一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法
2023-09-14 10:30:40
一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法
【專利摘要】本發明公開了一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法，該方法由測試顆粒亮度與應力關係和測試光彈性顆粒間的摩擦係數兩個主要步驟組成。其特徵在於通過獲取在壓力作用下裝置中三個光彈顆粒間剛開始運動時顆粒的光彈性圖像，代入顆粒彩色梯度值和荷載擬合曲線多項式獲取其應力狀態。並通過應力分析獲取光彈性顆粒間的摩擦係數。主要優點是其基於光學和受力分析原理，結構簡單，易於實現；試驗方法簡便，便於推廣應用；可以得出餅狀光彈顆粒間的摩擦係數，為光彈顆粒模型試驗分析提供基礎數據。
【專利說明】一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於實驗力學領域，特別涉及一種光彈性模型試驗顆粒摩擦係數的實驗室測試新方法。
技術背景
[0002]光彈性試驗是利用光的波動性(偏振、雙折射、幹涉、衍射等)進行應力測量的實驗方法，屬於力學的傳統試驗。某些高分子材料(環氧樹脂、聚碳酸脂等)具有暫時雙折射效應，製成與實物形狀和尺寸幾何相似的模型，並且給模型施加與實物相似的載荷，在特定的偏振光場中觀察，模型中出現與應力有關的幹涉條紋。依照光彈性原理，可以算出模型內各點的應力大小和方向，實物的應力可依據相似理論換算得到。
[0003]由於光彈性方法具有直觀性，可以直觀測量應力的大小和方向、顯示全場應力分布，對應力進行全場分析。對於顆粒物質的的應力分布問題模擬分析具有良好的效果。光彈性試驗可以通過模型試驗有效模擬顆粒的行為，用圓餅狀光彈顆粒模擬顆粒的力學行為，是一種行之有效的方法。
[0004]而根據顆粒力學的研究，摩擦係數是顆粒之間相互作用力的主要影響因素。顆粒材料之間摩擦係數的選取是其中的重點之一，然而由於圓餅狀光彈顆粒間的摩擦行為不容易測試，直接影響到光彈性方法模擬顆粒力學行為研究的精度和效率。因此，需要開發一種測試圓餅狀光彈顆粒摩擦係數的新方法。
[0005]開發一種測試圓餅狀光彈顆粒摩擦係數的新方法，可以測量圓餅狀光彈顆粒間的摩擦係數，可以有效填補光彈性試驗方法在顆粒物質摩擦力分析上的不足，使光彈試驗在顆粒力學分析上進行推廣應用。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種光彈性模型試驗顆粒摩擦係數的實驗室測試新方法，解決進行顆粒物質光彈性模型試驗中測試顆粒間摩擦係數需要的新方法。
[0007]為達到本發明的目的，採用的技術方案如下:
[0008]一種光彈性模型試驗顆粒摩擦係數的實驗室測試新方法通過如下步驟實現:
[0009]1.測試顆粒亮度與應力關係
[0010]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應力，需要先對單個顆粒的接觸應力和平均彩色梯度進行標定。
[0011]①應用409-11型光彈儀對不同直徑的單個顆粒施加點荷載，每級荷載為5N，最高加載到100N，獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0012]②根據光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟體，編寫電腦程式，根據光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0013]③根據獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪製其顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式。
[0014]2.測試光彈性顆粒間的摩擦係數
[0015]①根據裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為a的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為a+0.1mm的玻璃板G1，G2之間，裝置底下固定平板LI，頂上放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為a。
[0016]②把加載裝置固定於409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發生運動，記錄下此時的壓力P1,並拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0017]③對顆粒C光彈圖像進行處理，獲取其平均彩色梯度值〈G2〉。
[0018]④將顆粒平均彩色梯度值〈G2〉代入顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式，由顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式可知，得出的結果有四個解，其中，落入O?100N之間的有兩個解，再根據實際情況選取合理的解。算出相應的壓應力N。
[0019]⑤通過對顆粒C進行受力分析可知，
[0020]P1 = 2 (N cos α + μ Nsin α )
[0021]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，可由光彈試驗中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，並根據顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式計算得出相應的法向接觸力。P1為環氧樹脂顆粒運動時施加的法向荷載。
[0022]⑥根據環氧樹脂顆粒運動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦係數μ。
[0023]實施案例一:
[0024]一種光彈性模型試驗顆粒摩擦係數的實驗室測試新方法通過如下步驟實現:
[0025]1.測試顆粒亮度與應力關係
[0026]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應力，需要先對單個顆粒的接觸應力和平均彩色梯度進行標定。
[0027]①應用409-11型光彈儀對直徑為6mm的單個顆粒施加點荷載，每級荷載為5N，最聞加載到100N,獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0028]②根據光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟體，編寫電腦程式，根據光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0029]③根據獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪製其顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式為:
[0030] = 0.02269-5.84287E-4F+1.21429E_4F2-2.1663E_6F3+1.04497E-8F4
[0031]2.測試光彈性顆粒間的摩擦係數
