技术领域
本发明涉及一种模拟试验技术，尤其适用于隧道等地下岩土工程的三维可视化物理模拟。
背景技术：
在岩土工程模拟试验研究中，要充分掌握工程围岩的变形力学特性，必须获得模型某一个或多个平面在一定时期内的变形场演化过程。为此，目前广泛采用数码相机拍摄模型观测面在试验期间的图像序列，然后利用数字图像相关技术对这些图像进行分析来获得该观测面的位移场演化过程。
现有的模拟试验台为满足图像采集的要求，有的采用平面应力模拟方法，使模型的某个表面处于自由变形状态，由于平面应力状态与绝大多数岩土工程所处的受力状况不符，因而具有很大的局限性；有的虽然采用平面应变或真三轴加载的模拟方法，用透明板代替钢板来为模型观测部位提供边界约束，但由于受到透明板强度和刚度的限制其尺寸往往很小，因而只能观测到模型表面的很小一部分，不能获取模型的全场位移。
另外，现有的真三轴模拟试验台都是针对不透明的试验材料设计的，只能对模型表面的变形过程进行观测。由于受到边界摩擦等因素的影响，测试结果无法真实反映岩土工程内部的变形情况。对此，已有越来越多的学者开始研究透明相似材料模拟试验方法，以便于获得模型内部的变形场演化过程。然而，目前还没有既能满足真三轴加载要求又能实现模型内部两个正交面全场变形测量的模拟试验台。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种一种三维可视化真三轴模拟试验台，使其既能对三维立体模型进行真三轴加载，又能对模型的两个正交面实施全场位移观测。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的技术方案是一种三维可视化真三轴模拟试验台，主要由反力板框架、传力钢板框架和透明传力板框架三部分构成，模型位于透明传力板框架内，透明传力板框架位于传力钢板框架内，传力钢板框架位于反力板框架内；所述反力板框架包括由底座、顶部反力板、前侧反力板、后侧反力板、左侧反力板和右侧反力板组成的六面立方体结构，所述传力钢板框架包括由底部传力钢板、顶部传力钢板、前侧传力钢板、后侧传力钢板、左侧传力钢板和右侧传力钢板组成的六面立方体结构，所述透明传力板框架包括由底部透明传力板、顶部透明传力板、前侧透明传力板、后侧透明传力板、左侧透明传力板和右侧透明传力板组成的六面立方体结构；底座与底部传力钢板之间、顶部反力板与顶部传力钢板之间、前侧反力板与前侧传力钢板之间、后侧反力板与后侧传力钢板之间、左侧反力板与左侧传力钢板之间、右侧反力板与右侧传力钢板之间，各通过一组加载油缸连接；底部透明传力板与底部传力钢板固定连接，顶部透明传力板与顶部传力钢板固定连接，前侧透明传力板与前侧传力钢板固定连接，后侧透明传力板与后侧传力钢板固定连接，左侧透明传力板与左侧传力钢板固定连接，右侧透明传力板与右侧传力钢板固定连接；所述底座中间设有底座光源安设孔，底座光源安设孔中安装有底部线性激光器；所述顶部反力板中间设有顶部光源安设孔，顶部光源安设孔中安装有顶部线性激光器；所述前侧反力板上设有前侧图像采集仪安设孔，前侧图像采集仪安设孔中安装有前侧图像采集仪；所述右侧反力板上设有右侧图像采集仪安设孔，右侧图像采集仪安设孔中安装有右侧图像采集仪；后侧反力板、后侧传力钢板和后侧透明传力板中央开有后侧隧道开挖孔，顶部传力钢板、底部传力钢板、前侧传力钢板、后侧传力钢板、左侧传力钢板和右侧传力钢板均为镂空板。
试验台主要由反力板框架、传力钢板框架和透明传力板框架三部分构成，在三个轴方向全部采用加载油缸，可以实现真三轴加载，将前后方向加载油缸的油路关闭，或把加载油缸换为钢柱，阻止模型沿该方向的变形，可模拟平面应变状态；将模型某一面的加载油缸和传力钢板去掉，即可模拟平面应力状态。六块传力钢板设计为镂空板，可以保证试验台底座和顶部反力板上的线性激光器分别对模型实施左右方向横向剖切和前后方向纵向剖切，试验台前侧图像采集仪和右侧图像采集仪可以同时对模型的两个观测面进行实时图像采集和全场位移观测。
所述的加载油缸分为加载长油缸和加载短油缸，每组加载油缸由四个相同的加载油缸组成，底座与底部传力钢板之间连接的一组加载油缸记为底部加载短油缸，顶部反力板与顶部传力钢板之间连接的一组加载油缸记为顶部加载短油缸，前侧反力板与前侧传力钢板之间连接的一组加载油缸记为前侧加载长油缸，后侧反力板与后侧传力钢板之间连接的一组加载油缸记为后侧加载短油缸，左侧反力板与左侧传力钢板之间连接的一组加载油缸记为左侧加载短油缸，右侧反力板与右侧传力钢板之间连接的一组加载油缸记为右侧加载长油缸；其中底部加载短油缸、顶部加载短油缸、后侧加载短油缸和左侧加载短油缸为加载短油缸，前侧加载长油缸和右侧加载长油缸为加载长油缸。
