杆301顶着可视化下颗粒材料试样盒6的侧壁，为该可视化下颗粒材料试样盒6施加剪切荷载。此外，所述可视化框架1上还设有用于调整颗粒材料试样盒初始位置的复位螺杆7。

参见图3至图5所示，本实施例所述的可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6均配套有两块可视化板（具体为有机玻璃板），同时，所述可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6上分别形成有用于安装所述可视化板的卡槽，且所述可视化上颗粒材料试样盒5的卡槽501与可视化下颗粒材料试样盒6的卡槽601一一对应，以使可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6的空间贯通。

以下为本实施例上述颗粒材料力学实验可视化测试装置进行压缩/剪切试验的具体操作原理：工作时，首先把由可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6组合而成的颗粒材料试样盒拆下，所述可视化下颗粒材料试样盒6的两块可视化板602、603可以放入任意两个卡槽601内，形成不同尺寸的试样盒，通常卡槽间距有5mm、10mm、15mm、20mm四种选择；然后所述可视化上颗粒材料试样盒5的两块可视化板502、503分别放入与可视化下颗粒材料试样盒6的上述两个卡槽601相对应的两个卡槽501内，以使可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6的空间贯通，此外，为了减小可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6的摩擦，有时会在可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6的接触处涂少量凡士林等润滑剂；之后再用销钉10把可视化上颗粒材料试样盒5和可视化下颗粒材料试样盒6连接固定，构成一个完整的颗粒材料试样盒；之后根据所选卡槽间距从可视化上颗粒材料试样盒5的顶部放料口放入相应长度的颗粒材料（所述颗粒材料为由光弹性（如聚碳酸酯）、光弹塑性（如环氧树脂）或其他发光材料加工而成的毫米级颗粒，尺寸最小可以达到2mm，其形状可以为球形、圆柱形、椭圆柱形、多边形或不规则形状），在本实施例中所用颗粒材料为直径毫米级的光弹圆柱，用细长的镊子把大量小圆柱放入颗粒材料试样盒中，在放入的过程中，保证小圆柱的顶面和底面靠近可视化板壁面，当填满颗粒材料试样盒后，把相应尺寸的加载盖板9盖在颗粒材料顶端，之后再把上述装填完毕的颗粒材料试样盒放回可视化框架1内；之后转动复位螺杆7调整颗粒材料试样盒的初始位置，重新将颗粒材料试样盒复位，转动压缩荷载施加装置2的压杆201使压杆端头抵在加载盖板9上，转动剪切荷载施加装置3的剪切杆301使剪切杆端头抵在可视化下颗粒材料试样盒6的侧壁上；之后开启光源G和测量显示器4，使光线沿着起偏镜A、1/4波片B、可视化加载装置C、1/4波片D、检偏镜E、摄像机F传播，具体如图1所示，摄像机F所采的集图像直接在电脑上实时显示，之后拔掉销钉10，调整位置到最佳后，对测量显示器4上的力、位移数据进行归零；当上述所有工作完成后，通过转动压缩荷载施加装置2的压杆201和剪切荷载施加装置3的剪切杆301即可以对颗粒材料试样盒内的颗粒材料施加压缩（轴向）荷载和剪切荷载，具体如图6所示，在加载的过程中，可以直观的观测到颗粒材料中接触应力的大小变化、剪切带的形成过程、力链的分布和走向，测量显示器4会记录所有压缩（轴向）荷载—压缩（轴向）位移数据和剪切荷载—剪切位移数据，同时，摄像机F采集到的图像会出现明暗相间的条纹，应用应力—光性定律，毫米级颗粒中不同位置应力大小的变化可以通过条纹密度或光强直接观测，而且对摄像机采集的图像进行处理后，可以对颗粒介质内部应力分布进行标识和计量，并实现颗粒间的接触应力、颗粒介质内部剪切带的厚度和角度、力链的分布和走向的可视化，其中，在进行图像处理时，通过图像处理软件matlab编制相应程序进行处理，处理后可以将颗粒材料内部的力链标识出来，而光强的大小可以用图像像素点灰度值的大小表示，之后再根据应力—光性定律，就可以通过图像灰度值的大小反映各点应力的大小。

