复杂变刚度三维模型边界控制板的制作方法

1.本发明涉及岩土试验技术领域，具体涉及一种复杂变刚度三维模型边界控制板。


背景技术：

2.岩土工程相似模型试验由于实施难度较小，门槛相对较低，且能较为准确再现实际岩土工程问题的变形规律和破坏特征，是当前研究岩土工程问题的重要研究手段，也是使用最为广泛的研究手段。
3.然而当前岩土相似模型箱通常为简单矩形、梯形框，无内部边界支撑，因而难以制备具有复杂三维形态的高精度岩土相似模型。同时，相似材料未固化前强度较低，制作过程中极易发生变形，且极易受到扰动而破坏，这不仅使得岩土相似模型制作成功率低，且制作精度难以保证。同样，受仪器设备和场地的极限荷载限制，模型试验尺寸普遍偏小，尤其是振动台模型试验、离心机模型试验。因模型尺寸较小，为提高相似模型的制作和试验成功率，只能降低模型制作精度，例如简化相似模型试验的形状、结构、材料组成。进一步，边界刚度不同，且开挖卸荷产生的变形和破坏特征不同，因而常规相似模型无法考虑内部边界刚度对开挖卸荷特征的影响。
4.综上，可以看出当前岩土相似模型制作精度低、制作成功率低，且现有岩土相似模型制作简单，难以准确反映复杂的实际岩土工程问题，亟待能够提高相似模型制作成功率和相似模型试验成功率的装置。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对当前岩土相似模型制作精度低、制作成功率低，且现有岩土相似模型制作简单，难以准确反映复杂的实际岩土工程的问题，提供一种复杂变刚度三维模型边界控制板。
6.一种复杂变刚度三维模型边界控制板，包括：
7.滑槽；
8.刚性边框，可滑动地安装于所述滑槽内，所述刚性边框设有两组，两组所述刚性边框分别从所述滑槽的两端伸出，两组所述刚性边框之间通过伸缩组件连接，所述伸缩组件的伸缩以改变两组所述刚性边框之间的距离；
9.三维边界控制器，安装于所述刚性边框内，所述三维边界控制器设有两组，两组所述三维边界控制器分别安装于两组所述刚性边框内；
10.位移杆，可移动地安装于所述三维边界控制器上，且多组所述位移杆在所述三维边界控制器上呈阵列分布；及
11.薄膜，覆盖于所述位移杆上，所述位移杆相对所述三维边界控制器的起伏能够使所述薄膜形变形成三维边界。
12.在其中一个实施例中，所述伸缩组件包括两个螺杆及螺母套筒，两个所述螺杆分别与两组所述刚性边框连接，两个所述螺杆分别螺合于所述螺母套筒的两端，且两个所述
螺杆的螺纹旋向相反。
13.在其中一个实施例中，所述伸缩组件还包括力臂杆，所述力臂杆与所述螺母套筒连接，且所述力臂杆伸出所述滑槽外。
14.在其中一个实施例中，所述三维边界控制器为柔性材料制成，所述三维边界控制器开设有供所述位移杆穿设的安装孔，所述安装孔的侧壁变形夹持所述位移杆。
15.在其中一个实施例中，所述三维边界控制器通过固定结构安装于所述刚性边框内，所述固定结构包括挤压板及连接组件，所述挤压板设置于所述三维边界控制器上，所述连接组件连接所述挤压板和所述刚性边框，所述挤压板配合所述刚性边框竖向夹持所述三维边界控制器，以使所述安装孔的侧壁向内变形夹持所述位移杆。
16.在其中一个实施例中，所述连接结构包括压紧螺栓、螺母及挤压垫片，所述压紧螺栓依次穿过所述刚性边框、所述三维边界控制器和所述挤压板，然后通过所述螺母锁紧固定，所述挤压垫片套设于所述压紧螺栓上，所述挤压垫片位于所述螺母和所述挤压板之间。
17.在其中一个实施例中，还包括刚度可控的边界体，所述边界体安装于位移杆上，所述薄膜覆盖于所述边界体上。
18.在其中一个实施例中，所述边界体为边界球或者边界块。
19.在其中一个实施例中，所述刚性边框远离所述滑槽的端部设有弹性摩阻垫。
20.在其中一个实施例中，所述弹性摩阻垫为橡胶条，所述薄膜为硅胶制成。
21.上述复杂变刚度三维模型边界控制板至少具有以下优点：
22.伸缩组件伸缩以改变两组刚性边框之间的距离，进而改变控制板的长度，实现固定在模型箱内。通过控制位移杆的起伏，形成初步封闭的三维边界，薄膜可以进一步保证三维边界的连续性和光滑性，提高三维边界精度。通过多个边界控制板的组合，可以灵活地在模型箱内部形成复杂的三维内部边界，从而制作具有复杂三维地形起伏的岩土相似模型，有效提高当前岩土相似模型的制作精度。
