一种热膨胀式三轴加载装置

1.本实用新型属于力学试验技术领域，具体涉及到一种热膨胀式三轴加载装置。


背景技术：

2.力学试验在工程技术领域极其普遍，在这些实验中，需要对被试对象进行力的加载，比如典型的金属和岩体的材料力学试验，乃至土体的力学试验。许多强度较高的材料往往需要施加较大荷载才能达到目的。对于现有的基于泵做功的机械加载实验技术，施加更大的荷载意味着更大的投资。近年来，随着工程建设的不断发展，例如，深部能源资源和深部地下空间的开发利用研究日益受到高度重视并得到不断推进，许多都需要实现高应力加载，也催生了高应力大型模型实验的需求。因此，如何控制成本并实现有效的高应力加载支撑大型试验是许多工程力学研究的迫切需求。
3.在各种加载试验方法中，试样尺寸是决定性因素之一。广泛使用的小圆柱试样(φ 50mm
×
100mm)实际上是研究被试验对象的材料性质，难以真正代表或模仿研究对象(比如大的岩体)的“结构特性”。为此，常常需要开展所谓的“模型”实验。模型实验的试样尺寸要显著增加。经过合理设计的模型实验具有很大的价值。由于试样尺寸较大，模型试验提供了揭示更多实验现象的可能性，其试验结果往往和实际工程情况具有较好的相似性，对实际工程的指导也更有真针对性。
4.然而，试验系统的荷载输出与试样尺寸的平方成正比。例如，同样实现60mpa的应力， 100mm
×
100mm的截面所需荷载为0.6mn，当试样尺寸为1m
×
1m
×
1m时，所需载荷增加为 60mn，这是一个庞大的吨位。目前普遍使用液压加载方式，这样的吨位不仅导致油缸、加载框架极其庞大，而且造价也异常高昂。可见，在较低的成本条件下，对大尺寸模型试样施加高应力是难以实现的。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种热膨胀式三轴加载装置，是一种通过在周围介质上产生温度变化并产生温度应力施加于被试对象的装置，以模拟被试对象在不同状态下的受力情况，其试验结果往往和实际工程情况具有较好的相似性；本实用新型所述加载方法可针对金属、岩石等多种材料，实现被试对象的真三轴、常规三轴、三向等压等应力状态的加载，应用情况广泛；更重要的是，当周围介质温度降低时，还可以实现力的卸载；本实用新型所述装置结构简单，劳动强度低，稳定性高，有望显著降低构造成本与人员成本。
6.为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
7.一种热膨胀式三轴加载装置，包括：周围介质2、上端盖31、下底板32、纵向加载压头 4、热源项51、中间热箍筒52、温度控制开关6、保温层7、温度传感器及压力传感器；其中筒壁内置有热源项51的中间热箍筒52套置在上端盖31内，上端盖31底部与下底板32固定连接，中间热箍筒52内壁均匀布置有四个周围介质2，每个周围介质2的外侧壁均与中间热箍
筒52的内壁贴合，且每个周围介质2内部均放置有温度传感器及压力传感器，保温层7包裹在上端盖31主体筒体外侧。
8.所述周围介质2采用热膨胀系数大于10
‑7℃
‑1的材料，且所述上端盖31、下底板32、中间热箍筒52、纵向加载压头4均采用热膨胀系数小于周围介质2热膨胀系数0.001倍的材料。
9.所述周围介质2的外侧壁为用于与中间热箍筒52内壁贴合的曲面，且周围介质2的外侧壁设有定位条26，周围介质2通过其外侧壁上的定位条26与中间热箍筒52内壁的定位槽521 配合连接，周围介质2的内侧壁为平面，且周围介质2的内侧壁上设有沟槽25，沟槽25内放置有温度传感器及压力传感器，温度传感器及压力传感器的引线均沿着沟槽25延伸至上端盖31，并从上端盖31顶端的引线孔穿出。
10.所述上端盖31顶端开有方形通孔，方形通孔四周的上端盖31上设有四个用于温度传感器及压力传感器引线穿出的引线孔，上端盖31底部裙边开有多个螺栓孔，用于与下底板32 连接。
11.所述下底板32内圈设有多个用于热源项51引线穿出的竖向通孔，下底板32上沿周向开有多个螺栓孔，用于与上端盖31连接。
12.所述纵向加载压头4通过上端盖31顶端方形通孔与被试对象1纵向端面接触。
13.所述热源项51为电磁圈或加热电阻丝。
