CN103267650A - 基于永磁体的模型试验重力场模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置及方法，所述装置包括重力场模拟台和核心磁场发生器；所述核心磁场发生器包括直流电源、永磁体筒形磁铁和梯度场线圈，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈和B梯度场线圈；所述永磁体筒形磁铁、A梯度场线圈和B梯度场线圈同轴固定，且A梯度场线圈和B梯度场线圈均套设在永磁体筒形磁铁外、A梯度场线圈和B梯度场线圈在轴向上存在间隙，通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场。本发明基于场相似的原理，利用电磁力场与重力场的相似性，通过磁敏性岩土体相似材料在均匀梯度磁场中受到的电磁力场与自身重力场的叠加场来模拟重力场，从而达到模拟n倍重力场的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置及方法，属于岩土工程磁重力模型试验技术。
背景技术
岩土工程模型试验是根据相似原理对特定的工程地质问题进行缩尺以便于试验研究的一种方法，目前已广泛用来研究各种建筑物及其地基、地下洞室、高边坡等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机制等。岩土工程模型试验能较好地模拟工程的施工工艺，以及荷载的作用方式及时间效应等，能研究工程的受力全过程。常规岩土工程模型试验是在1倍的重力场内，按几何相似将原型尺寸缩小n倍进行模拟试验，在脆性材料模拟试验研究中获得较大成功。但对于模拟土体材料，由于在普通重力场内，模型中各点的应力水平比原型低得多，土体的许多应力应变关系特别是非线性关系在模型中不能得到真实体现。
土工离心模型试验是基于用离心惯性力场模拟重力场的原理，通过施加在模型上的离心惯性力将模型的容重变大，从而使模型中各点的应力与原型趋于一致，这种特点使离心模型和常规模型试验之间产生了本质的区别。土工离心模型试验在降低试验难度和提高试验结果可靠性方面获得了质的飞跃，目前国内外已建成各种大型土工离心机。然而，由于离心机模型的加速度随着距转动轴的距离而改变，模拟出的力线方向并不相互平行，同时，加料过程中产生的科氏加速度也会引起离心模型误差。
目前岩土工程模型试验研究的新模式主要集中在场的模拟方面，借鉴利用外力场模拟重力场的原理，利用场相似理论对岩土工程模型试验技术开展更加深入的探讨和研究，寻求更先进的手段和技术对岩土工程模型试验理论的发展是十分必要的。其中岩土工程磁重力模型试验就是新近发展的一个能够较好地模拟n倍重力场的试验方法，其核心原理就是根据电磁力场与重力场的相似性，将磁敏性相似材料在高强度高均匀梯度的电磁场环境中受到的电磁力场来模拟n倍的重力场。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置及方法，该装置能够提供高强度均匀磁场和高梯度电磁场相叠加的重力场模拟环境，通过将磁敏性相似材料制作的模型台置于得到的重力场模拟环境中，然后通过磁敏性相似材料受到的电磁力场和材料自身重力场的叠加来模拟n倍重力场。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，包括重力场模拟台和核心磁场发生器；
所述核心磁场发生器包括直流电源、永磁体筒形磁铁和梯度场线圈，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈和B梯度场线圈；所述永磁体筒形磁铁、A梯度场线圈和B梯度场线圈同轴固定，且A梯度场线圈和B梯度场线圈均套设在永磁体筒形磁铁外、A梯度场线圈和B梯度场线圈在轴向上存在间隙；所述直流电源与A梯度场线圈和B梯度场线圈通过导线电连接，通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场；
所述重力场模拟台包括加载底座和支架，所述加载底座固定在永磁体筒型磁铁内侧底部，所述核心磁场发生器安装在支架上。
具体的，所述支架包括梯度场线圈固定盒和尼龙棒支柱，所述梯度场线圈固定盒包括A梯度场线圈固定盒和B梯度场线圈固定盒；所述A梯度场线圈固定盒中部开设适配永磁体筒形磁铁的A通孔，所述A通孔内侧壁设置有适配A梯度场线圈的A凹槽；所述B梯度场线圈固定盒中部开设适配永磁体筒形磁铁的B通孔，所述B通孔内侧壁设置有适配B梯度场线圈的B凹槽；所述A梯度场线圈安装在A凹槽内，所述B梯度场线圈安装在B凹槽内，所述永磁体筒形磁铁的两端分别***在A通孔和B通孔内；所述A梯度场线圈固定盒和B梯度场线圈固定盒之间通过尼龙棒支柱固定。所述梯度场线圈固定盒可以由环氧树脂板加工并采用高强固体胶粘合而成；尼龙棒支柱和梯度场线圈固定盒之间优选采用高强固体胶粘合固定。