23.并且，生成的内部边界可以有效约束未固化前的相似材料变形，降低模型制备过程中对相似模型的扰动和破坏，进而提高相似模型的制备成功率和相似模型的试验成功率。三维边界控制板制作成本低、应用场景灵活，不仅可以用于岩土相似模型试验，也可以应用于其他需要复杂内部边界的场景，具有广泛的应用前景。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
25.图1为一实施方式中复杂变刚度三维模型边界控制板的结构示意图；
26.图2为图1所示复杂变刚度三维模型边界控制板的俯视图；
27.图3为图2中a-a线的剖视图；
28.图4为图1所示复杂变刚度三维模型边界控制板的立体剖视图；
29.图5为图1中力臂杆和螺母套筒连接的示意图；
30.图6为图3中挤压板和刚性边框竖向夹持三维边界控制器的示意图；
31.图7为三维边界控制器的安装孔向内变形夹持位移杆的示意图；
32.图8为多个位移杆起伏形成三维边界的示意图。
33.附图标记：
34.10-滑槽，20-刚性边框，22-伸缩组件，222-螺杆，224-螺母套筒，226-力臂杆，30-三维边界控制器，32-安装孔，40-位移杆，42-挤压板，44-连接组件，442-压紧螺栓，444-螺母，446-挤压垫片，50-薄膜，60-边界体，70-弹性摩阻垫。
具体实施方式
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
37.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
38.请参阅图1，一实施方式中的复杂变刚度三维模型边界控制板，用于固定于模型箱内，相似材料填充于复杂变刚度三维模型边界控制板的底部，复杂变刚度三维模型边界控制板可以在相似材料上形成复杂三维边界。
39.具体地，复杂变刚度三维模型边界控制板包括滑槽10、刚性边框20、三维边界控制器30、位移杆40及薄膜50。刚性边框20可滑动地安装于所述滑槽10内，所述刚性边框20设有两组，两组所述刚性边框20分别从滑槽10的两端伸出。两组所述刚性边框20之间通过伸缩组件22连接，所述伸缩组件22的伸缩以改变两组刚性边框20之间的距离。
40.请参阅图2及图3，在一实施方式中，伸缩组件22包括两个螺杆222及螺母套筒224，两个所述螺杆222分别与两组刚性边框20连接。两个螺杆222分别螺合于螺母套筒224的两端，且两个螺杆222的螺纹旋向相反。其中，通过转动螺母套筒224，可以实现两个螺杆222伸出螺母套筒224外，或者缩回到螺母套筒224内，实现改变两组刚性边框20之间的距离，进而实现调节复杂变刚度三维模型边界控制板的长度。
41.可以理解的是，在其他实施方式中，伸缩组件22也可以采用其他结构，以实现驱动刚性边框20之间相互移动。例如，伸缩组件22可以采用液压杆、电动伸缩杆或者丝杆滑块等结构。
42.请参阅图5，进一步地，伸缩组件22还包括力臂杆226，力臂杆226与螺母套筒224连接，且力臂杆226通过滑槽10的开口穿出到滑槽10外。其中，力臂杆226可以对螺母套筒224提供客观的侧向压力，保证固定效果，避免螺母套筒224自转。具体地，螺母套筒224设有凹槽，力臂杆226插入到螺母套筒224的凹槽内，实现力臂杆226与螺母套筒224的连接。
43.请参阅图3及图4，三维边界控制器30安装于刚性边框20内，三维边界控制器30设有两组，两组三维边界控制器30分别安装于两组刚性边框20内。位移杆40可移动地安装于三维边界控制器30上，且多组位移杆40在三维边界控制器30上呈阵列分布。其中，通过控制
位移杆40在三维边界控制器30上的起伏，位移杆40的端部可以形成初步封闭的三维边界。
44.请一并参阅图6及图7，在一实施方式中，三维边界控制器30为高弹性的柔性材料制成，如采用高弹性的硅胶制成。刚性边框20具有容纳三维边界控制器30的腔体，三维边界控制器30放置于腔体内，刚性边框20设有供位移杆40穿出的孔洞。三维边界控制器30开设有供位移穿设的安装孔32，安装孔32的侧壁变形夹持位移杆40。
45.其中，安装孔32侧壁变形夹持位移杆40可以采用两种方式，一种是安装孔32的孔径小于位移杆40的直径，位移杆40卡入到安装孔32内，安装孔32的侧壁变形夹持位移杆40；另外一种是安装孔32变形类似腰形孔，安装孔32相对两侧的侧壁距离减小以夹持位移杆40。
