颗粒体系多物理场观测实验平台的制作方法

1.本实用新型属于颗粒材料力学研究设备领域，具体涉及一种颗粒体系多物理场观测实验平台。


背景技术：

2.颗粒材料是由大量离散固体颗粒相互作用形成的复杂体系，广泛存在于自然界中，诸如铁路道砟、堆石体、滑坡堰塞体等均可视为颗粒材料。颗粒物质力学复杂多变，其困难在于颗粒物质可以表现出像固体(例如，在沙堆中)，液体(从料斗或筒仓中倒出)，或像气体(当它被强烈搅动时)的本构行为。由于颗粒材料的复杂性，不能单纯的以固体或者流体的研究方法来研究其宏观力学特性，尤其是颗粒间的接触和力链变化对其宏观力学特性具有极大的影响。
3.颗粒材料具有灵活多变的物理特性，对其进行研究的手段也逐渐丰富多样，但现有的实验装置通常设计目标单一，无法满足多加载模式，多物理测试手段的需求。因此，亟需提供一种能够实现多种物理实验模式和加载方法的颗粒力学行为观测平台，从而能够对复杂颗粒体系多物理场进行观测测量。


技术实现要素：

4.本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种颗粒体系多物理场观测实验平台，能够满足复杂应力、应变路径下的颗粒接触力多物理场测量实验研究的需求。
5.本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：
6.本实用新型提供一种颗粒体系多物理场观装样模块，包括：中部均镂空形成滑槽、且端部依次相连围成放置颗粒试样的容纳腔的两块加载板与两块固定板，设置在各个滑槽中的多个销钉连接件，和设置在容纳腔底部的透明底板；加载板一端的滑槽与另一个加载板一端的滑槽相交叉、并通过销钉连接件可移动相连，每个加载板另一端的滑槽与相应的固定板一端的滑槽相交叉、并通过销钉连接件可移动相连，两块固定板的另一端固定相连；动力加载模块，包括：分别设置在两块加载板近旁、并朝向相应加载板施加荷载的第一加载单元和第二加载单元；红外测距模块，设置在装样模块上，用于监测加载板的移动距离，进而获取颗粒试样加载后的应变状态；压力传感模块，设置在装样模块上、与第一加载单元和第二加载单元相对应的位置处，用于监测加载板压力；阵列摄像模块，设置在装样模块上方，用于获取满足光弹测量、dic测量要求的颗粒图像；光源模块，设置在装样模块下方，提供满足光弹测量、dic测量要求的光源；检偏模块，包括：可拆卸地设置在装样模块和光源模块之间的第一检偏镜，和可拆卸地设置在阵列摄像模块和装样模块之间的第二检偏镜；以及声发射监测模块，可拆卸地设置在装样模块上，用于监测加载过程中颗粒试样的声发射现象，其中，销钉连接件分为矩形和圆形两种，当需要两个加载板保持相互垂直的状态进行实验时，采用矩形销钉连接件连接；当需要使两个加载板形成倾斜夹角进行实验时，采用圆
形销钉连接件连接。
7.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以包括：安装架，可拆卸地安装装样模块、动力加载模块、阵列摄像模块、光源模块以及检偏模块，并且设置有多个安装位，用于上下调整各模块之间的相对位置，且底部设有多个滑轮和滑轮止动件。
8.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以具有这样的特征：装样模块还包括设置在容纳腔上部的透明顶板。
9.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以具有这样的特征：第二加载单元包括两个伺服电机加载器，分别对加载板的不同区域独立进行加载；第一加载单元为对另一个加载板的中部进行加载的伺服电机加载器。
10.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以具有这样的特征：阵列摄像模块包括多台可调节间距的摄像机。
11.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以具有这样的特征：声发射监测模块包括多个声发射监测器，装样模块的侧面和底部均设有多个用于安装声发射监测器的安装位。
12.优选地，本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台还可以包括：采集控制模块，与动力加载模块、红外测距模块、压力传感模块、阵列摄像模块、光源模块、声发射监测模块通信相连，获取实验数据并控制动力加载模块、红外测距模块、压力传感模块、阵列摄像模块、光源模块、声发射监测模块的运行。
13.实用新型的作用与效果
14.本实用新型提供的颗粒体系多物理场观测实验平台由于具有以上结构，当进行实验时，将颗粒试样摆放在装样模块的容纳腔内，通过光源模块对颗粒试样提供照明，通过第一加载单元和第二加载单元分别对颗粒试样两个方向施加载荷，进一步，通过销钉连接件可以方便地调整加载路径和加载模式：当需要两个加载板保持相互垂直的状态进行实验时，采用矩形销钉连接件连接加载板；当需要使两个加载板形成倾斜夹角进行实验时，采用圆形销钉连接件连接，可实现不同角度下的剪切实验；通过调节第一加载单元和第二加载单元的加载力大小和加载速率，可使得两侧加载应力保持一定比例或变化比例，实现各种应力路径的加载实验；在实验过程中，通过红外测距模块获取颗粒试样加载后的应变状态，通过压力传感模块监测加载板压力进而获取获取颗粒试样收到的加载力，通过阵列摄像模块获取颗粒试样各时刻的图像，通过声发射监测模块监测加载过程中颗粒试样的声发射信息，进而基于红外测距模块监测的应变信息、压力传感模块监测的应力信息、阵列摄像模块监测的颗粒位置和颗粒图像信息、声发射监测模块监测的声发射信息，就能够得到该颗粒试样的应力
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应变关系、应力历程、应变历程、颗粒力链分布情况、接触力分布情况、声发射频谱及颗粒应变场等。
15.综上，本实用新型所提供的颗粒体系多物理场观测实验平台能够进行各种加载路径的颗粒体性质实验，包括不同应力应变加载，纯剪实验等多种加载方式，并能通过光弹、图像、声发射监测实现实现全面系统的对颗粒体系各方面性质的测量，并且能够测量多种材料颗粒材料性质，不局限于具有双折射效应的光弹颗粒，大大扩充了实验对象范围，可以实现对复杂颗粒体系多物理场的观测测量。
附图说明
16.图1是本实用新型涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台的结构示意图；
17.图2是本实用新型涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台的部分结构示意图；
18.图3是本实用新型涉及的装样模块、动力加载模块、红外测距模块和压力传感模块的结构示意图。
具体实施方式