优选的，所述支架为非磁敏性材质，比如采用环氧树脂材质板材作为梯度线圈固定盒。
优选的，所述永磁体筒形磁铁由钕铁硼磁粉制成，所述钕铁硼磁粉的剩余磁感应强度不低于9500Gs，矫顽力不低于2500Oe；优选设计永磁体筒形磁铁的高度与其平均直径之比不小于2.0。
如现有技术，A梯度场线圈和B梯度场线圈均为中心带圆孔的结构，具体设计时，可以按如下尺寸进行限定：A梯度场线圈和B梯度场线圈尺寸相同、且两者之间的轴向间隙为其平均半径的1.7倍左右，比如1.73205倍平均半径。优选的，所述A梯度场线圈和B梯度场线圈均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成；可以按如下方式进行A梯度场线圈和B梯度场线圈的制作：A梯度场线圈和B梯度场线圈均由铜导线按相同方向在径向和轴向进行均匀缠绕，这样，为了保证通电时A梯度场线圈和B梯度场线圈具有大小相同、方向相反的电流场，在接线时，A梯度场线圈和B梯度场线圈通过导线反向串联并与B直流电源相连接；电流沿截面均匀分布，且电流方向与轴对称方向构成右手螺旋关系。
优选的，所述加载底座由高强度混凝土浇筑而成，所述混凝土强度不低于C100，养护龄期不低于30天。
一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置的试验方法，包括如下步骤：
（1）将直流电源的输入端接入外设电源、输出端分别与A梯度场线圈和B梯度场线圈相连接；
（2）核心磁场区域为永磁体筒型磁铁内加载底座以上部分，核心磁场区域的强度为由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节直流电源的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；
（3）在重力场模拟台核心磁场区域内安装由磁敏性相似材料制作的试验模型，并安装测试传感器；
（4）开启直流电源的开关，并调节直流电源的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加以模拟n倍重力场；
（5）进行相关试验，同时对直流电源的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；
（6）试验完成后，将直流电源的电流输出值调节至零，然后关闭直流电源的开关，取出试样，结束试验。
一般来说，所述直流电源为工频全波整流方式的可调直流电源。
有益效果：本发明提供的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置及方法，相比较现有技术，具备如下优点：可以广泛用于磁重力模型试验中作为核心重力场模拟装置，永磁体筒型磁铁产生稳定且均匀的高匀强磁场，同时通过调节梯度磁场线圈的电流可以方便地模拟不同大小的重力场；核心磁场区域具有高强度匀强磁场和高均匀梯度磁场，高均匀梯度磁场能够保证所模拟重力场与实际重力场的相似，同时能够模拟较高的重力场；高强度均匀磁场能够保证所采用的磁敏性相似材料在磁场环境中饱和磁化，并可以消除因材料磁化后产生的磁场对试验环境磁场的干扰；同时采用静磁场模拟重力场，很好地克服了传统的离心模型试验模拟重力场时由于高速旋转而引起的模拟施工过程困难，传感器安装困难等缺陷；通过磁力场模拟重力场，重力场的施加通过调节电流的大小瞬间完成，克服了离心模型试验施加重力场需要一定时间段而引起的试验误差；采用永磁体筒型磁铁产生高强度匀强磁场，可以产生恒定的高强度匀强磁场，同时克服了采用线圈模拟高强度匀强磁场时由于导线发热导致导线熔断引起的重力场模拟台损坏。
附图说明
图1为本发明的正视结构示意图；
图2为本发明的俯视结构示意图；
图3为本发明的侧视结构示意图；
图4为本发明的x-x剖视结构示意图；
图5为本发明的y-y剖视结构示意图；
图6为本发明的z-z剖视结构示意图；
图7为本发明的p-p剖视结构示意图；
图中：1、永磁体筒型磁铁，2A、A梯度场线圈，2B、B梯度场线圈，3、直流电源，4、重力场模拟台，5A、A梯度场线圈固定盒，5B、B梯度场线圈固定盒，6、尼龙棒支柱，7、加载底座，8、导线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4所示，为一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，包括重力场模拟台4和核心磁场发生器。
