CN206960293U - 连续体‑离散体边界面接触参数标定装置 - Google Patents

Abstract

连续体‑离散体边界面接触参数标定装置属于土木工程领域，包括加载系统、绳子、滑轮组、左侧可移动板、测试材料附着盖板、平抛台、配重件、后侧滑轮固定板、底座、后固定板、右侧可移动板、前固定板、前侧滑轮固定板、拍摄装置。加载系统通过连接件与绳子连接，并拉着滑轮组上的绳子运动，滑轮组包括三个滑轮，位于前后两侧滑轮固定板上。前后两侧滑轮固定板固定在底座两侧。前后固定板分别临近滑轮固定板固定，右左两侧可移动板设置于前后固定板之间，四者围成的区域为中长方体槽。测试材料附着盖板位于中长方体槽内，与绳子固定。拍摄装置用于记录测量颗粒从平抛台下落过程中的轨迹。本实用新型结构简单，测试材料范围广，用于材料基本接触参数的测量。

Description

连续体-离散体边界面接触参数标定装置

技术领域

本实用新型属于土木工程领域，涉及实验力学领域，是一种测量颗粒材料与边界面的基本接触参数的实验装置，包括颗粒与边界面摩擦系数的测量，以及颗粒与边界面恢复系数的测量。

背景技术

目前，市场上常用的摩擦系数测定仪多用来测定两种连续体材料之间的摩擦系数，包括摩擦系数测定仪和摆式摩擦系数仪，前者主要是通过预制滑块在该种材料上缓慢移动，借此来测定摩擦系数，对于非连续体颗粒材料基本上无法使用。后者基本上是一种测定路面，机场跑道，标线漆等摩擦系数的仪器，对其他方面应用较少。另外，颗粒材料与边界面之间的摩擦系数是离散元中常用的基本参数，如果照搬材料的摩擦系数用作该颗粒体材料的摩擦系数，则往往无法得出较好的模拟结果。实际中，很少将测量恢复系数和测量测量摩擦系数结合起来，往往都是分开测量的，这给离散元参数标定带来了很大的不便。

基于以上现状，一种能够综合测量颗粒材料与连续体材料之间摩擦系数和恢复系数的简易装置具有明显的实用性。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，为了更好的测量颗粒材料与连续体表面之间的摩擦系数和恢复系数，本实用新型提供一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，该装置提供一种简易的实验方法，可以测出柔性体(比如：橡皮膜等)、脆性体(比如透水石等)、弹塑性材料与颗粒物质之间的摩擦系数。本装置在测量摩擦系数的基础上，增加了恢复系数测量功能，可以测量颗粒与边界面碰撞的法向恢复系数和切向恢复系数。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，包括加载系统、绳子4、滑轮组5、左侧可移动板6、测试材料附着盖板7、平抛台8、配重件9、后侧滑轮固定板10、底座11、后固定板12、右侧可移动板13、前固定板14、前侧滑轮固定板15、拍摄装置。所述的左侧可移动板6、测试材料附着盖板7、后侧滑轮固定板10、底座11、后固定板12、右侧可移动板13、前固定板14、前侧滑轮固定板15均为方形板，均采用树脂材料制作，方形板的最大表面为操作面。

所述的加载系统包括连接件1、拉压传感器2、竖向加载装置3。所述的拉压传感器2固定在连接件1上方，并与竖向加载装置3连接。整个加载系统通过连接件1与绳子4连接，并拉着绳子4运动。所述的底座11四个角点均有预留空间，底座11固定在水平面上。

所述的前侧滑轮固定板15和后侧滑轮固定板10底部固定在底座11的两侧上方，两侧滑轮固定板的操作面与底座11的操作面垂直；两侧滑轮固定板的操作面与观察面平行，且保证两侧滑轮固定板的侧面与底板11的侧面共面。所述的后固定板12固定在底座11上，其操作面与后侧滑轮固定板10的侧面接触，前固定板14定在底座11上，其操作面与前侧滑轮固定板15的侧面接触。所述的前后固定板的操作面上均对称布置变动螺丝孔，用以限定测试材料附着盖板7的运动范围。所述的左侧可移动板6、右侧可移动板13侧面开有孔，通过螺丝并排固定在前后固定板的操作面之间，右左两侧可移动板的操作面均与前后固定板的操作面垂直，右左两侧可移动板和前后固定板围成的区域为中长方体槽。

