用于超重力环境的多向动力物理模拟实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种实验装置及实验方法，尤其涉及一种用于超重力环境的多向动力物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

地质构造的物理模拟已有二百多年的研究历史。这一领域的研究直到上个世纪30年代相似性理论的建立(hubbert,1937才得到实质性的发展，并最终成为地质构造变形规律、形成过程和成因机制研究的最主要手段。长期以来，人们利用常重力构造物理模拟装置对地质构造过程开展有过全面研究，极大地推进了构造地质学的研究与认识水平。

构造变形物理模拟方法在国内外构造地质学研究领域取得了显著成效，国内外一些著名大学和研究所纷纷建立了各自的相关实验室，例如，美国斯坦福大学、赖斯大学、英国伦敦大学、瑞士伯尔尼大学等。在国内，南京大学、中国地质大学(北京)、成都理工大学、中国石油大学(北京)等高校相继建立了构造物理模拟实验室，主要用于模拟构造变形物理模拟的实验研究。然而，大多数构造物理模拟实验是在正常重力条件下的砂箱实验中完成的。常重力构造物理模拟实验在涉及岩石流动变形(如地幔柱上涌、软流圈对流、下地壳流动和岩浆及膏盐地层底辟)等问题的深层构造过程物理模拟方面存在很大的局限，常重力构造物理模拟实验可以模拟逼真的构造变形形态，但实验缺少了构造变形的应力影响因素。

对于涉及重力的地学问题，离心机具有不可替代的作用。使用离心机，可以实现正常重力几百倍、甚至1000倍以上的超重力环境，因此能把实际地质体缩小成一个地质模型，在实验室里对它进行研究。对于地壳中的岩石，重力是控制其破坏和变形的主要因素，使用离心机进行有关的物理模拟实验是必然选择。瑞典uppsala大学ramberg实验室率先开展了基于离心机超重力环境的物理模拟研究(ramberg,1967，随后加拿大皇后大学和意大利佛罗伦萨大学等构造模拟实验室也相继开展了这方面工作，国外学者也发表了相应的研究成果(harris&koyi(2003,jsg)、acocella(2008,epsl)、noble&dixon(2011,jsg)、corti&dooley(2015,tectonophysics)、dietl&koyi(2011,jsg)等。

开展离心机超重力环境下的模拟实验是解决常重力构造物理模拟实验存在问题的有效途径，然而由于长臂大型离心机结构复杂造价高昂，离心机超重力场环境的物理模拟绝大多数采用造价较低、尺寸较小鼓式离心机。尽管这些鼓式离心机地质构造模拟装置的最高重力加速度可达1000g以上，但实验模型的尺寸极小(最大十多厘米，难以精细模拟实际地质构造现象，并且由于实验舱空间狭小，无法像常重力实验装置那样配备施力部件和实时观测仪器，难以精密控制变形速率和同步记录变形全过程。在我国，针对离心机环境下地质构造的模拟实验研究的实例还非常少，绝大多数离心机模拟实验主要应用于岩土工程结构的应力变形特性和渗透特性的研究。如中国水利水电科学研究院土木工程实验室拥有大型土工离心模型试验机，离心机环境下应用于构造模拟实验的相关设备目前则几乎没有。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是提供一种为研究人员提供超重力环境地质构造演变过程模型的多向动力物理模拟实验装置；本发明的第二目的是提供利用该实验装置的实验方法。

技术方案：本发明用于超重力环境的多向动力物理模拟实验装置，包括实验箱和动力装置，所述实验箱由位于前后两侧的定长实验板和位于左右两侧的伸缩板组成的封闭结构，其中，所述伸缩板包括位于中间的伸缩固定板和位于两侧并与定长实验板移动接触的伸缩移动板，定长实验板、伸缩固定板和伸缩移动板竖直布置，实验箱内放置实验材料；在动力装置的作用下定长实验板前后移动并带动伸缩板伸缩运动，伸缩板沿定长实验板左右移动，用以挤压/拉伸变形实验箱内的实验材料。

其中，所述动力装置包括分别与定长实验板和伸缩板连接的推拉部件，所述推拉部件下方设有转向连接板和支撑轨道，推拉部件通过转向连接板在支撑轨道上滑动调整定长实验板和伸缩板的移动方向。