14.所述中间热箍筒52内部均匀布置四个定位槽521，与周围介质2外侧壁的定位槽21配合，中间热箍筒52套置在上端盖31内部，且中间热箍筒52外侧壁与上端盖31筒体内侧壁贴合。
15.本实用新型的有益效果：
16.(1)本实用新型首次实现将环境温度变化转化为周围介质变形能力，进而转化为温度应力施加于被试对象上，可实现大尺寸模型试样的高应力加载及卸载过程；
17.(2)本实用新型可通过周围介质是否选用及材质选择等手段，实现被试对象的真三轴、常规三轴、双轴、单轴等应力状态的加载及卸载，满足多种加载需求；
18.(3)本实用新型配备全新加载方式，以及全新结构的压力室，相比现有的加载的方式及装置，能节省部分加载环节，且本实用新型结构更为简单，在实际操作上可大大降低人员的劳动强度，有望显著降低构造成本与人员成本；
19.(4)本实用新型装置可以根据所需的温度、应力条件，将周围介质更换为具有相同或不同热膨胀系数金属或合金材料，从而可以满足不同温度及应力条件下大尺寸模型试样的常规三轴或真三轴试验；
20.(5)本实用新型可应用于金属、岩石等各种材料和对象需要高温高压加载的场合，成本较低，实用性广，推广性强。
附图说明
21.图1为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置的结构示意图；
22.图2为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置的整体结构示意图；
23.图3为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置中部分结构示意图；
24.图4为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置中部分结构俯视图；
25.图5为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置中部分结构横向剖面图；
26.图6为本实用新型一种热膨胀式三轴加载装置中周围介质结构示意图；
27.图中：1被试对象、21第一周围介质、22第二周围介质、23第三周围介质、24第四周围介质、25沟槽、26定位条、31上端盖、32下底板、4纵向加载压头、51热源项、52中间热箍筒、521定位槽、6温度控制开关、7保温层。
具体实施方式
28.实施例1
29.一种热膨胀式三轴加载装置，包括：周围介质2、上端盖31、下底板32、纵向加载压头 4、热源项51、中间热箍筒52、温度控制开关6、保温层7、温度传感器及压力传感器；其中筒壁内置有热源项51的中间热箍筒52套置在上端盖31内，上端盖31底部与下底板32固定连接，中间热箍筒52内壁均匀布置有4个周围介质2，每个周围介质2的外侧壁均与中间热箍筒52的内壁贴合，且每个周围介质2内部均放置有温度传感器及压力传感器，保温层7包裹在上端盖31主体筒体外侧，用于保温，减少热损失。
30.所述周围介质2采用热膨胀系数大于10
‑7℃
‑1的材料，且所述上端盖31、下底板32、中间热箍筒52、纵向加载压头4均采用热膨胀系数小于周围介质2热膨胀系数0.001倍的材料。
31.所述周围介质2的外侧壁为用于与中间热箍筒52内壁贴合的曲面，且周围介质2的外侧壁设有定位条26，周围介质2通过其外侧壁上的定位条26与中间热箍筒52内壁的定位槽521 配合连接，周围介质2的内侧壁为平面，且周围介质2的内侧壁上设有沟槽25，沟槽25内放置有温度传感器及压力传感器，温度传感器及压力传感器的引线均沿着沟槽25延伸至上端盖31，并从上端盖31顶端的引线孔穿出。
32.所述上端盖31顶端开有方形通孔，方形通孔四周的上端盖31上设有4个用于温度传感器及压力传感器引线穿出的引线孔，上端盖31底部裙边开有多个螺栓孔，用于与下底板32 连接。
33.所述下底板32内圈设有多个用于热源项51引线穿出的竖向通孔，下底板32上沿周向开有多个螺栓孔，用于与上端盖31连接。
34.所述纵向加载压头4通过上端盖31顶端方形通孔与被试对象1纵向端面接触，并施加纵向载荷。
35.所述热源项51为电磁圈或加热电阻丝，直接提供热量，热源项51的引线接入温度控制开关6。