所述滑轮组5包括3个滑轮，在前侧滑轮固定板15的操作面设置上下两个滑轮，在后侧滑轮固定板10的操作面设置一个滑轮。三个滑轮的槽线在俯视图上保持在同一直线，并处在底座11的长方体槽的中线上。所述的前侧滑轮固定板15操作面下方滑轮位置略高于前固定板14顶部，低于右侧可移动板13顶部，且该滑轮在前侧滑轮固定板15操作面上靠近装置中长方体槽的一侧放置；上方滑轮设置于前侧滑轮固定板15的顶部位置，在前侧滑轮固定板15观察面上远离装置中长方体槽的一侧放置。后侧滑轮固定板10操作面上的滑轮位置略高于后固定板12的顶部，低于右侧可移动板13顶部，且该滑轮在后侧滑轮固定板10观察面上靠近装置中长方体槽的一侧放置，并保证该滑轮槽顶端高度与前侧滑轮固定板15上的下滑轮槽底端高度一致。

所述的绳子4一端固定在连接件1上，绳子4依次通过前侧滑轮固定板15的上方滑轮、下方滑轮、后侧滑轮固定板10上的滑轮后，另一端与配重件9连接。连接件1与前侧滑轮固定板15的上方滑轮之间的绳子4方向为垂直方向。所述的测试材料附着盖板7位于中长方体槽内，与绳子4固定，与底板11操作面平行，测试材料固定在测试材料附着盖板7上。

所述平抛台8由一个平面板和一个斜面板平稳过渡胶结而成，采用树脂材料制作，其上设有用于限制颗粒轨迹的沿平抛走向的槽。平抛台8底部固定在后侧滑轮固定板10顶部，并位于后固定板12的后侧。平抛台上的槽和平抛台形状走向一致，沿着中长方体槽的轴线固定。在试验过程中，可以根据所要测算颗粒的最大长度确定平抛台上槽的宽度和位置。用于测量恢复系数，颗粒沿着平抛台8上的斜面下滑。

所述的拍摄装置包括摄像机和可调三脚架，放置时保持摄像机镜头与左侧可移动板6的操作面平行，摄像机镜头范围在左侧可移动板6的操作面内，拍摄之前将右侧可移动板13拆下。拍摄装置用于记录测量颗粒从平抛台8下落过程中的轨迹。

本实用新型的有益效果是，装置结构简单，方便制造和改进。能够很好地利用现有的加载机和传感器来测量滑动摩擦系数和恢复系数，而且本装置很容易与现有的机器结合使用。测试材料范围广，可以测量柔性材料、脆性材料等。颗粒材料也不受限制，如果测试颗粒材料尺寸较大，可以适当放大结果尺寸。因此，可以很好地用于一些材料基本接触参数的测量。

附图说明

图1是连续体-离散体边界面接触参数标定装置的整体结构图；

图2是连续体-离散体边界面接触参数标定装置的左视图；

图3是连续体-离散体边界面接触参数标定装置的俯视图；

图中：1连接件；2拉压传感器；3竖向加载装置；绳子4；滑轮组5；左侧可移动板6；测试材料附着盖板7；平抛台8；配重件9；后侧滑轮固定板10；底座11；后固定板12；右侧可移动板13；前固定板14；前侧滑轮固定板15。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，包括加载系统、绳子4、滑轮组5、左侧可移动板6、测试材料附着盖板7、平抛台8、配重件9、后侧滑轮固定板10、底座11、后固定板12、右侧可移动板13、前固定板14、前侧滑轮固定板15、拍摄装置。所述的左侧可移动板6、测试材料附着盖板7、后侧滑轮固定板10、底座11、后固定板12、右侧可移动板13、前固定板14、前侧滑轮固定板15均为方形板，均采用树脂材料制作，方形板的最大表面为操作面。

所述的加载系统包括连接件1、拉压传感器2、竖向加载装置3；拉压传感器2固定在连接件1上方，并与竖向加载装置3连接。整个加载系统通过连接件1与绳子4连接，并拉着绳子4运动。所述的拍摄装置包括摄像机和可调三脚架，安置时保持摄像机镜头与左侧可移动板6操作面平行，摄像机镜头范围在左侧可移动板6操作面内，拍摄之前将右侧可移动板13拆下。拍摄装置用于记录测量颗粒从平抛台8下落过程中的轨迹。所述的绳子4一端固定在连接件1上，与底座11的操作面垂直，并通过前侧滑轮固定板15的上方滑轮的顶部、下方滑轮的底部，后侧滑轮固定板10上的滑轮的顶部，绳子另一端与配重件9连接。所述的底座11的厚度为5mm，长度为370mm，宽度为160mm。所述的底座11四个角点均有预留空间。