[0032]①根據裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為3mm的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為3.1mm的玻璃板G1，G2之間，裝置底下固定平板LI，頂上放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為3mm。
[0033]②把加載裝置固定於409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發生運動，記錄下此時的壓力P1為48N，並拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0034]③對顆粒C光彈圖像進行處理，獲取其平均彩色梯度值為0.061。
[0035]④將顆粒平均彩色梯度值代入顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式，由顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式可知，得出的結果有四個解，其中，落入O?10N之間的有兩個解，再根據實際情況選取合理的解。算出相應的法向接觸力為26N。
[0036]⑤通過對顆粒C進行受力分析可知，
[0037]P1 = 2 (Ncos α + μ Nsin α )
[0038]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，由光彈試驗中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，並根據顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式計算得出相應的法向接觸力。P1為環氧樹脂顆粒運動時施加的法向荷載。
[0039]⑥根據環氧樹脂顆粒運動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦係數 μ 為 0.306。
[0040]實施案例二:
[0041]一種光彈性模型試驗顆粒摩擦係數的實驗室測試新方法通過如下步驟實現:
[0042]1.測試顆粒売度與應力關係
[0043]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應力，需要先對單個顆粒的接觸應力和平均彩色梯度進行標定。
[0044]①應用409-11型光彈儀對直徑為1mm的單個顆粒施加點荷載，每級荷載為5Ν，最聞加載到100Ν,獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0045]②根據光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟體，編寫電腦程式，根據光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0046]③根據獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪製其顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式為:
[0047] = 0.02348+0.0019F+3.80321E_5F2-1.13858E_6F3+6.16217E-9F4
[0048]2.測試光彈性顆粒間的摩擦係數
[0049]①根據加載裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為3mm的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為3.1mm的玻璃板Gl，G2之間，裝置頂上固定平板LI，底下放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為3mm。
[0050]②把加載裝置固定於409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發生運動，記錄下此時的壓力P1為45N，並拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0051]③對顆粒C光彈圖像進行處理，獲取其平均彩色梯度值為0.083。
[0052]④將顆粒平均彩色梯度值〈G2〉代入顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式，由顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式可知，得出的結果有四個解，其中，落入O?100N之間的有兩個解，再根據實際情況選取合理的解。算出相應的法向接觸力為24N。
[0053]⑤通過對顆粒C進行受力分析可知，
[0054]P1 = 2 (N cos α+μ N sin)
[0055]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，由光彈試驗中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，並根據顆粒彩色梯度值和荷載關係擬合曲線多項式計算得出相應的法向接觸力。P1為環氧樹脂顆粒運動時施加的法向荷載。
[0056]⑥根據環氧樹脂顆粒運動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦係數 μ 為 0.326。
[0057]本發明的優點為:
[0058]1.本發明基於光學和受力分析原理，結構簡單，易於實現。
[0059]2.試驗方法簡便，便於推廣應用。
[0060]3.本發明可以得出餅狀光彈顆粒間的摩擦係數，為光彈顆粒模型試驗分析提供基礎數據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0061]圖1是本發明的加載裝置示意圖；圖2是光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖:
[0062]LI——加載平板L2——支撐平板
[0063]A——圓餅狀光彈顆粒A
[0064]B——圓餅狀光彈顆粒B
[0065]C——圓餅狀光彈顆粒C。
【權利要求】
1.一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法，其特徵在於由測試顆粒亮度與應力關係和測試光彈性顆粒間的摩擦係數兩個主要步驟組成。其特徵在於通過獲取在壓力作用下裝置中三個光彈顆粒間剛開始運動時顆粒的光彈性圖像，計算圖像彩色梯度值，代入顆粒彩色梯度值和荷載擬合曲線多項式獲取其應力狀態，並通過應力分析獲取光彈性顆粒間的摩擦係數。
2.一種圓餅狀光彈顆粒摩擦係數測試新方法，其特徵在於加載裝置把三顆半徑一樣，厚度為a的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為a+0.1mm的玻璃板Gl，G2之間，裝置底下固定平板LI,頂上放置平板L2。其中,平板LI, L2厚度均為a。
【文檔編號】G01N19/02GK104316458SQ201410608556
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月28日 優先權日:2014年10月28日
【發明者】周翠英, 李偉科 申請人:中山大學