一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置製造方法

2023-05-20 03:01:11 5

一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，包括可視化框架、壓縮荷載施加裝置、剪切荷載施加裝置及可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒，可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒分別置於可視化框架內，可視化下顆粒試樣盒滑動裝在可視化框架的內腔底部，並可由裝於可視化框架上的剪切荷載施加裝置對其施加剪切荷載，可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒之間通過可拆卸的銷釘連接，可視化上顆粒試樣盒可由裝於可視化框架上的壓縮荷載施加裝置對其內的顆粒材料施加壓縮荷載。本實用新型可以進行壓縮（軸向）荷載、剪切荷載及兩者耦合情況下的荷載施加，以實現不同加載路徑，並實時觀測不同加載路徑下相應的顆粒內部應力變化。
【專利說明】一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及顆粒物質力學性能測試分析及可視化的【技術領域】，尤其是指一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置。
【背景技術】
[0002]巖土類顆粒物質在自然界、工程建設以及日常生活中普遍存在，其力學特性及動力響應的研究在學術界已經開展了幾十年。在過往的研究中，一般都是把巖土顆粒物質假設成連續體進行分析，基於經典的彈塑性力學理論，人們發展了較多的巖土體宏觀力學模型，但沒有一個能全面、正確表達其應力-應變關係的本構方程。究其原因，主要是由於基於連續體的假設與巖土本身的非連續顆粒特性不符，因此基於顆粒層次的細觀研究具有重要的學術價值。
[0003]在力學分析中，主要採用理論推導、模擬計算和實驗測試的方法。然而在當前的顆粒力學研究中，理論分析遇到極大困難，數值模擬計算因顆粒物質計算量大，只能模擬有限顆粒、形狀單一的顆粒體系，難於有效的應用於理論研究和工程實踐中。因此實驗測試就顯得尤為重要，或者說是現階段最適用的手段。
[0004]顆粒力學實驗測試的方法很多，主要有高精度電子天平稱重法、顯色靈敏複寫紙壓痕法、光彈實驗法、螢光共聚焦顯微鏡法和磁共振彈性成像法。1999年美國Duke大學的Behringer教授應用光彈性法在顆粒力學研究領域做了大量實驗，發表了相應研究論文；清華大學從07年也開始進行顆粒的光彈實驗研究,並且在Behringer教授研製的光彈設備的基礎上增加了可以實時跟蹤宏觀性質上的力、位移等物理量的設備，發明了一種新型的光彈實驗儀。但是上述兩種光彈儀器只能進行軸向加載，無法進行剪切荷載作用下的光彈實驗，更不能進行軸向荷載和剪切荷載耦合作用的光彈實驗，因此研製可以進行多種荷載組合施加的加載裝置對於光彈實驗在顆粒力學中的應用具有重要的價值。
[0005]為了研究顆粒材料在各種複雜加載條件下的變形、強度等特性，需要不斷發展滿足這一要求的試驗設備，該設備的研製可以滿足這一要求。

【發明內容】

[0006]本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，在光彈實驗過程中，可以進行壓縮(軸向)荷載、剪切荷載及兩者耦合情況下的荷載施加，並結合光彈儀，觀察各種荷載作用下顆粒內部力學性能變化。
[0007]為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為:一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，它包括可視化框架、壓縮荷載施加裝置、剪切荷載施加裝置以及相互配對的可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒，其中，所述可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒分別置於可視化框架內，且所述可視化下顆粒試樣盒滑動安裝在可視化框架的內腔底部，並可由裝於可視化框架側壁的剪切荷載施加裝置對其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒之間通過可拆卸的銷釘連接，且所述可視化上顆粒試樣盒可由裝於可視化框架頂部的壓縮荷載施加裝置對其內的顆粒材料施加壓縮荷載。