36.所述中间热箍筒52内部均匀布置4个定位槽521，与周围介质2外侧壁的定位槽21配合，中间热箍筒52套置在上端盖31内部，且中间热箍筒52外侧壁与上端盖31筒体内侧壁贴合。
37.应用上述一种热膨胀式三轴加载装置进行热膨胀式三轴加载的方法，包括如下步骤：
38.步骤一：制备方形被试对象1，并对被试对象1外端面进行找平、打磨；
39.步骤二：将热源项51的引线通过下底板32竖向通孔接入到温度控制开关6；
40.步骤三：将步骤一所得被试对象1放置于第一周围介质21和第二周围介质22中间，
使第一周围介质21和第二周围介质22的内侧壁分别与被试对象1在x方向的两侧外端面贴合；
41.将第三周围介质23、第四周围介质24的内侧壁分别与被试对象1在y方向的两侧外端面贴合；
42.步骤四：手动预紧，使四个周围介质的内侧壁与被试对象1四边的外端面完全贴合，使四个周围介质外侧壁分别与中间热箍筒52的内壁面完全贴合；
43.步骤五：将温度及压力传感器引线通过上端盖31顶端四个引线孔引出，引线接入到外部数据采集卡；
44.步骤六：启动温度控制开关6，加热热源项51，使其温度达到80～300℃，加热过程中被试对象1承受四个周围介质作用的温度应力，通过读取各个周围介质内的温度传感器及压力传感器的数据来获取被试对象1的温度及所受压力；
45.步骤七：当各个周围介质内的温度传感器及压力传感器数据达到试验设计所需温度及压力值时，说明被试对象1的温度及压力达到试验设计所需，关闭温度控制开关6，停止继续加热，通过保温层7实现保温；
46.步骤八：调整纵向加载压头4的方向，使纵向加载压头4通过上端盖31的方形通孔与中间热箍筒52及周围介质内部的被试对象1的上端面接触，再将立式油压千斤顶的气缸杆与纵向加载压头4接触，立式油压千斤顶的气缸杆通过纵向加载压头4对被试对象1施加逐渐增大的载荷，直至被试对象1的纵向压力达到试验所需，完成对被试对象1的三轴加载试验；
47.步骤九：完成加载试验后，弹出纵向加载压头4，使其脱离被试对象1，并摘除保温层7；
48.步骤十：启动温度控制开关6，加热热源项51，使其温度达到室温，实现对四个周围介质进行反向加热，当各个周围介质内的压力传感器数据均为零时，说明被试对象1的所受压力恢复为零，停止加热，即关闭温度控制开关6，完成对被试对象1的应力卸载过程。
49.所述若中间热箍筒52内的四个周围介质为拥有相同热膨胀系数的材料，本方法为针对被试对象1进行的常规三轴试验；
50.若中间热箍筒52内横向相对设置的两个周围介质为相同热膨胀系数材料，纵向相对设置的两个周围介质2为另一热膨胀系数值的材料，即第一周围介质21和第二周围介质22为相同热膨胀系数材料，第三周围介质23、第四周围介质24为另一热膨胀系数值的材料，本方法为针对被试对象1进行的真三轴加载试验。
51.所述热膨胀式三轴加载方法，具体包括如下内容：将被试对象1包裹在周围介质2内，并与周围介质2紧密贴合，再对周围介质2进行加热，加热过程中限制周围介质2除目标加载方向外的变形为零，使得周围介质2由于温度变化和变形约束产生温度应力，施加于被试对象1，实现对被试对象1的应力加载；加载完成后对周围介质2进行退温，使周围介质2 由于温度变化和变形收缩，与被试对象1的接触解除，实现对被试对象1的应力卸载过程。
52.所述热膨胀式三轴加载方法，其特点是：根据加载目的的不同，通过控制周围介质2所产生温度应力单向对等、双向对等、双向不对等、三向全对等、三向部分对等、三向完全不对等施加的手段，分别实现被试对象单轴、双向等压、双向不等压、三向等压、常规三轴、真三轴温度应力状态的加载。
53.所述热膨胀式三轴加载方法，其特点是：不对被试对象1类型有限制，金属或岩石或混凝土材料。
54.实施例2
55.本实用新型的核心思想在于：利用周围介质由于温度变化所产生的温度应力实现对被试对象的加载及卸载过程。
