考虑空间约束状态的破碎试验装置的制作方法

本发明属于颗粒材料力学研究领域，具体涉及一种用于测量颗粒材料在有空间法向约束时破碎情况的破碎试验装置。

背景技术：

颗粒物质是指离散状态物质体系，是与连续态物质(固体、流体)相区别的另一大物质形态，颗粒体系的力学现象比固体和流体复杂，由于其力学现象的复杂性，不能再用传统的固体力学或者流体力学的研究方法来表征其力学特性，而另一方面颗粒破碎本身就是一个极其复杂的过程，无论是颗粒破碎的判别准则还是破碎后的碎片状态目前都没有统一的结论。由于颗粒材料结构的非均匀性，每个颗粒周围的颗粒组成、体积分数和配位数等各不相同，周边颗粒对颗粒所提供的约束状态和程度各不相同，导致颗粒内部应力分布复杂而多变，对颗粒破碎有较大的影响。大量的数值模拟试验和物理试验发现，颗粒与周围颗粒的接触环境决定了颗粒所处的约束状态，约束状态的不同导致颗粒的破碎形式和破碎强度变化不一。因而颗粒与周围颗粒相接触形成的接触个数和接触位置等因素的改变能够使得颗粒的破碎行为发生极大的变化。

近年来国内外众多学者对颗粒的破碎行为进行了深入试验和理论研究。

1999年tsoungui等针对随机接触力分布下的二维颗粒提出颗粒拉伸失效准则，认为作用于颗粒的复杂接触力可等效为两组正交等值反向力，并通过制备若干统一大小的石膏圆盘模型进行了物理验证。

2000年mcdowell和amon等通过径向加载试验提出颗粒的破碎强度服从weibull分布，此类研究反映了颗粒在两个接触点的情况下的破碎规律，但无法说明复杂的接触分布对颗粒破碎的影响；2007年mcdowell和lim在这一理论的基础上，开始研究颗粒的平均配位数对颗粒集合体强度的影响。

russell等的研究表明颗粒破碎主要是最大接触力超过阈值引起的；2010年ben-nun和einav根据tsoungui和sukumaran的研究建立了可以定义颗粒剪切失效准则的二维颗粒破碎阈值模型，引入了二维平面约束情况下颗粒配位数对接触力阈值的影响，但三维空间约束状态情况下颗粒周围的接触要复杂的多。

2016年wang等采用离散单元数值方法模拟了具有不同配位数的球形颗粒的破碎行为，并得出颗粒破碎强度与配位数成线性关系的规律。

在研究二维平面情况下颗粒配位数对接触力阈值的影响时，salami等在万能材料试验机(mts)上加装了一个颗粒夹持装置，通过调整夹具的数量和角度，进行了不同情况下的颗粒破碎试验。该装置初步试验结果表明配位数与接触点的分布对二维颗粒破碎有重要影响。

尽管现有的有关二维颗粒破碎的数值研究取得了一定的成果，但在实际情况中颗粒往往不可能仅处于二维平面受约束状态。目前针对三维颗粒局部约束状态对力的判定准则中接触力阈值影响的研究极为稀少，更没有专门针对三维空间约束状态情况下颗粒局部约束状态研究的试验装置。因此开展针对三维空间约束状态情况下颗粒局部约束状态的研究至关重要。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种考虑三维空间约束状态的破碎试验装置，能够更加真实的反映颗粒在空间中的受约束情况，对三维空间约束状态情况下颗粒局部约束状态进行研究。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案。

本发明提供一种考虑空间约束状态的破碎试验装置，其特征在于，包括：安转支撑部，具有：上安装单元、下安装单元和位于上安装单元和下安装单元之间的支撑单元；施压部，安装在安装支撑部上，具有：驱动单元、与该驱动单元相连接的施力单元以及用于放置试验样品的样品放置单元，施力单元和样品放置单元位于上安装单元和下安装单元之间、并且相对向设置，驱动单元驱动施力单元来回移动对试验样品施加压力；经度调整部，具有：分别环绕施力单元和样品放置单元设置的上环形滑轨和下环形滑轨；轨道部，具有：环形固定轨道和至少一个半环形可滑动轨道，环形固定轨道围绕样品放置单元设置，并且上下两端分别固定在上环形滑轨和下环形滑轨上，半环形可滑动轨道的上滑动端和下滑动端分别可拆卸地固定在上环形滑轨和下环形滑轨中；夹持约束部，具有至少一个夹持约束构件，每个夹持约束构件都具有一个夹持端和一个约束端，夹持端固定在环形固定轨道或半环形可滑动轨道的轨道上，约束端朝向并接触试验样品，对该试验样品进行约束；测试部，与施压部相连，收集施压部对试验样品施加的压力和在施压过程中的位移，并进行处理，得到相应的测试结果，其中，在半环形可滑动轨道未被固定的情况下，上滑动端和下滑动端可分别沿着上环形滑轨和下环形滑轨滑动从而调整半环形可滑动轨道的经度，在夹持约束构件的夹持端未被固定的情况下，夹持端可沿着轨道滑动从而调整夹持约束构件的纬度。