[0008]它還包括有測量顯示器，所述壓縮荷載施加裝置和剪切荷載施加裝置上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器分別與所述測量顯示器連接。
[0009]所述可視化框架上設有用於調整顆粒試樣盒初始位置的復位螺杆。
[0010]所述可視化上顆粒試樣盒的放料口處配置有用於壓著其內顆粒材料的加載蓋板，所述壓縮荷載施加裝置通過其壓杆抵著所述加載蓋板，為可視化上顆粒試樣盒內的顆粒材料施加壓縮荷載。
[0011]所述剪切荷載施加裝置通過其剪切杆抵著可視化下顆粒試樣盒的側壁，為該可視化下顆粒試樣盒施加剪切荷載。
[0012]所述可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒均配套有兩塊可視化板，所述可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒上分別形成有用於插裝所述可視化板的卡槽，且所述可視化上顆粒試樣盒的卡槽與可視化下顆粒試樣盒的卡槽一一對應，使得可視化上顆粒試樣盒和可視化下顆粒試樣盒連接固定後，可視化上顆粒試樣盒的卡槽與可視化下顆粒試樣盒的相應卡槽上下貫通；所述可視化上顆粒試樣盒的兩塊可視化板和可視化下顆粒試樣盒的兩塊可視化板插裝在相應的卡槽上後，共同形成有用於容置顆粒材料的容置空間。
[0013]所述可視化框架的內腔底部上對應設有直線滑軌，所述可視化下顆粒試樣盒是通過其底部的滑塊滑動安裝在所述直線滑軌上。
[0014]所述可視化板為有機玻璃板。
[0015]所述可視化框架的形狀為方形。
[0016]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0017]1、本實用新型利用壓縮荷載施加裝置和剪切荷載施加裝置進行加載，突破砝碼的局限性，可以在規定的量程內施加任意大小的荷載，並且安裝了拉壓傳感器和位移傳感器，實時準確記錄荷載、位移大小變化。
[0018]2、本實用新型把顆粒試樣盒分成上、下盒，可以對顆粒材料施加剪切荷載，克服的現有儀器只能施加壓縮(軸向)荷載，不能施加剪切荷載的限制，使試驗的加載方式更加多樣化，拓展了顆粒試驗的應用範圍。
[0019]3、本實用新型在顆粒試樣盒中設置多個卡槽，插入可視化板後可以形成不同間距的試樣盒，一方面在進行二維平面試驗時，可以衡量試樣厚度尺寸的影響，另一方面，可以根據顆粒材料加工的便易性選擇不同的試樣厚度尺寸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型的結構示意圖。
[0021]圖2為本實用新型的可視化上顆粒試樣盒的主視圖。
[0022]圖3為本實用新型的可視化上顆粒試樣盒的俯視圖。
[0023]圖4為本實用新型的可視化下顆粒試樣盒的立體圖。
[0024]圖5為本實用新型施加剪切荷載使可視化下顆粒試樣盒移動後的結構示意圖。【具體實施方式】
[0025]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。[0026]參見圖1所示，本實施例所述的顆粒材料力學實驗可視化加載裝置包括有整體呈方形的可視化框架1、壓縮荷載施加裝置2、剪切荷載施加裝置3、測量顯示器4以及相互配對的可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6，其中，所述可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6分別置於可視化框架I內，且所述可視化框架I的內腔底部上對應設有直線滑軌11，所述可視化下顆粒試樣盒6是通過其底部的滑塊8滑動安裝在所述直線滑軌11上，摩擦係數可以通過試驗測定，所述可視化下顆粒試樣盒6通過其底部的滑塊8滑動安裝在可視化框架I的內腔底部，並可由裝於可視化框架I頂部上的剪切荷載施加裝置3對其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6之間通過可拆卸的銷釘10連接，且連接後構成一個完整