在模型的图像采集侧采用加载长油缸加载来确保图像采集仪有充分的空间进行正确对焦，而在非图像采集侧采用加载短油缸以节省试验台的尺寸。
加载油缸与传力钢板之间的连接点为球碗型连接。使得油缸端部的球头和传力钢板上的碗腔之间能在一定角度范围内自由转动，保证传力可靠和避免传力板变形受损。
前侧反力板左右两内侧开有凹槽，后侧反力板左右两内侧开有凹槽，左侧反力板的两端分别固定在前侧反力板和后侧反力板的左侧凹槽中，右侧反力板的两端分别固定在前侧反力板和后侧反力板的右侧凹槽中。可以保证试验台在试验过程处于一个稳定的状态。
有益效果：本发明能分别模拟真三轴加载、平面应变和平面力三种不同的工况条件。试验台主要由反力板框架、传力钢板框架和透明传力板框架三部分构成，在三个相互正交的方向全部采用加载油缸，可以实现真三轴加载，将前后方向加载油缸的油路关闭，或把加载油缸换为钢柱，阻止模型沿该方向的变形，可模拟平面应变状态；将模型某一面的加载油缸和传力钢板去掉，即可模拟平面应力状态。六块传力钢板设计为镂空板，可以保证试验台底座和顶部反力板上的线性激光器分别对模型实施左右方向横向剖切和前后方向纵向剖切，试验台前侧图像采集仪和右侧图像采集仪可以同时对模型的两个观测面进行实时图像采集和全场位移观测。在模型的图像采集侧采用加载长油缸加载来确保图像采集仪能正确对焦，而在非图像采集侧采用加载短油缸以节省试验台的尺寸。加载油缸与各传力钢板之间的连接点为球碗型连接，使得油缸端部的球头和传力钢板上的碗腔之间能在一定角度范围内自由转动，保证传力可靠和避免传力板变形受损。前侧反力板左右两内侧开有凹槽，后侧反力板左右两内侧开有凹槽，左侧反力板的两端分别固定在前侧反力板和后侧反力板的左侧凹槽中，右侧反力板的两端分别固定在前侧反力板和后侧反力板的右侧凹槽中，这样安装固定方式，使试验台在试验过程处于一个稳定的状态。因此该发明具有多功能、结构简单、紧凑，容易加工和装配，以及造价低等优点。
附图说明
图1是本发明的主视结构图。
图2是本发明的右视结构图。
图3是本发明的俯视结构图。
图4是本发明的Ⅰ-Ⅰ面剖视图。
图5是本发明的Ⅱ-Ⅱ面剖视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
参考图1至图5所示，本发明一种三维可视化真三轴模拟试验台，主要由反力板框架、传力钢板框架和透明传力板框架三部分构成,模型18位于透明传力板框架内，透明传力板框架位于传力钢板框架内，传力钢板框架位于反力板框架内；在反力板框架中，它是由底座1、顶部反力板2、前侧反力板3、后侧反力板4、左侧反力板5和右侧反力板6组成的六面立方体结构，在传力钢板框架中，它是由底部传力钢板165、顶部传力钢板166、前侧传力钢板163、后侧传力钢板164、左侧传力钢板161和右侧传力钢板162组成的六面立方体结构，在透明传力板框架中，它是由底部透明传力板175、顶部透明传力板176、前侧透明传力板173、后侧透明传力板174、左侧透明传力板171和右侧透明传力板172组成的六面立方体结构；在底座1与底部传力钢板165之间、顶部反力板2与顶部传力钢板166之间、前侧反力板3与前侧传力钢板163之间、后侧反力板4与后侧传力钢板164之间、左侧反力板5与左侧传力钢板161之间、右侧反力板6与右侧传力钢板162之间，各通过一组加载油缸连接；底部透明传力板175与底部传力钢板165固定连接，顶部透明传力板176与顶部传力钢板166固定连接，前侧透明传力板173与前侧传力钢板163固定连接，后侧透明传力板174与后侧传力钢板164固定连接，左侧透明传力板171与左侧传力钢板161固定连接，右侧透明传力板172与右侧传力钢板162固定连接；在底座1中间设有底座光源安设孔9，底座光源安设孔9中安装有底部线性激光器，顶部反力板2中间设有顶部光源安设孔10，顶部光源安设孔10中安装有顶部线性激光器，线性激光器可分别在剖切面上形成激光散斑；前侧反力板3设有前侧图像采集仪安设孔11，前侧图像采集仪安设孔11中安装有前侧图像采集仪，右侧反力板6上设有右侧图像采集仪安设孔13，右侧图像采集仪安设孔13中安装有右侧图像采集仪，将两台图像采集仪通过USB数据线连接至同一台电脑上；为了观测到模型18表面或内部剖切面的全场位移，设计了顶部传力钢板166、底部传力钢板165、前侧传力钢板163、后侧传力钢板164、左侧传力钢板161和右侧传力钢板162均为镂空板结构。后侧反力板4、后侧传力钢板164和后侧透明传力板174中央开有后侧隧道开挖孔12，安装完之后，钻头可以伸进来对模型18进行挖掘。