所述的前侧滑轮固定板15和后侧滑轮固定板10底部固定在底座11的两侧上方，厚度均为10mm，其中前侧滑轮固定板长度为300mm，宽度为80mm，后侧滑轮固定板10长度为150mm(与两侧可移动板宽度一致)，宽度为40mm。前侧滑轮固定板15垂直于底板固定。所述的后固定板12临近后侧滑轮固定板10，其底部固定在底座11上；前固定板14临近前侧滑轮固定板15，其底部固定在底座11上；前后固定板厚度为5mm，长度为160mm，宽度为50mm，用以限定测试材料附着盖板的运动范围。所述的前固定板14和后固定板12上均有16个对称布置的变动螺丝孔。对称布置的变动螺丝孔，为了适应不同尺寸的测试材料，到对称轴的距离分别为40mm，50mm，60mm，70mm。所述的左侧可移动板6、右侧可移动板13的厚度为10mm，长度为240mm，宽度为150mm，并在板的宽度方向两边各开了两个孔，与前固定板14和后固定板12的变动螺丝孔通过螺丝连接，两侧可移动板并排放置在前固定板14和后固定板12之间。所述测试材料附着盖板7与底板11操作面平行。这里选择尺寸为6mm*10mm，厚度为2mm，用于与测试材料和绳子4连接。

所述滑轮组5由3个滑轮组成，采用6mm*30mm*8mm V型槽凹槽全钢滑轮，在前侧滑轮固定板15观察面上有两个，在后侧滑轮固定板10上有一个。三个滑轮的槽线在俯视图上保持在同一直线，并处在装置中长方体槽的中线上。后侧滑轮固定板10上的滑轮槽顶端高度与前侧滑轮固定板15上的下滑轮槽底端高度一致。

所述平抛台8采用树脂材料制作，其上有用来限制颗粒轨迹的沿平抛走向的槽。平抛台8底部与后侧滑轮固定板10顶部胶结在一起，并位于后固定板12的后侧。平抛台板厚5mm，长度为80mm，宽度为40mm，高度为40mm。平抛台斜板倾角为45度。平抛台上的槽和平抛台形状走向一致，宽度高度均为10mm，沿着装置中长方体槽轴线固定。在试验过程中，可以根据所要测算颗粒的最大长度确定平抛台上槽的宽度和位置。用于测量恢复系数，颗粒沿着平抛台8上的斜面下滑。

本连续体-离散体边界面接触参数标定装置的实用方法为：

在测量恢复系数时，分为固定可移动板和调整固定摄像机、实验、后期处理3个过程。

固定可移动板和调整固定摄像机过程：将刻度纸贴在左侧可移动板6上，并把左侧可移动板6通过螺栓和变动螺栓孔固定在距离装置中长方体槽中心线间距最小的位置，放置测量材料(如果测试材料较小，放置前应大概估算颗粒下落的位置)，摄像机对准刻度面，调整好摄像机位置和高度后，打开摄像机，开始试验。

实验过程：将颗粒放在平抛台8斜边上即可，对放置位置没有严格要求，试验结束后，将拍摄视频保存。

后期处理过程：过视频分析软件进行一帧一帧的截取视频图片，获取颗粒运动的轨迹，找出轨迹运动的最高点。分析可以得出，法向恢复系数(以斜抛点为原点)等于抛物线顶点与平抛点高度比值的算术平方根，切向恢复系数等于斜抛线顶点到斜抛点的水平距离与抛出点到斜抛点的水平距离的比值，然后除以法向恢复系数。

在测量滑动摩擦系数时，分为固定可移动板、放颗粒材料、穿线放测试材料和加载4个过程。

固定可移动板过程：根据测试材料的大小，对左侧可移动板6、右侧可移动板13进行固定。

放颗粒材料过程：颗粒材料放入装置中长方体槽中的量可以根据测试材料的厚度和颗粒材料的密实度综合确定，称量玻璃珠后，将颗粒材料放入，并将颗粒表面拂平。

穿线放测试材料过程：先将测试材料与测试材料附着盖板7用胶水固定(测试材料最好做成方形)，测试材料在测试材料附着盖板下方，根据线的长度确定测试材料与绳子4的相对位置，并将绳子4与测试材料附着盖板7在测试材料附着盖板7上操作面固定。然后将绳子4缠绕在滑轮组5上，绳子4的一端与连接件1固定，绳子4的另一端与作为配重件9的砝码连接。为了求出摩擦系数，可以根据情况在测试材料附着盖板上放置不同重量的砝码，并作为重复试验的一个变量。