本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置，还可以具有这样的特征：支撑单元为设置在上安装单元和下安装单元四周的支撑杆。

本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置，还可以具有这样的特征：驱动单元采用液压驱动，施力单元为活塞，样品放置单元为与活塞相对向的圆柱体状支座。

本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置，还可以具有这样的特征：上环形滑轨和下环形滑轨都外围设有一圈滑轨的环形法兰盘。

本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置，还可以具有这样的特征：约束端的顶部为圆锥体形状。

发明的作用与效果

(1)本发明提供了一种用于测量颗粒材料在有空间法向约束时破碎情况的试验装置，该装置不仅可以测量二维平面约束状态情况下颗粒局部约束状态对颗粒破碎情况的影响，还可以测量三维空间约束状态情况下颗粒局部约束状态对颗粒破碎情况的影响。

(2)本发明所提供的试验装置可以根据研究需要安装或拆卸夹持装置，以实现施加不同约束角度和不同约束个数的约束情况。

(3)本发明所提供的试验装置安装拆卸简单，成本低，便于维护。

(4)本发明所提供的试验装置能够更好的模拟颗粒所受的实际约束情况，有利于颗粒材料力学领域内物理试验的开展，有利于促进颗粒材料力学测量技术，同时也有利于对颗粒计算力学的发展起到推进作用。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的破碎试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中涉及的破碎试验装置的部分结构示意图一；

图3是本发明实施例中涉及的破碎试验装置的部分结构示意图二；

图4(a)是本发明实施例中涉及的经度调整部、轨道部和夹持约束部的结构示意图，图4(b)是本发明实施例中涉及的半环形可滑动轨道的结构示意图；

图5是本发明实施例中涉及的试验样品的约束状态示意图；

图6是本发明实施例中为进行破碎试验安装破碎试验装置的示意图一；

图7是本发明实施例中为进行破碎试验安装破碎试验装置的示意图二；

图8是本发明实施例中为进行破碎试验安装破碎试验装置的示意图三；

图9是本发明实施例所涉及的破碎试验中试验样品的破碎过程示意图，其中(a)为样品未达到破碎临界值时的状态图，(b)为样品开始出现裂纹时的状态图，(c)为样品上裂纹开始扩展时的状态图，(d)为样品出现宏观裂纹时的状态图；以及

图10是本发明实施例中得到的试验样品的接触力与加载位移的关系曲线图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置作详细阐述。以下实施例中未详细阐述的部分均属于现有技术。

<实施例>

如图1所示，破碎试验装置10包括：安转支撑部20、施压部30、经度调整部40、轨道部50、夹持约束部60、以及测试部70。

如图1至3所示，安转支撑部20具有：上安装单元21、下安装单元22和位于上安装单元21和下安装单元22之间的支撑单元23。本实施例中，上安装单元21和下安装单元22都为长方体状，支撑单元23为立设在上安装单元21和下安装单元22四个角的支撑杆23a。

施压部30安装在安装支撑部20上，它具有：驱动单元(图中未显示)、施力单元31、以及样品放置单元32。驱动单元安装在上安装单元21中，为保证加压驱动过程传动平稳、承载能力大、能够无级调速、便于控制，本实施例中采用的是液压驱动。施力单元31位于上安装单元21下方，它与该驱动单元相连接，被驱动进行上下移动，从而向样品放置单元32上的试验样品m施加特定压力，本实施例中，施力单元31为活塞，活塞的头部为加载板，其与试验样品m的顶部直接接触。样品放置单元32固定在下安装单元22上，为圆柱体形状支座，它与施力单元31的施力面相对向设置，上表面作为放置面用于放置试验样品m。

如图2至4所示，经度调整部40包括上环形滑轨41和下环形滑轨42。上环形滑轨41环绕施力单元31设置，为外围设有一圈滑轨41a的环形法兰盘。下环形滑轨42环绕样品放置单元32设置，为外围设有一圈滑轨42a的环形法兰盘。

如图4所示，轨道部50包括环形固定轨道51和多个半环形可滑动轨道52。环形固定轨道51为圆环形状，围绕样品放置单元32设置，它的中部开设有带滑槽的轨道51a，并且它的上下两端分别固定在上环形滑轨41和下环形滑轨42上。半环形可滑动轨道52为半圆弧形状，它的上滑动端和下滑动端分别与上环形滑轨41和下环形滑轨42的滑轨相匹配，能够分别沿着滑轨41a和滑轨42a进行滑动从而调整半环形可滑动轨道42所处的经度，在调整至合适的经度后，通过轨道固定螺孔和螺栓即可将上滑动端和下滑动端固定在上环形滑轨41和下环形滑轨42中，从而使半环形可滑动轨道42固定在该经度处，另外，半环形可滑动轨道52的中部也开设有带滑槽的轨道52a。

