一种实现多物理场耦合的环境模拟试验系统的制作方法

本发明属于环境适应性及可靠性试验技术领域，具体涉及一种实现多物理场耦合的环境模拟试验系统，模拟各类工程建筑在自然环境中降雨、温度、湿度、风力、光照、震动等。

背景技术

随着对模型试验体量和精度的要求越来越高，急需一种能够模拟自然界中不同温度、不同湿度、风、紫外线、降雨等多种物理场及其耦合下的试验系统。但目前能模拟自然环境的试验装置较为单一，没有充分考虑自然界中并不是单一物理场在影响所要研究的工程，而是多物理场的耦合。

环境模拟试验系统承担的主要工作是各类模型试验，目前已有设备及发明往往仅考虑对各类环境场的模拟，未考虑到模型试验在环境模拟试验系统内制作，监测的难度，无法为多种地质形态的工程模型提供方便的施工途径，同时也给各模型试验的监测带来了巨大的困难。针对以上问题，设计一种可自由组合成任意工程地质形态的环境模拟试验系统显得意义重大，可以为科研及施工中各类模型试验提供一整套完善、便捷的设备及技术手段。

技术实现要素：

本发明提出一种实现多物理场耦合的环境模拟试验系统，可开展冻土等特殊土以及各类边坡、水利工程等在多物理场耦合环境下模型试验研究。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种实现多物理场耦合的环境模拟试验系统，包括环境箱、温度场控制单元、降雨控制单元、风系统控制单元、辐照控制单元和中央控制单元，所述温度场控制单元、降雨控制单元、风系统控制单元、辐照控制单元均与中央控制单元相连，通过中央控制单元自由选择和调控温度、湿度、降雨及光照环境物理条件，温度和湿度控制为冷热平衡式，机械制冷，电加热，蒸汽加湿，冷(热)湿空气经过后背平衡室混合后通过顶部循环风机搅拌送入环境箱，以达到试验要求的温度值、湿度值，其特征在于，所述环境模拟试验系统还包括与中央控制单元相连的工程地质形态模拟单元，由中央控制单元控制，用以模拟不同的工程地质形态，所述工程地质形态包括路堑边坡、路堤边坡、基坑和河堤，

所述工程地质形态模拟单元包括若干个矩形库板、液压杆及执行控制器，每个矩形库板的四个角上均设置有由其对应的执行控制器独立控制的液压杆，所有的执行控制器均与中央控制单元相连，矩形库板沿环境箱的内侧壁及底面铺设，拼装后的矩形库板对应的与环境箱的内侧壁及底面的形状相匹配，矩形库板与环境箱的内侧壁及底面之间通过液压杆连接；

所述中央控制单元包括液压杆伸缩控制模块、频率控制模块和数据采集模块，频率控制模块用以实现对执行控制器的振动频率的控制，通过设置液压杆伸缩频率以施加振动荷载，另外，每块矩形库板上表面均布设有与数据采集模块相连的光纤，以测试局部温度、含水率和应变参数；环境箱的顶部还设置有激光位移传感器，所述激光位移传感器与数据采集模块相连，并能够实现其在环境箱内的旋转与升降，以对环境箱内各地址形态模型表面位置位移进行全方位监测。

进一步的，所述环境箱包括底板、墙板、顶板和门板，且均由三层结构组成，从内至外依次为内层不锈钢板、中间绝热保温层和外层不锈钢板，实现绝热保温保湿，底板上还铺设有聚丙烯pp板实现防腐。

进一步的，所述矩形库板的尺寸为长500mm×宽300mm×高50mm，每个角均设置有一个液压杆，每个液压杆的承重为100kg左右，由液压杆伸缩控制模块控制液压杆的升降，使库板形成不同的坡度，来模拟不同边坡的各种物理场的试验，并可以通过频率控制模块使液压杆按照特定频率震动，来模拟动载荷情况。

进一步的，所述门板上还设置有观察窗，所述观察窗的表面设置有电热镀膜，以有效解决观察窗凝露问题。

进一步的，所述环境箱的底部设置有注水通道及其开关阀，可以实现环境模拟试验系统底部蓄水与干燥两种模式，在蓄水情况下可以通过设置水面下液压杆伸缩频率与幅值来提供静水状态和不同波动频率及幅值的动水状态。

