CN203643240U - 一种颗粒材料力学实验可视化加载装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，包括可视化框架、压缩荷载施加装置、剪切荷载施加装置及可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒，可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒分别置于可视化框架内，可视化下颗粒试样盒滑动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，可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒之间通过可拆卸的销钉连接，可视化上颗粒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。本实用新型可以进行压缩（轴向）荷载、剪切荷载及两者耦合情况下的荷载施加，以实现不同加载路径，并实时观测不同加载路径下相应的颗粒内部应力变化。

Description

一种颗粒材料力学实验可视化加载装置

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加载装置。

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、形状单一的颗粒体系，难于有效的应用于理论研究和工程实践中。因此实验测试就显得尤为重要，或者说是现阶段最适用的手段。

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，发明了一种新型的光弹实验仪。但是上述两种光弹仪器只能进行轴向加载，无法进行剪切荷载作用下的光弹实验，更不能进行轴向荷载和剪切荷载耦合作用的光弹实验，因此研制可以进行多种荷载组合施加的加载装置对于光弹实验在颗粒力学中的应用具有重要的价值。

为了研究颗粒材料在各种复杂加载条件下的变形、强度等特性，需要不断发展满足这一要求的试验设备，该设备的研制可以满足这一要求。

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加载装置，在光弹实验过程中，可以进行压缩（轴向）荷载、剪切荷载及两者耦合情况下的荷载施加，并结合光弹仪，观察各种荷载作用下颗粒内部力学性能变化。

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加载装置，它包括可视化框架、压缩荷载施加装置、剪切荷载施加装置以及相互配对的可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒，其中，所述可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒分别置于可视化框架内，且所述可视化下颗粒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侧壁的剪切荷载施加装置对其施加剪切荷载，所述可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒之间通过可拆卸的销钉连接，且所述可视化上颗粒试样盒可由装于可视化框架顶部的压缩荷载施加装置对其内的颗粒材料施加压缩荷载。

它还包括有测量显示器，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所述测量显示器连接。

所述可视化框架上设有用于调整颗粒试样盒初始位置的复位螺杆。

所述可视化上颗粒试样盒的放料口处配置有用于压着其内颗粒材料的加载盖板，所述压缩荷载施加装置通过其压杆抵着所述加载盖板，为可视化上颗粒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抵着可视化下颗粒试样盒的侧壁，为该可视化下颗粒试样盒施加剪切荷载。

所述可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒均配套有两块可视化板，所述可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒上分别形成有用于插装所述可视化板的卡槽，且所述可视化上颗粒试样盒的卡槽与可视化下颗粒试样盒的卡槽一一对应，使得可视化上颗粒试样盒和可视化下颗粒试样盒连接固定后，可视化上颗粒试样盒的卡槽与可视化下颗粒试样盒的相应卡槽上下贯通；所述可视化上颗粒试样盒的两块可视化板和可视化下颗粒试样盒的两块可视化板插装在相应的卡槽上后，共同形成有用于容置颗粒材料的容置空间。

所述可视化框架的内腔底部上对应设有直线滑轨，所述可视化下颗粒试样盒是通过其底部的滑块滑动安装在所述直线滑轨上。

所述可视化板为有机玻璃板。

所述可视化框架的形状为方形。

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，并且安装了拉压传感器和位移传感器，实时准确记录荷载、位移大小变化。

2、本实用新型把颗粒试样盒分成上、下盒，可以对颗粒材料施加剪切荷载，克服的现有仪器只能施加压缩（轴向）荷载，不能施加剪切荷载的限制，使试验的加载方式更加多样化，拓展了颗粒试验的应用范围。

3、本实用新型在颗粒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为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的可视化上颗粒试样盒的主视图。