在轨道部50安装好，样品放置单元32上所放置的试验样品m是处于环形固定轨道51和多个半环形可滑动轨道52所围成的圆球体的球心。

夹持约束部60具有多个夹持约束构件61，每个夹持约束构件61都具有一个夹持端61a和一个约束端61b，夹持端61a与环形固定轨道51和半环形可滑动轨道52的轨道相匹配，能够沿着轨道滑动从而调整夹持约束构件61所处的纬度，在调整至合适的纬度后，通过轨道固定螺孔和螺栓即可将夹持端61a固定在轨道上，从而使夹持约束构件61固定在该纬度处，约束端61b朝向试验样品m，它的顶部为圆锥体形状，并且尖端接触试验样品m，对该试验样品m进行约束。

测试部70与施压部30相连，控制施压部30进行压力加载，并且收集施压部30对试验样品m所施加的压力数据和在施压过程中施力单元31的位移数据，并对这些数据进行处理，得到相应的测试结果。

在本实施例中，所安装的半环形可滑动轨道52的数目和夹持约束构件61的数目，以及经度和纬度的调整都是根据试验样品m(球状颗粒)所需要的约束条件(配位数)来确定，即、根据约束的个数和位置来确定，具体为：

如果试验样品m仅受到顶部和底部的约束则不需要安装半环形可滑动轨道52，如果试验样品m除受到顶部和底部的约束之外还受到其它约束，但是其它约束之间的经度之差(亦即俯视试验样品m时，试验样品m所受约束之间的圆心角)为0°或180°时也不需要安装半环形可滑动轨道52。其它情况下根据颗粒所受的约束之间的经度之差(亦即俯视颗粒样品时，颗粒所受约束之间的圆心角)，确定需要安装半环形可滑动轨道52的数量和位置。

如果试验样品m需要模拟的情况为同一经度下仅有一个约束，则在与该经度对应的轨道上面仅安装一个夹持约束构件61，如果试验样品m需要模拟的情况为同一经度下有多个约束，则在与该经度对应的轨道上面需要安装对应数量的夹持约束构件61；再根据试验样品m所受的约束之间的纬度(亦即每一个约束与颗粒赤道面的夹角)，将每一个轨道上面的夹持约束构件61旋转至相同的纬度(亦即每一个夹持约束构件61与试验样品m赤道面的夹角)。

下面以5配位数的球形颗粒样品进行试验为例，对破碎试验装置10的具体操作过程进行详细说明。

试验中所采用的球形颗粒样品的直径为60mm。如图5所示，颗粒所需要满足的约束条件为：五个约束点，约定3号约束点经度为0°(也是360°)，从上往下看逆时针旋转方向为经度的增大方向；与水平面平行的最大直径圆为赤道(纬度为0°)，向上纬度为正(最大+90°)，向下为负(最小为-90°)；则1号约束点对应的经纬度为(经度0°，纬度+90°)，2号约束点对应的经纬度为(经度0°，纬度-90°)；3号约束点对应的经纬度为(经度0°，纬度0°)；4号约束点对应的经纬度为(经度150°，纬度+60°)；5号约束点对应的经纬度为(经度200°，纬度+80°)。

根据以上约束条件，试验具体操作过程为：

首先，如图6所示，将试验样品m即颗粒材料放在样品放置单元32上面，安装环形固定轨道51并固定。

然后，按照图5所示的颗粒约束情况(实验样品颗粒除受到顶部和底部的约束之外还受到其他约束，但是其他约束之间的经度之差也不为0或180度，需要安装可滑动轨道)，安装2个半环形可滑动轨道52(如图7所示)。

接着，根据图5所示的约束情况，安装3个夹持约束构件61，使之与颗粒相接触。这里，将3号约束点对应于环形固定轨道51上的夹持约束构件61，4号和5号约束点分别对应两个半环形可滑动轨道52上面的夹持约束构件61。根据颗粒所受的约束之间的纬度(亦即每一个约束与颗粒赤道面的夹角)，将每一个轨道上面的夹持约束构件61旋转至相应的纬度(亦即每一个夹持约束构件61与颗粒赤道面的夹角)后，旋紧螺母固定在轨道上(如图8所示)。

随后，通过测试部30控制施压部30施加匀速的位移于顶部加载板，从而对颗粒施加垂直方向的压力，颗粒在压力作用下的渐进破坏过程如图9(a)至(d)所示：颗粒在初始加载过程中，应力主要集中于各个约束点附近，如图9(a)所示为未达到破碎临界值时颗粒的状态；随着加载的进行，如图9(b)所示颗粒表面开始出现由各个约束部位逐渐开展的裂纹，随着加载的继续，如图9(c)所示裂纹不断扩展，接着，如图9(d)所示部分裂纹相互贯通形成宏观裂缝，同时约束点附近区域出现局部裂纹。通过测试部30收集加载的压力与施力单元31的位移数据两类数据，并进行处理分析，得到如图10所示的颗粒与上加载板的接触力与加载位移的关系曲线图，曲线中的峰值荷载即为在该约束条件下的颗粒破碎阈值。

综上，通过本发明的破碎试验装置10，可获得任意三维空间约束状态下的颗粒破碎阈值，进而研究颗粒的破碎强度和破碎形式与约束状态之间的关系。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的考虑空间约束状态的破碎试验装置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。本发明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，都在本发明所要求保护的范围内。