进一步的，所述矩形库板上设置有凹槽，所述凹槽内设置吸力传感器，所述光纤也同样设置在凹槽内，通过内嵌光纤与吸力传感器，可对土体进行含水率、温度、基质吸力等参数进行监测。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案公开的环境模拟试验系统，每个矩形库板的四个角对应的设置有四个液压杆，以便于角度灵活调整，液压杆与执行控制器相连，由液压杆伸缩控制模块和频率控制模块控制液压杆的伸缩，使每一块矩形库板都可以通过液压杆伸缩控制模块控制实现高低与角度的调整，来组成各种试验模型，环境箱底部可以在蓄水条件下模拟水路、坝体等水利工程，也可在不蓄水的情况下模拟路堤，路堑，基坑等工程，方便在环境箱内填土与压实，可使环境箱底部各片库板组合拼装成想要的形态；并结合伸缩频率与幅值的控制，实现对地震荷载、交通荷载等震动荷载的施加，可与风荷载或模拟水力工程模型试验时的波浪荷载单一或多种组合，实现对自然工况下各种可能遇到的动荷载进行全方位、最大程度的还原，可以较全面的模拟还原自然情况下的环境物理场；

并且，通过在库板表面布设光纤及吸力传感器，可实现对土体进行含水率、温度基质吸力等参数的监测，并且在环境箱顶部设置可单独控制升降与旋转的激光位移传感器可对箱体内各模型表面位移监测实现全方位覆盖；该试验系统的设计能够实现绝热、保温、保湿、高温与低温交变湿热、多种大型土体模型设计。该系统结构设计巧妙，成本低，可以实现对自然环境中降雨、湿度、温度、紫外线照射、静水浸泡、风力、震动等一种或多种情况的耦合，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例所述环境模拟试验系统原理框图；

图2为本发明实施例模拟的路堑边坡示意图；

图3为本发明实施例模拟的路堤边坡示意图；

图4为本发明实施例模拟的基坑示意图；

图5为本发明实施例模拟的河堤水库示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种实现多物理场耦合的环境模拟试验系统，如图1所示，包括环境箱、温度场控制单元、降雨控制单元、风系统控制单元、辐照控制单元、工程地质形态模拟单元和中央控制单元，所述温度场控制单元、降雨控制单元、风系统控制单元、辐照控制单元、工程地质形态模拟单元均与中央控制单元相连，通过中央控制单元自由选择和调控温度、湿度、降雨及光照环境物理条件，并实现对不同工程地质形态的模拟，所述工程地质形态包括路堑边坡、路堤边坡、基坑和河堤水库，其结构示意图分别如图2-5所示。

具体的：环境箱包括底板、墙板、顶板和门板，且均由三层结构组成，从内至外依次为内层不锈钢板、中间绝热保温层和外层不锈钢板，实现绝热保温保湿，底板上还铺设有聚丙烯pp板实现防腐，门板上还设置有观察窗，所述观察窗的表面设置有电热镀膜，以有效解决观察窗凝露问题，另外在环境箱的底部设置有注水通道及其开关阀，可以实现环境模拟试验系统底部蓄水与干燥两种模式，所述辐照控制单元包括紫外灯，波长范围为290nm-850nm，温度场控制单元、降雨控制单元实现对温度、湿度及降雨的控制，温度和湿度控制为冷热平衡式，机械制冷，电加热，蒸汽加湿，冷(热)湿空气经过后背平衡室混合后通过顶部循环风机搅拌送入环境箱，以达到试验要求的温度值、湿度值。

工程地质形态模拟单元包括若干个矩形库板1、液压杆2及执行控制器，每个矩形库板1的四个角上均设置有由其对应的执行控制器独立控制的液压杆2，所有的执行控制器均与中央控制单元相连，矩形库板1沿环境箱的内侧壁及底面铺设(即墙板和底板)，拼装后的矩形库板对应的与环境箱的内侧壁及底面的形状相匹配，矩形库板与环境箱的内侧壁及底面之间通过液压杆连接；所述中央控制单元包括液压杆伸缩控制模块、频率控制模块和数据采集模块，频率控制模块用以实现对执行控制器的振动频率的控制，通过设置液压杆伸缩频率以施加振动荷载，另外，每块矩形库板上表面均布设有与数据采集模块相连的光纤，以测试局部温度、含水率和应变参数；环境箱的顶部3还设置有激光位移传感器4，所述激光位移传感器与数据采集模块相连，并能够实现其在环境箱内的旋转与升降，以对环境箱内各模型表面位置位移进行全方位监测，并将采集的信号传递给液压杆伸缩控制模块实现对应库板的位移及角度控制，每个矩形库板的四个角对应的设置有四个液压杆，以便于角度灵活调整，液压杆与执行控制器相连，使每一块矩形库板都可以通过液压杆伸缩控制模块实现高低与角度的调整，来组成各种试验模型，如基坑、边坡、河堤等，方便在环境箱内填土与压实，通过中央控制单元控制各单片库板底部液压杆伸缩位移，使环境箱底部各片库板组合拼装成想要的形态，并且，环境箱的四个内侧壁及底面上设置的矩形库板，每一个面上拼装形成的库板结构均为连续的。