56.如附图1～6所示，一种热膨胀式三轴加载装置，包括：第一周围介质21、第二周围介质 22、第三周围介质23、第四周围介质24、上端盖31、下底板32、纵向加载压头4、热源项 51、中间热箍筒52、温度控制开关6、保温层7；所述第一周围介质21、第二周围介质22内侧壁与被试对象1的x方向外端面贴合；所述第三周围介质23、第四周围介质24内侧壁与被试对象1的y方向外端面贴合；所述第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质 23、第四周围介质24的内侧壁均开有竖向沟条26，用于放置温度及压力传感器；所述上端盖31与所述下底板32通过螺栓连接；所述上端盖31开有与被试对象1尺寸形状相同的方形通孔，便于纵向加载压头4的加入；所述上端盖31开有4个引线孔，温度及压力传感器引线从引线孔引出，连接数据采集卡；所述下底板32开有若干圆形引线孔，热源项5的引线从引线孔引出，连接温度控制开关6；所述中间热箍筒52与所述下底板32固定连接；所述纵向加载压头4与被试对象1上端面接触，并施加轴向载荷；所述中间热箍筒52内壁面定位槽 521与周围介质外侧壁定位条26重合安装；所述中间热箍筒52外壁面与上端盖31主体筒体内壁面紧密贴合；所述中间热箍筒52筒壁开有非贯通管道，用于放置热源项51；所述保温层7与上端盖31主体筒体外壁面紧密贴合，以减少热损失。
57.本实用新型装置所述第一周围介质21、第二周围介质22选用热膨胀系数相同且较大的材料；第三周围介质23、第四周围介质24选用热膨胀系数相同且较大的材料；根据不同的加载目的，第一周围介质21、第二周围介质22与第三周围介质23、第四周围介质24可选用相同或不同热膨胀系数材料，以实现对被试材料1的常规三轴或真三轴加载；所述上端盖31、下底板32、中间热箍筒52均采用刚度大、变形小、热膨胀系数远小于四个周围介质2的材料。
58.本实用新型装置所述温度控制开关6控制热源项51的升温或降温，热量经由中间热箍筒 52均匀传递给第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24，温度变化促使第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24发生变形，同时：本实用新型装置所述上端盖31限制第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24轴向向上的变形，所述下底板32限制第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24轴向向下的变形，所述中间热箍筒52限制第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24环向向外的变形，以上约束均通过面接触实现，至此第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24的变形只能为环向向内，从而“挤压”被试对象1，实现对被试对象1的加载试验；或，退温情况下，第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24产生变形收缩，其内侧壁与被试对象1外端面脱离，实现对被试对象1的卸载试验。
59.为更好的解释本实用新型的可实施性，做如下算例：
60.(1)算例：真三轴加载
61.第一周围介质21、第一周围介质22采用标号为4cr5mosiv的热作模具钢，在20℃～
300℃下其线膨胀系数为11.4
×
10
‑6℃
‑1，弹性模量为216000mpa；第三周围介质23、第四周围介质 24采用标号为4cr5w2vsi热作模具钢，在20℃～300℃下其线膨胀系数为8.7
×
10
‑6℃
‑1，弹性模量为210000mpa；上端盖31、下底板32、中间热箍筒52均采用冷作模具钢，其热膨胀忽略不计。
[0062][0063]
式中ε为由于周围介质热膨胀产生的应变，l为周围介质厚度，α为周围介质线膨胀系数(℃
‑1)，e为周围介质的弹性模量(mpa)，σ为周围介质产生的应力(mpa)，t为加热温度(℃)。
[0064]
根据公式(1)做如下计算：考虑第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24的厚度均为85mm；
[0065]
加热至300℃情况下，第一周围介质21、第二周围介质22因受热产生的应力由公式(2) 计算为：
[0066][0067]