进一步地，所述推拉部件下方并排设置两个转向连接板和两个支撑轨道，可实现任意角度转向。

本发明的推拉部件可以为液压缸，或者由电机及其驱动的丝杆组成。

本发明的定长实验板的顶部安装设有重量支撑滑轨，该重量支撑滑轨通过活动支撑架、伸缩滑块和重量支撑滑块与伸缩固定板连接。

本发明的伸缩固定板上设有伸缩移动滑轨，该伸缩移动滑轨通过滑块连接伸缩移动板连接。

优选的，所述伸缩移动板与定长实验板的移动接触部位设有密封条。

本发明中，实验箱设于离心机吊篮内，离心机上还设有运动控制设备，该运动控制设备通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该运动控制设备通过导电线和信号线连接吊篮内的实验装置。

进一步地，实验箱设于离心机吊篮内的实验舱中，运动控制设备为动力控制柜，该动力控制柜通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该动力控制柜通过导电滑环连接离心机外旋转中心的液压站和液压控制柜，液压站和液压控制柜分别与离心机转臂上的液压线路和导电线及信号线连接，液压线路和导电线及信号线通过滑环与实验舱内实验装置连接。

本发明用于超重力环境的多向动力物理模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)在离心机运转前，常重力环境下，调整实验箱并将实验材料铺设到实验箱内，将实验箱安装到离心机吊篮内的实验舱中，连接好有关线路；

(2)预设定离心机转速或直接设定重力值，启动离心机，待离心机运转达到设定重力值时，离心机吊篮高速旋转并处于水平状态；启动电脑，设定推/拉运动速率和运动距离，由推拉部件带动伸缩移动板、伸缩固定板及定长实验板开始运动，实验箱内材料开始变形；

(3)记录实验箱内材料的变形数据；

(4)当伸缩移动板、伸缩固定板及定长实验板运动的距离达到预先设定值时，停止运动，关闭离心机，离心机吊篮恢复悬挂垂直状态，取出实验装置，对记录的变形数据进行实验研究。

有益效果：与现有技术相比，本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置，在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的多向动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验，实验箱内的多向动力构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

附图说明

图1为本发明多向动力物理模拟实验装置的俯视图；

图2为本发明多向动力物理模拟实验装置的a向侧视图；

图3为本发明多向动力物理模拟实验舱的b向侧视图；

图4为离心机超重力环境下本发明多向动力物理模拟实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

基于长臂大型离心机的构造物理模拟实验不仅可在超重力环境下凸显岩石的流动变形效应，可模拟大尺度深层构造演化过程，可为涉及岩石圈尺度的深层构造过程模拟提供最为有效的研究手段，可望成为解决地球科学重大基础理论问题的重要创新研究手段。但是，在离心机环境下实现动力驱动实验箱本身就是困难的，在160g以下的超重力环境，可以用电机驱动实验，但160-300g的超重力环境，电机不能正常工作，申请人尝试用液压缸驱动。在离心机环境下进行大尺寸构造物理模拟实验需要很多创新的设计，因为实验箱的各个部件都承受了自身160-300倍的重力影响，活动的板会因大摩擦力而变形损坏，因为离心机吊篮的承重有限制，不能无限加厚运动板的厚度(增加重量)，本发明不仅解决了这个问题，还可以实现多方向的动力加载。

本发明提供了一种离心机超重力环境下深层构造的多向动力物理模拟实验装置及实验方法，在常重力下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置，在1-300g离心力条件下，对构造物理模拟实验箱的多向动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层构造物理模拟实验，实验箱内的多向动力构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

如图1-3所示，实验箱26由两侧的伸缩移动板19和定长实验板22组成，伸缩移动板19、伸缩固定板21和定长实验板22与分布于四个方向的液压缸12的推动杆连接。

本发明中，伸缩移动板19和伸缩固定板21是长度可变化的，定长实验板22长度不变化。

具体实施中，伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22在制造时应充分考虑300g超重力环境下的侧向应力，需承受实验箱26内材料的侧向压力(300g离心环境)不变形，并且需承受运动状态下实验箱26内材料的侧向压力(300g离心环境)，在运动状态下伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22不变形。伸缩移动板19和定长实验板22与实验箱底板14采用密封材料紧密接触，优选的，伸缩移动板19及定长实验板22接触的两侧安装有特氟龙密封条，用于防止实验箱26内的材料泄露，并减少伸缩移动板19及定长实验板22接触的摩擦力，计算活动伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22的推(拉)力大小时，需计算摩擦力。具体实施中，定长实验板22两侧实验箱底板上设有滑轨27和滑块28，通过滑块28在滑轨27上移动，可以减小定长实验板22移动时的摩擦力。