46.在一实施方式中，三维边界控制器30通过固定结构安装于刚性边框20内，固定结构包括挤压板42及连接组件44，挤压板42设置于三维边界控制器30上，连接组件44连接加压板和刚性边框20，以实现挤压板42配合刚性边框20竖向夹持三维边界控制器30，三维边界控制器30被竖向夹持变形，以使安装孔32的侧壁向内变形夹持位移杆40。
47.请再次参阅图3及图4，在上述实施例的基础上，进一步地，连接结构包括压紧螺栓442、螺母444及挤压垫片446，压紧螺栓442依次穿过刚性边框20、三维边界控制器30和挤压板42，然后通过螺母444锁紧固定。挤压垫片446套设于压紧螺栓442上，挤压垫片446位于螺母444和挤压板42之间，挤压垫片446可以保护挤压板42，避免挤压板42被螺母444损伤。
48.请一并参阅图8，薄膜50覆盖于位移杆40上，位移杆40相对三维边界控制器30的起伏能够使薄膜50变形形成三维边界。具体地，薄膜50为高延伸率和硅胶薄膜50，位移杆40的端部可以形成初步封闭的三维边界，而薄膜50可以保证三维边界的连续性和光滑性，提高相似模型制作精度。
49.在一实施方式中，复杂变刚度三维模型边界控制板还包括刚度可控的边界体60，边界体60安装于位移杆40上，薄膜50覆盖于边界体60上。其中，边界体60的刚度可调整，从而产生刚度可控的内部边界，可以更好分析边界刚度相对相似模型变形和破坏的影响，提高相似模型试验的准确率和应用范围。
50.进一步地，薄膜50粘粘贴于边界体60上，避免薄膜50与边界体60相分离。边界体60可以为边界球或者边界块。当然，边界体60的形状也可以根据实际需求具体设置，如设置为规则或者不规则形状。边界体60之间可以相互接触，或者边界体60之间存在细微接缝，避免边界体60接触影响操作的稳定性。
51.在一实施方式中，刚性边框20远离滑槽10的端部设有弹性摩阻垫70，复杂变刚度三维模型边界控制板安装于模型箱内时，通过调节复杂变刚度三维模型边界控制板的长度，使整个复杂变刚度三维模型边界控制板的长度大于模型箱内部的宽度，弹性摩阻垫70将产生变形加压，产生可观的摩阻力，进而固定控制。具体地，弹性摩阻垫70可以为橡胶摩阻条。
52.上述复杂变刚度三维模型边界控制板的工作原理具体为：
53.旋转螺母套筒224，实现调节两个刚性边框20的距离，使复杂变刚度三维模型边界控制板的长度略大于模型箱内部的宽度，将力臂杆226与螺母套筒224连接。
54.然后将复杂变刚度三维模型边界控制板装入到模型箱内，左右刚性边框20外侧的弹性摩阻垫70产生变形加压，实现复杂变刚度三维模型边界控制板固定在模型箱内。
55.边界控制板的三维地形起伏通过大量位移杆40的不同竖向起伏确定，当位移杆40的竖向起伏确定后。压紧螺栓442依次贯穿刚性边框20、三维边界控制器30、挤压板42和挤压垫片446，然后通过螺母444锁紧固定，实现对三维边界控制器30施加挤压力，从而使得三维边界控制器30内的安装孔32发生变形，进而夹持位移杆40。
56.位移杆40端部的边界体60之间紧密接触，形成初步封闭的三维边界。在边界体60上粘贴薄膜50，保证三维边界的封闭性和连续性，提高三维边界精度。同时，可以将多个三维边界控制板组合使用，产生规模更大，三维形貌更为复杂的三维内边界。
57.上述复杂变刚度三维模型边界控制板至少具有以下优点：
58.1、边界控制板在模型箱内部可以随意拆卸、随意组合，产生复杂三维内边界，从而制作具有复杂三维地形起伏的岩土相似模型，有效提高当前岩土相似模型的制作精度。
59.2、组成复杂三维内边界的顶部边界体60刚度可调整，从而产生刚度可控的内部边界，可以更好分析边界刚度对相似模型变形和破坏的影响，提高相似模型试验的准确率和应用范围。
60.3、生成的内部边界可以有效约束未固化前的相似材料变形，降低模型制备过程中对相似模型的扰动和破坏，进而提高相似模型的制备成功率和相似模型的试验成功率。
61.4、复杂变刚度三维模型边界控制板制作成本低、应用场景灵活，不仅可以用于岩土相似模型试验，也可以应用于其他需要复杂内部边界的场景，具有广泛的应用前景。
62.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。