加载过程：启动加载机，以较小速率进行竖向加载，使得测试材料在颗粒材料上平稳滑动，记录传感器拉力值和加载速率的关系。

Claims (3)

1.一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，其特征在于，所述的连续体-离散体边界面接触参数标定装置包括加载系统、绳子(4)、滑轮组(5)、左侧可移动板(6)、测试材料附着盖板(7)、平抛台(8)、配重件(9)、后侧滑轮固定板(10)、底座(11)、后固定板(12)、右侧可移动板(13)、前固定板(14)、前侧滑轮固定板(15)、拍摄装置；所述的左侧可移动板(6)、测试材料附着盖板(7)、后侧滑轮固定板(10)、底座(11)、后固定板(12)、右侧可移动板(13)、前固定板(14)、前侧滑轮固定板(15)均为方形板，方形板的最大表面为操作面；

所述的加载系统包括连接件(1)、拉压传感器(2)、竖向加载装置(3)；拉压传感器(2)固定在连接件(1)上方，并与竖向加载装置(3)连接，连接件(1)与绳子(4)连接，并拉着绳子(4)运动；

所述的前侧滑轮固定板(15)和后侧滑轮固定板(10)底部固定在底座(11)的两侧上方，两侧滑轮固定板的操作面与底座(11)的操作面垂直，并与观察面平行；所述的后固定板(12)固定在底座(11)上，其操作面与后侧滑轮固定板(10)的侧面接触，前固定板(14)定在底座(11)上，其操作面与前侧滑轮固定板(15)的侧面接触；所述的前后固定板的操作面上均对称布置变动螺丝孔；所述的左侧可移动板(6)、右侧可移动板(13)侧面开有孔，通过螺丝并排固定在前后固定板的操作面之间，右左两侧可移动板的操作面均与前后固定板的操作面垂直，右左两侧可移动板和前后固定板围成的区域为中长方体槽；

所述滑轮组(5)包括三个滑轮，在前侧滑轮固定板(15)的操作面设置上下两个滑轮，在后侧滑轮固定板(10)的操作面设置一个滑轮，三个滑轮的槽线保持在同一直线，并处在底座(11)的长方体槽的中线上；所述的前侧滑轮固定板(15)操作面下方滑轮位置高于前固定板(14)顶部，低于右侧可移动板(13)顶部，上方滑轮设置于前侧滑轮固定板(15)顶部；后侧滑轮固定板(10)操作面上的滑轮位置高于后固定板(12)的顶部，低于右侧可移动板(13)顶部，并保证该滑轮槽顶端高度与前侧滑轮固定板(15)上的下滑轮槽底端高度一致；

所述的绳子(4)一端固定在连接件(1)上，绳子(4)依次通过前侧滑轮固定板(15)的上方滑轮、下方滑轮、后侧滑轮固定板(10)的滑轮后，另一端与配重件(9)连接；连接件(1)与前侧滑轮固定板(15)的上方滑轮之间的绳子(4)方向为垂直方向；所述的测试材料附着盖板(7)位于中长方体槽内，与绳子(4)固定，与底板11操作面平行，测试材料固定在测试材料附着盖板(7)上；

所述平抛台(8)上设有用于限制颗粒轨迹的沿平抛走向的槽，平抛台(8)底部固定在后侧滑轮固定板(10)顶部，并位于后固定板(12)后侧；根据所要测算颗粒的最大长度确定平抛台上槽的宽度和位置；

所述的拍摄装置包括摄像机和可调三脚架，放置时保持摄像机镜头与左侧可移动板(6)的操作面平行，用于记录测量颗粒从平抛台(8)下落过程中的轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，其特征在于，所述平抛台(8)由一个平面板和一个斜面板平稳过渡胶结而成，采用树脂材料制作，测算颗粒沿着平抛台(8)上的斜面下滑。

3.根据权利要求1或2所述的一种连续体-离散体边界面接触参数标定装置，其特征在于，所述的左侧可移动板(6)、测试材料附着盖板(7)、后侧滑轮固定板(10)、底座(11)、后固定板(12)、右侧可移动板(13)、前固定板(14)、前侧滑轮固定板(15)均采用树脂材料制作。