的顆粒試樣盒，所述可視化上顆粒試樣盒5可由裝於可視化框架I側壁上的壓縮荷載施加裝置2對其內的顆粒材料施加壓縮(軸向)荷載；所述壓縮荷載施加裝置2和剪切荷載施加裝置3上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器通過導線分別與測量顯示器4連接，其中位移傳感器採用光柵傳感器，精度高(本加載裝置位移精度為0.01_)、抗幹擾能力強、沒有人為讀數誤差、安裝方便、使用可靠；所述可視化上顆粒試樣盒5的頂部設有用於壓著其內顆粒材料的加載蓋板，壓縮荷載施加裝置2通過其壓杆201抵著加載蓋板，為可視化上顆粒試樣盒5內的顆粒材料施加壓縮(軸向)荷載；所述剪切荷載施加裝置3通過其剪切杆301抵著可視化下顆粒試樣盒6的側壁，為該可視化下顆粒試樣盒6施加剪切荷載。此外，所述可視化框架I上還設有用於調整顆粒材料試樣盒初始位置的復位螺杆7。
[0027]參見圖2至圖4所示，本實施例所述的可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6均配套有兩塊可視化板(具體為有機玻璃板)，同時，所述可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6上分別形成有 用於安裝所述可視化板的卡槽，且所述可視化上顆粒試
樣盒5的卡槽501與可視化下顆粒試樣盒6的卡槽601--對應，以使可視化上顆粒試樣
盒5和可視化下顆粒試樣盒6連接固定後，可視化上顆粒試樣盒5的卡槽501與可視化下顆粒試樣盒6的相應卡槽601上下貫通；所述可視化上顆粒試樣盒5的兩塊可視化板502、503和可視化下顆粒試樣盒6的兩塊可視化板602、603插裝在相應的卡槽上後，共同形成有用於容置顆粒材料的容置空間。
[0028]以下為本實施例上述顆粒材料力學實驗可視化加載裝置進行壓縮/剪切試驗的具體操作原理:工作時，首先把由可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6組合而成的顆粒試樣盒拆下，所述可視化下顆粒試樣盒6的兩塊可視化板602、603可以放入任意兩個卡槽601內，形成不同尺寸的試樣盒,通常卡槽間距有5mm、10mm、15mm、20mm四種選擇；然後所述可視化上顆粒試樣盒5的兩塊可視化板502、503分別放入與可視化下顆粒試樣盒6的上述兩個卡槽601相對應的兩個卡槽501內，以使可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6的空間貫通，此外，為了減小可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6的摩擦，有時會在可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6的接觸處塗少量凡士林等潤滑劑；之後再用銷釘10把可視化上顆粒試樣盒5和可視化下顆粒試樣盒6連接固定，構成一個完整的顆粒試樣盒；之後根據所選卡槽間距從可視化上顆粒試樣盒5的頂部放料口放入相應長度的顆粒材料，在本實施例中所用顆粒材料為直徑毫米級的光彈圓柱，用細長的鑷子把大量小圓柱放入顆粒試樣盒中，在放入的過程中，保證小圓柱的頂面和底面靠近可視化板壁面，當填滿顆粒材料試樣盒後，把相應尺寸的加載蓋板9蓋在顆粒材料頂端，之後再把上述裝填完畢的顆粒材料試樣盒放回可視化框架I內；之後轉動復位螺杆7調整顆粒試樣盒的初始位置，重新將顆粒試樣盒復位，轉動壓縮荷載施加裝置2的壓杆201使壓杆端頭抵在加載蓋板9上，轉動剪切荷載施加裝置3的剪切杆301使剪切杆端頭抵在可視化下顆粒試樣盒6的側壁上；之後再將整個加載裝置放在光彈儀的中間，開啟光源和測量顯示器4，使光線沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機傳播，攝像機所採的集圖像直接在電腦上實時顯示，之後拔掉銷釘10，調整位置到最佳後，對測量顯示器4上的力、位移數據進行歸零；當上述所有工作完成後，通過轉動壓縮荷載施加裝置2的壓杆201和剪切荷載施加裝置3的剪切杆301即可以對顆粒試樣盒內的顆粒材料施加壓縮(軸向)荷載和剪切荷載，具體如圖5所示，在加載的過程中，可以直觀的觀測到顆粒材料中接觸應力的大小變化、剪切帶的形成過程、力鏈的分布和走向，同時測量顯示器4會記錄所有壓縮(軸向)荷載一壓縮(軸向)位移數據和剪切荷載一剪切位移數據。