所述核心磁场发生器包括直流电源3、永磁体筒形磁铁1和梯度场线圈，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B；所述永磁体筒形磁铁1、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B同轴固定，且A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B均套设在永磁体筒形磁铁1外、A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B在轴向上存在间隙；所述直流电源3与A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B通过导线8电连接，通电时A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B具有大小相同、方向相反的电流场。
所述永磁体筒形磁铁1由钕铁硼磁粉制成，所述钕铁硼磁粉的剩余磁感应强度不低于9500Gs，矫顽力不低于2500Oe；永磁体筒形磁铁1的高度与其平均直径之比不小于2.0，永磁体筒型磁铁1内直径为500mm，外直径为900mm。
所述A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B均由铜导线按相同方向缠绕组成，线圈缠绕均采用玻璃钢材料作为骨架，以保证线圈的机械强度；A梯度场线圈和B梯度场线圈尺寸相同、具有相同的铜导线缠绕匝数，其内径为905mm，外径为1205mm，铜导线缠绕高度为200mm，A梯度场线圈和B梯度场线圈之间的轴向间隙为其平均半径的1.73205倍，即914mm。
如图1、图2、图3所示，永磁体筒型磁铁1在核心磁场区域产生高匀强磁场，同时可通过调节直流电源3的电流输出大小来调节核心磁场区域磁场梯度的大小，所述核心磁场区域竖向磁场具有较高的线性梯度和较高的匀强磁场，径向磁场大小基本一致；这里，设计直流电源3为工频全波整流方式的可调直流电源；如下表所示核心磁场区域匀强磁场大小以及梯度磁场大小与直流电源电流输出对应关系。
表1核心磁场区域匀强磁场大小以及梯度磁场大小与直流电源电流输出对应关系
所述加载底座7由高强度混凝土浇筑而成，所述混凝土强度不低于C100，养护龄期不低于30天；其直径略小于永磁体筒形磁铁1的内径，具体为直径480mm，高度250mm。
所述重力场模拟台4包括支架，所述核心磁场发生器和核心试验台均安装在支架上；所述支架包括梯度场线圈固定盒和尼龙棒支柱6，所述梯度场线圈固定盒包括A梯度场线圈固定盒5A和B梯度场线圈固定盒5B；所述A梯度场线圈固定盒5A中部开设适配永磁体筒形磁铁1的A通孔，所述A通孔内侧壁设置有适配A梯度场线圈2A的A凹槽；所述B梯度场线圈固定盒5B中部开设适配永磁体筒形磁铁1的B通孔，所述B通孔内侧壁设置有适配B梯度场线圈2B的B凹槽；所述A梯度场线圈2A安装在A凹槽内，所述B梯度场线圈2B安装在B凹槽内，所述永磁体筒形磁铁1的两端分别***在A通孔和B通孔内；所述A梯度场线圈固定盒5A和B梯度场线圈固定盒5B之间通过尼龙棒支柱6采用高强固体胶粘合固定。这里，梯度场线圈固定盒由环氧树脂板加工并采用高强固体胶粘合而成，为了保证足够的机械强度，所述环氧树脂板厚度8mm以上，A凹槽和B凹槽的深度不大于3mm；为保证连接的机械强度，尼龙棒支柱6的直径不小于80mm，长度要保证A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B之间的间距满足装配间距，即为1.73205倍平均半径。
一种基于永磁体的模型试验重力场模拟装置的试验方法，包括如下步骤：
（1）将直流电源3的输入端接入外设220V电源、输出端分别与A梯度场线圈2A和B梯度场线圈2B相连接；
（2）核心磁场区域为永磁体筒型磁铁1内加载底座7以上部分，核心磁场区域的强度为由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节直流电源3的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；
（3）在重力场模拟台核心磁场区域内安装由磁敏性相似材料制作的试验模型，并安装测试传感器；
（4）开启直流电源3的开关，并调节直流电源3的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；电流的调节可根据表1进行；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加以模拟n倍重力场；
（5）进行相关试验，同时对直流电源3的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；
（6）试验完成后，将直流电源3的电流输出值调节至零，然后关闭直流电源3的开关，取出试样，结束试验。
所述核心磁场区域的高强度匀强磁场强度由永磁体筒型磁铁1产生，高均匀梯度磁场通过调节所述直流电源3的电流输出来控制。