实施例2

参见图7所示，与实施例1不同的是本实施例在所述颗粒材料试样盒内放入两块矩形钢板11、12（矩形钢板可以选择各种不同的尺寸，两块钢板之间的距离根据钢板的尺寸进行调整），以模拟固定的桩。然后在钢板的周围填满颗粒材料，所述颗粒材料根据所选卡槽间距而定，且也从可视化上颗粒材料试样盒5的顶部放料口放入相应长度的颗粒材料，在本实施例中所用颗粒材料也为直径毫米级的光弹圆柱，同样是用细长的镊子把大量小圆柱放入颗粒材料试样盒中，在放入的过程中，保证小圆柱的顶面和底面靠近可视化板壁面，当填满颗粒材料试样盒后，把相应尺寸的加载盖板9盖在颗粒材料顶端，之后再把上述装填完毕的试样盒放回可视化框架1内；之后转动复位螺杆7调整颗粒材料试样盒的初始位置，重新将颗粒材料试样盒复位，转动压缩荷载施加装置2的压杆201使压杆端头抵在加载盖板9上；之后开启光源G和测量显示器4，使光线沿着起偏镜A、1/4波片B、可视化加载装置C、1/4波片D、检偏镜E、摄像机F传播，具体如图1所示，摄像机F所采的集图像直接在电脑上实时显示，调整位置到最佳后，对测量显示器4上的力、位移数据进行归零；当上述所有工作完成后，通过转动压缩荷载施加装置2的压杆201即可以对颗粒材料试样盒内的颗粒材料施加压缩（轴向）荷载，在加载的过程中，可以直观观测到应力拱的形成过程和形成机制、应力扩散角的大小和影响范围、应力拱中力链的分布走向等，同时测量显示器4会记录所有压缩（轴向）荷载—压缩（轴向）位移数据。

综上所述，在采用以上方案后，相比现有技术，本实用新型可以对颗粒材料施加多种荷载（压缩荷载或剪切荷载、或压缩荷载与剪切荷载组合），模拟各种常见土力学试验（如压缩、剪切、应力拱、刚或柔性基础下地基载荷等试验），应用应力—光性定律，实现上述试验中颗粒接触应力、剪切带厚度和角度、力链的分布和走向等参数的可视化，值得推广。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：包括有光源、用于形成平面偏振光的起偏镜、用于形成圆偏振场的1/4波片、可对其内颗粒材料施加压缩/剪切荷载的可视化加载装置、用于过滤其它方向偏振光的检偏镜以及用于采集图片的摄像机，其中，所述起偏镜和摄像机分别设置在可视化加载装置的相对两侧，所述起偏镜与可视化加载装置之间和所述摄像机与可视化加载装置之间均设置有所1/4波片，光源发出的光线沿着起偏镜、1/4波片、可视化加载装置、1/4波片、检偏镜、摄像机依次传播，并确保光源发出的光传播到可视化加载装置内的颗粒上。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述摄像机配置有用于实时显示图像的智能终端。

3.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述可视化加载装置包括有可视化框架（1）、压缩荷载施加装置（2）、剪切荷载施加装置（3）、测量显示器（4）以及相互配对的可视化上颗粒材料试样盒（5）和可视化下颗粒材料试样盒（6），其中，所述可视化上颗粒材料试样盒（5）和可视化下颗粒材料试样盒（6）分别置于可视化框架（1）内，且所述可视化下颗粒材料试样盒（6）滑动安装在可视化框架（1）的内腔底部，并可由装于可视化框架（1）上的剪切荷载施加装置（3）对其施加剪切荷载，所述可视化上颗粒材料试样盒（5）和可视化下颗粒材料试样盒（6）之间通过可拆卸的销钉连接，且所述可视化上颗粒材料试样盒（5）可由装于可视化框架（1）上的压缩荷载施加装置（2）对其内的颗粒材料施加压缩荷载；所述压缩荷载施加装置（2）和剪切荷载施加装置（3）上均装有拉压传感器和位移传感器，且所述拉压传感器和位移传感器分别与测量显示器（4）连接。

4.根据权利要求3所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述可视化框架（1）上设有用于调整颗粒材料试样盒初始位置的复位螺杆（7）。

5.根据权利要求3所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述可视化上颗粒材料试样盒（5）的顶部设有用于压着其内颗粒材料的加载盖板（9），压缩荷载施加装置（2）通过其压杆（201）顶着加载盖板，为可视化上颗粒材料试样盒（5）内的颗粒材料施加压缩荷载；所述剪切荷载施加装置（3）通过其剪切杆（301）顶着可视化下颗粒材料试样盒（6）的侧壁，为该可视化下颗粒材料试样盒（6）施加剪切荷载。

6.根据权利要求3所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述可视化上颗粒材料试样盒（5）和可视化下颗粒材料试样盒（6）均配套有两块可视化板，所述可视化上颗粒材料试样盒（5）和可视化下颗粒材料试样盒（6）上分别形成有用于安装所述可视化板的卡槽，且所述可视化上颗粒材料试样盒（5）的卡槽（501）与可视化下颗粒材料试样盒（6）的卡槽（601）一一对应。

7.根据权利要求3所述的一种颗粒材料力学实验可视化测试装置，其特征在于：所述可视化下颗粒材料试样盒（6）是通过其底部的滑块（8）滑动安装在可视化框架（1）的内腔底部。

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