本发明如果采用四个方向移动板，无需设置透明板，因为连接液压缸12或电机的法兰影响观察，但如果采用三个方向移动板，另一个不移动的板就可以使用透明板。

伸缩移动板19和定长实验板22必须竖直布置，这是平行离心力方向；相邻板的夹角不一定为90度，但不可为任意角度，夹角一般在80度-110度范围，夹角角度过大或过小会无法密封实验箱内部材料，且会出现板移动时不灵活的现象。

定长实验板22顶部安装有重量支撑滑轨18，重量支撑滑轨18通过活动支撑架15、伸缩滑块16和重量支撑滑块17与伸缩固定板21连接。伸缩移动滑轨20安装于伸缩固定板21上，伸缩移动滑轨20通过滑块连接伸缩移动板19连接，伸缩固定板21加伸缩移动板19的联合机构在定长实验板22内移动。

具体来说，伸缩滑块16重量支撑滑块17重量支撑滑轨18需承受300g离心环境下伸缩移动板19的重量，并能自由活动。重量支撑结构的目的是减少伸缩板移动过程中因为离心力加大而产生的摩擦力影响。

液压缸12通过转向连接板13及支撑轨道23安装于实验箱底板14上，液压缸12可通过转向连接板13及支撑轨道23调整施加力的方向。

具体实施中，集成的液压缸12推力需大于实验箱26内的实验材料的侧向压力(300g离心环境)，为了保证集成的液压缸12在300g离心环境下的正常运行，液压缸12需特殊设计并能在300g环境正常运行。

如图4所示，在离心机1上的离心机吊篮2内安装有实验舱3，实验舱3底部中心水平安装了构造变形的实验箱26，在离心机1之外，控制电脑8利用有限或无线的方式与离心机1顶部安装的动力控制柜4连接，动力控制柜4通过导电滑环6与离心机1外旋转中心的液压站5及液压控制柜7连接；液压站5及液压控制柜7分别与离心机1转臂上的液压线路10和导电线及信号线9连接，导电线及信号线9和液压线路10通过滑环11与实验舱3内的多个液压缸12连接，实验舱3在离心机1运转达到一定重力加速度后开始工作。实验舱3顶部安装有三维扫描仪25，三维扫描仪25通过实验箱框架24安装于实验舱3顶部，其中，实验箱框架24需承受三维扫描仪25的重量，并在300g离心环境下不变形。

具体实施中，计算机软件给运动控制设备发送数值指令，运动控制设备给液压缸12或电机发送电(脉冲)信号，液压缸或电机根据电信号运动。

实验方法：

第一步：在离心机1运转前，常重力环境下，调整好定长实验板22与伸缩移动板19、伸缩固定板21的夹角，并将伸缩移动滑轨20与伸缩滑块16调整到与伸缩移动滑轨20、重量支撑滑轨18夹角对应的自由移动角度，将实验材料铺设到实验箱26内，将实验舱3安装到离心机1的离心机吊篮2内，连接好控制用的导电线及信号线9、液压线路10。

第二步：预设定离心机1转速或直接设定重力值(10-300g)，启动离心机1，等待离心机1运转达到设定重力值时，离心机吊篮2高速旋转，并处于水平状态；启动控制电脑8，设定推(拉)运动速率和运动距离，由液压缸12带动伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22开始运动，实验箱26内材料开始变形，其中，运动控制速率达到0.01mm/s。

第三步：在设定伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22开始运动的同时，控制电脑8同时控制开启三维扫描仪25，定时记录实验箱26内的材料变形顶部三维变形数据。

第四步：当伸缩移动板19、伸缩固定板21及定长实验板22运动的距离达到预先设定的值时，其自动停止运动。关闭离心机1运动，离心机吊篮2恢复悬挂垂直状态，从离心机吊篮2中取出实验舱3，取出三维扫描仪25中记录的数据，将实验箱26单独取出，对实验箱26内的变形材料切片照相，并对切片数据及三维记录数据进行实验研究。