加载油缸分为加载长油缸和加载短油缸，每组加载油缸由四个相同的加载油缸组成，底座1与底部传力钢板165之间连接的一组加载油缸记为底部加载短油缸142，顶部反力板2与顶部传力钢板166之间连接的一组加载油缸记为顶部加载短油缸141，前侧反力板3与前侧传力钢板163之间连接的一组加载油缸记为前侧加载长油缸151，后侧反力板4与后侧传力钢板164之间连接的一组加载油缸记为后侧加载短油缸144，左侧反力板5与左侧传力钢板161之间连接的一组加载油缸记为左侧加载短油缸143，右侧反力板6与右侧传力钢板162之间连接的一组加载油缸记为右侧加载长油缸152；其中底部加载短油缸142、顶部加载短油缸141、后侧加载短油缸144和左侧加载短油缸143为加载短油缸，前侧加载长油缸151和右侧加载长油缸152为加载长油缸。所述的加载油缸与传力钢板之间的连接点为球碗型连接，使得加载油缸端部球头和传力钢板上的碗腔之间能在一定角度范围内自由转动。底部线性激光器的线性偏振方向沿左右方向横向剖切模型18，顶部线性激光器的线性偏振方向沿前后方向纵向剖切模型18。前侧图像采集仪与横向激光剖切面精确对焦，右侧图像采集仪与纵向激光剖切面精确对焦。前侧反力板3和后侧反力板4通过四根水平螺杆8串接固定，前侧反力板3左右两内侧开有凹槽，后侧反力板4左右两内侧开有凹槽，左侧反力板5的两端分别固定在前侧反力板3和后侧反力板4后板左凹槽中，右侧反力板6的两端分别固定在前侧反力板3和后侧反力板4后板右凹槽中，这样可以保证试验台工作期间安全、牢靠。
装配本发明装置时，首先将处于回缩状态的加载油缸分别固定在底座1、顶部反力板2、前侧反力板3、后侧反力板4、左侧反力板5和右侧反力板6上，每一块反力板上安设有四个相同的加载油缸，其中前侧反力板3和右侧反力板6上安装有加载长油缸，其长度要满足模型18的观测面在两个图像采集仪上可以清晰成像的要求。在底座1上的四个加载短油缸142的端部连接一块底部传力钢板165，在顶部反力板2上的四个加载短油缸141的端部连接一块顶部传力钢板166，在左侧反力板5上的四个加载短油缸143的端部连接一块左侧传力钢板161，在右侧反力板6上的四个加载长油缸152的端部连接一块右侧传力钢板162，在前侧反力板3上的四个加载长油缸151的端部连接一块前侧传力钢板163，在后侧反力板4上的四个加载短油缸144的端部连接一块后侧传力钢板164，为了保证传力的可靠性和避免传力板变形受损，在设计上将各加载油缸与各传力钢板的连接点设计为球碗型连接，使得加载油缸端部的球头和传力钢板上的碗腔之间，可以有一定角度的自由转动。把四个立柱7与水平放置的底座1连接，前侧反力板3和后侧反力板4通过四根水平螺杆8串接起来，并拧紧螺母，前侧反力板3内侧开有凹槽，后侧反力板4内侧开有凹槽，左侧反力板5的两端固定在前侧反力板3和后侧反力板4后板的凹槽中，右侧反力板6的两端固定在前侧反力板3和后侧反力板4后板的凹槽中，保证左侧反力板5和右侧反力板6与前侧反力板3和后侧反力板4无明显缝隙搭接，同时确保每两块相邻反力板相互垂直。在底部传力钢板165上放置一块透明传力板175，使两者中心重合且对应边相互平行；将模型18居中置于底部透明传力板175上，并在模型18与四周传力钢板之间分别安设前侧透明传力板173、后侧透明传力板174、左侧透明传力板171和右侧透明传力板172，同样要求透明传力板与传力钢板中心重合且对应边相互平行。这时候，向底座1上的加载短油缸142中缓慢注油，使得模型18的中心与图像采集仪的中心处于相同的高度，然后再往四周加载油缸中注油，使得模型18每一侧的表面、透明传力板以及传力钢板之间紧密接触。最后，在模型18的上表面居中位置放置顶部透明传力板176，将顶部反力板2水平固定于立柱7上，要求顶部传力钢板166与顶部透明传力板176之间留有约2mm的间隙，通过往顶部加载短油缸141中注油来使顶部传力钢板166与顶部透明传力板176紧密接触。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。