[0029]此外，本可視化加載裝置還可以模擬各種常見土力學試驗，如壓縮、剪切、應力拱、剛或柔性基礎下地基載荷等試驗，以實現不同的加載路徑，並實時觀測不同加載路徑下相應的顆粒內部應力變化，滿足各種實驗要求。
[0030]以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，並非以此限制本實用新型的實施範圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:它包括可視化框架(I)、壓縮荷載施加裝置(2 )、剪切荷載施加裝置(3 )以及相互配對的可視化上顆粒試樣盒(5 )和可視化下顆粒試樣盒(6)，其中，所述可視化上顆粒試樣盒(5)和可視化下顆粒試樣盒(6)分別置於可視化框架(I)內，且所述可視化下顆粒試樣盒(6)滑動安裝在可視化框架(I)的內腔底部，並可由裝於可視化框架(I)側壁的剪切荷載施加裝置(3)對其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒試樣盒(5)和可視化下顆粒試樣盒(6)之間通過可拆卸的銷釘(10)連接，且所述可視化上顆粒試樣盒(5)可由裝於可視化框架(I)頂部的壓縮荷載施加裝置(2)對其內的顆粒材料施加壓縮荷載。
2.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:它還包括有測量顯示器(4 )，所述壓縮荷載施加裝置(2 )和剪切荷載施加裝置(3 )上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器分別與所述測量顯示器(4)連接。
3.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化框架(I)上設有用於調整顆粒試樣盒初始位置的復位螺杆(7)。
4.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化上顆粒試樣盒(5)的放料口處配置有用於壓著其內顆粒材料的加載蓋板(9)，所述壓縮荷載施加裝置(2)通過其壓杆(201)抵著所述加載蓋板(9)，為可視化上顆粒試樣盒(5)內的顆粒材料施加壓縮荷載。
5.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述剪切荷載施加裝置(3 )通過其剪切杆(301)抵著可視化下顆粒試樣盒(6 )的側壁，為該可視化下顆粒試樣盒(6)施加剪切荷載。
6.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化上顆粒試樣盒(5)和可視化下顆粒試樣盒(6)均配套有兩塊可視化板，所述可視化上顆粒試樣盒(5)和可視化下顆粒試樣盒(6)上分別形成有用於插裝所述可視化板的卡槽，且所述可視化上顆粒試樣盒(5)的卡槽(501)與可視化下顆粒試樣盒(6)的卡槽(601)一一對應，使得可視化上顆粒試樣盒(5)和可視化下顆粒試樣盒(6)連接固定後，可視化上顆粒試樣盒(5 )的卡槽(501)與可視化下顆粒試樣盒(6 )的相應卡槽(601)上下貫通；所述可視化上顆粒試樣盒(5)的兩塊可視化板(502、503)和可視化下顆粒試樣盒(6)的兩塊可視化板(602、603)插裝在相應的卡槽上後，共同形成有用於容置顆粒材料的容置空間。
7.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化框架(I)的內腔底部上對應設有直線滑軌(11)，所述可視化下顆粒試樣盒(6 )是通過其底部的滑塊(8 )滑動安裝在所述直線滑軌(11)上。
8.根據權利要求6所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化板為有機玻璃板。
9.根據權利要求1所述的一種顆粒材料力學實驗可視化加載裝置，其特徵在於:所述可視化框架(I)的形狀為方形。
【文檔編號】G01N3/24GK203643240SQ201320740848
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月21日 優先權日:2013年11月21日
【發明者】谷任國, 房營光, 侯明勳, 陳平 申請人:華南理工大學