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。
Claims (8)
1.基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：包括重力场模拟台（4）和核心磁场发生器；
所述核心磁场发生器包括直流电源（3）、永磁体筒形磁铁（1）和梯度场线圈，所述梯度场线圈包括A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）；所述永磁体筒形磁铁（1）、A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）同轴固定，且A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）均套设在永磁体筒形磁铁（1）外、A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）在轴向上存在间隙；所述直流电源（3）与A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）通过导线（8）电连接，通电时A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）具有大小相同、方向相反的电流场；
所述重力场模拟台（4）包括加载底座（7）和支架，所述加载底座（7）固定在永磁体筒型磁铁（1）内侧底部，所述核心磁场发生器安装在支架上。
2.根据权利要求1所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：所述支架包括梯度场线圈固定盒和尼龙棒支柱（6），所述梯度场线圈固定盒包括A梯度场线圈固定盒（5A）和B梯度场线圈固定盒（5B）；所述A梯度场线圈固定盒（5A）中部开设适配永磁体筒形磁铁（1）的A通孔，所述A通孔内侧壁设置有适配A梯度场线圈（2A）的A凹槽；所述B梯度场线圈固定盒（5B）中部开设适配永磁体筒形磁铁（1）的B通孔，所述B通孔内侧壁设置有适配B梯度场线圈（2B）的B凹槽；所述A梯度场线圈（2A）安装在A凹槽内，所述B梯度场线圈（2B）安装在B凹槽内，所述永磁体筒形磁铁（1）的两端分别***在A通孔和B通孔内；所述A梯度场线圈固定盒（5A）和B梯度场线圈固定盒（5B）之间通过尼龙棒支柱（6）固定。
3.根据权利要求2所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：所述梯度场线圈固定盒为环氧树脂板材质材料。
4.根据权利要求1所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：所述永磁体筒形磁铁（1）由钕铁硼磁粉制成，所述钕铁硼磁粉的剩余磁感应强度不低于9500Gs，矫顽力不低于2500Oe。
5.根据权利要求1所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：所述A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成。
6.根据权利要求1所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置，其特征在于：所述加载底座（7）由高强度混凝土浇筑而成，所述混凝土强度不低于C100，养护龄期不低于30天。
7.根据权利要求1所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）将直流电源（3）的输入端接入外设电源、输出端分别与A梯度场线圈（2A）和B梯度场线圈（2B）相连接；
（2）核心磁场区域为永磁体筒型磁铁（1）内加载底座（7）以上部分，核心磁场区域的强度为由轴向均匀磁场和轴向梯度磁场叠加而成，通过调节直流电源（3）的输出电流大小控制轴向梯度磁场大小；
（3）在重力场模拟台核心磁场区域内安装由磁敏性相似材料制作的试验模型，并安装测试传感器；
（4）开启直流电源（3）的开关，并调节直流电源（3）的输出电流值直至产生所需要的磁场环境；此时核心磁场区域同时具备轴向均匀磁场和轴向梯度磁场，试样在核心磁场区域内受到电磁力和自身重力叠加以模拟n倍重力场；
（5）进行相关试验，同时对直流电源（3）的输出电流值进行监测，保证核心磁场区域的磁场环境始终满足要求；
（6）试验完成后，将直流电源（3）的电流输出值调节至零，然后关闭直流电源（3）的开关，取出试样，结束试验。
8.根据权利要求7所述的基于永磁体的模型试验重力场模拟装置的试验方法，其特征在于：所述直流电源（3）为工频全波整流方式的可调直流电源。
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