19.以下参照附图对本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台作详细阐述。
20.<实施例>
21.如图1至3所示，颗粒体系多物理场观测实验平台10包括装样模块11、动力加载模块12、红外测距模块13、压力传感模块14、阵列摄像模块15、光源模块16、检偏模块17、声发射监测模块18、安装架19以及采集控制模块20。
22.装样模块11包括两块加载板11a
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1和11a
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2、两块固定板11b、销钉连接件11c、固定件11d以及透明顶板和透明底板。加载板11a
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1和11a
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2与两块固定板11b的中部均镂空形成从左端至右端延伸的滑槽，滑槽一方面通过销钉连接件11c起到滑动连接的作用，另一方面也限制了加载板11a
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1和11a
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2的移动轨迹。两块加载板11a
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1和11a
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2以及两块固定板11b通过销钉连接件11c和固定件11d依次首尾(端部)相连，围成放置颗粒试样s的容纳腔。具体地，如图3所示，加载板11a
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1的上端滑槽与加载板11a
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2的左端滑槽相交叉，并通过销钉连接件11c可移动相连；然后两个加载板11a
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1和11a
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2的另一端滑槽均与相应的固定板11b的一端滑槽相交叉，并通过销钉连接件11c可移动相连；两块固定板11b的另一端通过固定件11d固定相连。本实施例中，销钉连接件11c分为矩形和圆形两种，当需要两个加载板11a
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1和11a
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2保持相互垂直的状态进行实验时，采用矩形销钉连接件连接；当需要使两个加载板11a
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1和11a
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2形成倾斜夹角进行实验时，采用圆形销钉连接件连接加载板11a
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1和11a
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2以及加载板11a
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1和固定板11b，使得加载板11a
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1可相对加载板11a
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2旋转至所需倾斜角。透明顶板和透明底板分别设置在容纳腔的上部和底部，与固定板11b固定相连，但不与加载板11a相固定(透明顶板和透明底板均沿着水平方向贯穿两块加载板)，使加载板11a
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1和11a
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2能相对透明顶板和透明底板自由移动。通过这样的设置，使得在实验过程中加载板11a
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1和11a
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2可以沿着加载方向进行移动，而固定板11b、透明顶板和透明底板则固定不动，同时确保两个轴向的加载互不干扰。
23.如图3所示，动力加载模块12包括第一加载单元12a和第二加载单元12b，第一加载单元12a和第二加载单元12b分别设置在两块加载板11a
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1和11a
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2的后方，直接作用于加载板11a
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1和11a
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2，提供试验时所需荷载。本实施例中，第一加载单元12a为对加载板11a
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2的中部进行加载的伺服电机加载器；第二加载单元12b包括两个伺服电机加载器12b
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1和12b
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2，分别对加载板11a的不同区域独立进行加载，并且伺服电机加载器12b
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1和12b