加热至300℃情况下，第三周围介质23、第四周围介质24因受热产生的应力由公式(3) 计算为：
[0068][0069]
由于σ2＝738.72mpa≠σ3＝548.1mpa，因此可以认为本实用新型在现有技术支持下可以实现真三轴加载。
[0070]
(2)算例：常规三轴加载
[0071]
第一周围介质21、第二周围介质22和第三周围介质23、第四周围介质24均采用标号为4cr5mosiv的热作模具钢，在20℃～300℃下其线膨胀系数为11.4
×
10
‑6℃
‑1，弹性模量为 216000mpa；上端盖31、下底板32、中间热箍筒52均采用冷作模具钢，其热膨胀忽略不计。
[0072]
根据公式(1)做如下计算：考虑第一周围介质21、第二周围介质22、第三周围介质23、第四周围介质24的厚度均为85mm；
[0073]
加热至300℃情况下，第一周围介质21、第二周围介质22因受热产生的应力由公式(4) 计算为：
[0074][0075]
加热至300℃情况下，第三周围介质23、第四周围介质24因受热产生的应力由公式
(5) 计算为：
[0076][0077]
由于σ2＝738.72mpa＝σ3＝738.72mpa，因此可以认为本实用新型在现有技术支持下可以实现常规三轴加载。
[0078]
利用上述装置进行模型三轴加载及卸载试验的具体方法，具体步骤如下：
[0079]
步骤一：制备方形被试对象1，并对被试对象1外端面进行找平、打磨；
[0080]
步骤二：将热源项51置于中间热箍筒52筒壁内，中间热箍筒52置于下底板32之上，热源项51的引线通过下底板32底部引线孔接入到温度控制开关6；
[0081]
步骤三：将第一周围介质21、第二周围介质22外侧壁定位条26与中间热箍筒52内壁定位槽521配合安装；
[0082]
步骤四：将温度及压力传感器放置在第一周围介质21、第二周围介质22内侧壁沟槽25 内，传感器引线从沟槽22引出；
[0083]
步骤五：将步骤一所得被试对象1放置于第一周围介质21、第二周围介质22中间，使第一周围介质21、第二周围介质22内侧壁与被试对象1的x方向外端面贴合；
[0084]
步骤六：将温度及压力传感器放置在第三周围介质23、第四周围介质24内侧壁沟槽25 内，传感器引线从沟槽25引出；
[0085]
步骤七：将第三周围介质23、第四周围介质24外侧壁定位条26与中间热箍筒52内壁定位槽521配合安装，并使其内侧壁与被试对象1的y方向外端面贴合；
[0086]
步骤八：手动预紧，使四个周围介质内侧壁与被试对象1外端面完全贴合，使四个周围介质外侧壁与中间热箍筒52内壁面完全贴合；
[0087]
步骤九：将温度及压力传感器引线通过上端盖31顶部四个引线孔引出，引线接入到外部数据采集卡；
[0088]
步骤十：利用螺栓将上端盖31与下底板32进行组装，形成完整刚性系统；
[0089]
步骤十一：将保温层7套在上端盖31主体筒体外壁；
[0090]
步骤十二：启动温度控制开关6，加热热源项51(目标：高温)，加热过程中被试对象1 承受周围介质2作用的温度应力，通过读取各个周围介质2的温度及压力传感器数据来获取被试对象1的温度及所受压力；
[0091]
步骤十三：当被试对象1的温度及压力传感器数据达到试验设计温度及压力值时，说明被试对象1的温度及压力达到试验设计所需，关闭温度控制开关6，停止继续加热，通过保温层7实现保温；
[0092]
步骤十四：调整纵向加载压头4的方向，使压头4通过上端盖31的方形通孔与中间热箍筒52及周围介质2内部的被试对象1的上端面接触，再将立式油压千斤顶的气缸杆与压头4 接触，立式油压千斤顶的气缸杆通过压头4对被试对象1施加逐渐增大的载荷，直至被试对象1的纵向压力达到试验所需，完成对被试对象1的三轴加载试验；
[0093]
步骤十五：完成加载试验后，弹出纵向加载压头4，使其脱离被试对象1；
[0094]
步骤十六：摘除保温层7，注意防止高温烫伤；
[0095]
步骤十七：启动温度控制开关6，加热热源项51(目标：低温)，对周围介质进行反向
加热，当各个周围介质内的压力传感器数据均为零时，说明被试对象1的压力恢复为零，停止加热，即关闭温度控制开关6，完成对被试对象1的应力卸载过程。