本实施例中，矩形库板1的尺寸为长500mm×宽300mm×高50mm，每个角均设置有一个液压杆，每个液压杆的承重为100kg左右，通过计算机控制，由液压杆伸缩控制模块控制液压杆的升降，使库板形成不同的坡度，来模拟不同边坡的各种物理场的试验，并可以通过频率控制模块使液压杆按照特定频率震动，来模拟动载荷情况。所述矩形库板上设置有凹槽，所述凹槽内设置吸力传感器，所述光纤也同样设置在凹槽内，通过内嵌光纤与吸力传感器，可对土体进行含水率、温度、基质吸力等参数进行监测。

本方案通过编写程序设置参数，实现试验全过程的数字控制，并且试验精度和自动化程度高，可开展冻土等特殊土的模型动力试验，能够进行河堤冲刷模型试验，也能模拟路堤路堑等边坡模型试验，可以较全面的模拟还原自然情况下的环境物理场，环境箱具有多重防护功能，通过中央控制单元控制底部液压杆及库板伸缩频率与幅值或直接设定特定的位移曲线，实现对地震荷载，交通荷载等震动荷载的施加，可与风荷载或模拟水力工程模型试验时的波浪荷载单一或多种组合，实现对自然工况下各种可能遇到的动荷载进行全方位、最大程度的还原；并且控制操作方便，通过各传感器的布设实现试验监测一体化控制，避免了以前试验中因为冗杂的线路对试验的干扰。

各项环境气象参数变化控制实现方式：

制冷(热)方式：风冷(热)式，上送风，下回风，采用dwmcopeland制冷(制热)压缩机(进口机组)；

制湿方式：湿空气上下循环方式；

温度控制方式：pid控制；

湿度控制方式：设定湿度的控制值，程序自动控制；

温度可调范围-40℃—+80℃，温度偏差±1℃，温度波动≤±1℃，湿度范围30％rh-98％rh；湿度偏差：≤±2％--3％rh(湿度>75％rh)，±5％rh(湿度<75％rh)；

温湿度可按任意温度-时间曲线和湿度-时间曲线呈独立变化；用户程序可根据有关标准及技术要求自由编制温度、湿度、时间等运行程序，系统实现可编程控制，能按自行设定的温湿度变化曲线进行自动控制运行；

运转方式：恒定运转和可编程2种运转方式；

自我诊断、报警显示：中文提示故障原因，处理方式、具有系统参数监控、设备故障保护处诊断功能，故障时伴有报警音提示故障处理对策，并同时记录在册，方便维修人员了解设备病史，提高维修质量以及设备稳定性；

定时功能：即自动开机即关机功能，可以按照事先设定好的时间日期自动开机，运行结束自动关机；

降雨方向：垂直向下(自工作室顶部垂直向下降雨)、顶部喷淋；

降雨量控制方式：设定控制降雨强度、降雨持续时间，程序运行控制；

降雨强度设置：小于1.16e-8m/s～1.16e-7m/s，中雨1.16e-7m/s～2.89e-7m/s，大雨2.89e-7m/s～5.79e-7m/s，暴雨5.79e-7m/s～1.16e-6m/s，大暴雨1.16e-6m/s～2.32e-6m/s，特大暴雨>2.32e-6m/s。人工降雨方向可以是垂直向下，也可以调节喷嘴的喷淋方向，改变淋雨角度；

降雨强度：1.16e-8m/s～2.32e-6m/s，可以调节和设定控制降雨强度值，雨滴直径0.5～5mm；

淋雨周期控制：可手工控制淋雨，也可以自动控制周期淋雨：且循环周期可以自由设定和自动控制，循环次数设定范围1～100/次。淋雨时间控制：0～9999分钟/小时内自由设定和自动控制。淋雨喷嘴材质：碳纤维增强聚丙烯：nox气体0～20％；

nox气体控制精度：小于±0.5％；nox气体浓度控制方式：利用计算机采用流量计算出浓度进行调节控制，参数显示记录：通过控制计算机时间自动显示记录淋雨周期、nox气体浓度实时值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。