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2的位置可调整，例如，当进行剪切实验需要使加载板11a
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1倾斜移动时，可基于加载板11a
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1的倾斜程度调整伺服电机加载器12b
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1和12b
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2的在水平方向的位置，使得加载时伺服电机加载器12b
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1和12b
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2能够按照设定方式和路径对加载板11a
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1施加载荷。
24.红外测距模块13设置在装样模块11上，用于监测加载板11a的移动距离，进而获取
颗粒试样s加载后的应变状态。本实施例中，红外测距模块13包括安装在两块固定板11b和两块加载板11a
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1和11a
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2上的四个红外测距传感器13a。
25.压力传感模块14设置在装样模块11上、与第一加载单元12a和第一加载单元12b相对应的位置处，用于监测加载板11a压力。本实施例中，共设有三个压力传感器14，分别与三个伺服电机加载器相对应。
26.阵列摄像模块15设置在装样模块11上方，用于获取满足光弹测量、dic测量要求的颗粒图像。本实施例中，阵列摄像模块15包括多台可调节间距和角度的微型摄像机15a，通过这些摄像机对实验过程中颗粒进行拍摄，能够获取颗粒位置信息，并获取颗粒偏振图像或dic散斑图像，根据这些信息可以得到接触力或应变场数据。
27.光源模块16设置在装样模块11正下方，提供满足光弹测量、dic测量要求的光源。光源模块16能够发射平行光，可以为光弹测量提供光源，同时也作为颗粒位置信息监测，为dic监测提供增强光源。
28.检偏模块17用于光弹测量，它包括第一检偏镜17a和第二检偏镜17b。第一检偏镜17a可拆卸地设置在装样模块11和光源模块16之间，用于提供光弹测量所需的偏振光；第二检偏镜17b可拆卸地设置在阵列摄像模块15和装样模块11之间，用于摄像机前的检偏。
29.声发射监测模块18可拆卸地设置在装样模块11上，用于监测加载过程中颗粒试样s的声发射现象。本实施例中，如图1所示，声发射监测模块18包括多个声发射监测器18a，装样模块11的侧面和底部均设有多个用于安装声发射监测器的安装位，根据实验需要，可以将声发射监测器18a安装在装样模块11的侧面或底部相应位置处。
30.安装架19用于安装和承载各模块，并且安装架19上设置有多个安装位19a(安装孔)，可根据实验需要上下调整各模块之间的相对位置。安装架19的底部设有四个滑轮19b，滑轮上设有滑轮止动件，便于移动和定位。
31.采集控制模块20与动力加载模块12、红外测距模块13、压力传感模块14、阵列摄像模块15、光源模块16和声发射监测模块18通信相连，获取实验数据并控制动力加载模块12、红外测距模块13、压力传感模块14、阵列摄像模块15、光源模块16和声发射监测模块18的运行。本实施例中，采集控制模块20为计算机，能够获取和显示这些模块的监测和运行数据。
32.基于以上结构，本实施例所提供的颗粒体系多物理场观测实验平台10的具体使用方法为：
33.(1)将各模块按照图1所示顺序安装好，根据不同的实验目的可以对位置及顺序进行调整，如进行光弹实验测量时，必须安装检偏模块17，进行dic实验时，应移除检偏模块17，进行声发射监测时，可以根据观测需要，调整声发射监测模块18位于装样模块11底部或者两侧，下面以光弹实验测量等比例应变加载为例介绍后续操作；
34.(2)将颗粒试样s摆放在装样模块11的容纳腔内；
35.(3)等比例应变加载实验需要保持两加载板11a相互垂直，因此使用矩形的销钉连接件11c，将加载板11a
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1和11a
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2移动调整至加载初始位置；
36.(4)打开光源模块16，为试验提供稳定的强光源；
37.(5)打开阵列摄像模块15，对颗粒初始状态进行采集；
38.(6)通过采集控制模块20设定动力加载模块12的加载应力路径或应变路径，如采用等比例应变加载路径，应变控制为：
[0039][0040]
其中，ε1，ε2为x,y轴向应变，r为控制不同加载方向比例关系的比例系数，r＝1时，加载路径为等体积加载，0＜r＜1时为颗粒集合体膨胀，r＞1时为颗粒集合体压缩，设定完毕后，动力加载模块12将按照此应力路径进行加载；
[0041]
(7)红外测距模块13、压力传感模块14、阵列摄像模块15持续获取颗粒信息；
[0042]
(8)采集控制模块20获取和记录压力传感模块14监测的应力信息，红外测距模块13监测的应变信息，阵列摄像模块15的多角度颗粒图片信息。然后采集控制模块20对获取和记录的信息进行分析处理即可得到颗粒个体的接触力信息，或者由实验员对获取到的数据直接进行处理。
[0043]
进一步，基于本实施例所提供的颗粒体系多物理场观测实验平台10还可以基于声发射监测模块18监测的声发射现象，得到声发射频谱信息；然后基于dic实验获取dic散斑图像；进而，由采集控制模块20或者实验员基于这些数据信息处理得到试验过程中的应力应变曲线、应力历程曲线、应变历程曲线、颗粒力链分布图、接触力分布曲线及声发射频谱等，从而实现了复杂应力、应变路径下的颗粒接触力多物理场测量。
[0044]
以上实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的颗粒体系多物理场观测实验平台并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本实用新型所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。