图3为本实用新型的可视化上颗粒试样盒的俯视图。

图4为本实用新型的可视化下颗粒试样盒的立体图。

图5为本实用新型施加剪切荷载使可视化下颗粒试样盒移动后的结构示意图。

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。

参见图1所示，本实施例所述的颗粒材料力学实验可视化加载装置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试样盒5和可视化下颗粒试样盒6，其中，所述可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6分别置于可视化框架1内，且所述可视化框架1的内腔底部上对应设有直线滑轨11，所述可视化下颗粒试样盒6是通过其底部的滑块8滑动安装在所述直线滑轨11上，摩擦系数可以通过试验测定，所述可视化下颗粒试样盒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，所述可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6之间通过可拆卸的销钉10连接，且连接后构成一个完整的颗粒试样盒，所述可视化上颗粒试样盒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（轴向）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（本加载装置位移精度为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抵着加载盖板，为可视化上颗粒试样盒5内的颗粒材料施加压缩（轴向）荷载；所述剪切荷载施加装置3通过其剪切杆301抵着可视化下颗粒试样盒6的侧壁，为该可视化下颗粒试样盒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2至图4所示，本实施例所述的可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6均配套有两块可视化板（具体为有机玻璃板），同时，所述可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒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试样盒5的卡槽501与可视化下颗粒试样盒6的卡槽601一一对应，以使可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6连接固定后，可视化上颗粒试样盒5的卡槽501与可视化下颗粒试样盒6的相应卡槽601上下贯通；所述可视化上颗粒试样盒5的两块可视化板502、503和可视化下颗粒试样盒6的两块可视化板602、603插装在相应的卡槽上后，共同形成有用于容置颗粒材料的容置空间。

以下为本实施例上述颗粒材料力学实验可视化加载装置进行压缩/剪切试验的具体操作原理：工作时，首先把由可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6组合而成的颗粒试样盒拆下，所述可视化下颗粒试样盒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试样盒5的两块可视化板502、503分别放入与可视化下颗粒试样盒6的上述两个卡槽601相对应的两个卡槽501内，以使可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6的空间贯通，此外，为了减小可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6的摩擦，有时会在可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6的接触处涂少量凡士林等润滑剂；之后再用销钉10把可视化上颗粒试样盒5和可视化下颗粒试样盒6连接固定，构成一个完整的颗粒试样盒；之后根据所选卡槽间距从可视化上颗粒试样盒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调整颗粒试样盒的初始位置，重新将颗粒试样盒复位，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试样盒6的侧壁上；之后再将整个加载装置放在光弹仪的中间，开启光源和测量显示器4，使光线沿着起偏镜、1/4波片、可视化加载装置、1/4波片、检偏镜、摄像机传播，摄像机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5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，同时测量显示器4会记录所有压缩（轴向）荷载—压缩（轴向）位移数据和剪切荷载—剪切位移数据。

此外，本可视化加载装置还可以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，以实现不同的加载路径，并实时观测不同加载路径下相应的颗粒内部应力变化，满足各种实验要求。

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 (9)

1.一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：它包括可视化框架（1）、压缩荷载施加装置（2）、剪切荷载施加装置（3）以及相互配对的可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6），其中，所述可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6）分别置于可视化框架（1）内，且所述可视化下颗粒试样盒（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）侧壁的剪切荷载施加装置（3）对其施加剪切荷载，所述可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6）之间通过可拆卸的销钉（10）连接，且所述可视化上颗粒试样盒（5）可由装于可视化框架（1）顶部的压缩荷载施加装置（2）对其内的颗粒材料施加压缩荷载。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：它还包括有测量显示器（4），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所述测量显示器（4）连接。

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

4.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述可视化上颗粒试样盒（5）的放料口处配置有用于压着其内颗粒材料的加载盖板（9），所述压缩荷载施加装置（2）通过其压杆（201）抵着所述加载盖板（9），为可视化上颗粒试样盒（5）内的颗粒材料施加压缩荷载。

5.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述剪切荷载施加装置（3）通过其剪切杆（301）抵着可视化下颗粒试样盒（6）的侧壁，为该可视化下颗粒试样盒（6）施加剪切荷载。

6.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6）均配套有两块可视化板，所述可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6）上分别形成有用于插装所述可视化板的卡槽，且所述可视化上颗粒试样盒（5）的卡槽（501）与可视化下颗粒试样盒（6）的卡槽（601）一一对应，使得可视化上颗粒试样盒（5）和可视化下颗粒试样盒（6）连接固定后，可视化上颗粒试样盒（5）的卡槽（501）与可视化下颗粒试样盒（6）的相应卡槽（601）上下贯通；所述可视化上颗粒试样盒（5）的两块可视化板（502、503）和可视化下颗粒试样盒（6）的两块可视化板（602、603）插装在相应的卡槽上后，共同形成有用于容置颗粒材料的容置空间。

7.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述可视化框架（1）的内腔底部上对应设有直线滑轨（11），所述可视化下颗粒试样盒（6）是通过其底部的滑块（8）滑动安装在所述直线滑轨（11）上。

8.根据权利要求6所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述可视化板为有机玻璃板。

9.根据权利要求1所述的一种颗粒材料力学实验可视化加载装置，其特征在于：所述可视化框架（1）的形状为方形。

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