CN104655466B - 制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具 - Google Patents

Abstract

本发明制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，底模上的拼装的左侧模和右侧模与底模间形成长方体模具腔，左、右侧模分别通过底部安装座固定在底模上，在左、右侧模上有同轴的左、右安装孔，左、右安装孔上分别装有带台阶的左、右预制裂纹模块，左、右预制裂纹模块上有至少一条贯通的裂纹片安装缝，每条裂纹片安装缝上装有一端带限位部的裂纹片，裂纹片的带连接孔的另一端依次穿过左、右预制裂纹模块上的裂纹片安装缝后与连接件配合。本发明使用方便，且能制作含有精确形状尺寸裂缝的脆性材料长方体模型。

Description

制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具

技术领域：

本发明涉及的是一种制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，通过带有裂纹片的模具，精确制作含裂纹脆性材料长方体模型，用于模拟实体岩石、混泥土等脆性材料原型及研究其中裂纹的扩展机理和裂纹尺寸效应。属于岩土工程技术领域。

背景技术：

目前，根据岩石、混凝土等脆性材料的力学实验要求，需要将待测试样制作成特定的形状，在对应的力学实验机上进行实验，以获取相关力学参数。对于圆柱样和方柱样的制作，目前的切割技术已非常成熟，能够得到较为精确尺寸的岩样，但对于某些测定脆性材料断裂韧度的试验或在研究脆性材料裂隙结构面扩展机理及裂纹尺寸效应的问题中，常常需要在其中加工一些裂纹，例如在利用中心巴西圆盘试验、三点弯曲试验、剪切盒试验等测定岩石断裂韧度时，需要岩样中加工一定厚度和长度的薄裂纹；在研究裂隙结构面扩展机理及裂纹尺寸效应时，需要在脆性材料内部加工一定数量、形状和组合形式的裂纹。由于切割技术的限制，无法切割获取较为精确形状的裂隙，这也就给上述实验的实施带来了一定的局限性。

地质力学模型试验目前已比较成熟，根据相似原理，通过相似材料来实现物理力学现象与原型材料相似，目前，国内外的学者对各种岩石等脆性体相似材料的研究已较为完善，并在研究裂隙结构面扩展机理及裂纹尺寸效应中广泛使用，但用于制作含裂纹脆性材料长方体模型的模具却显得略微粗超，使用也不方便，这些模具常采用先制作对应尺寸柱体模型，在材料初凝之前***裂纹片的方法预制裂纹，这种方法不能精确保证预制裂纹的***角度以及对原样扰动较大，致使研究结果的离散程度比较大。

因此设计能方便且精确制作带有裂纹脆性材料长方体模型的模具，对研究含裂隙结构面的实体脆性材料特性具有重要意义。

发明内容：

针对上述存在的问题，本发明的目的是为了提供一种能有效解决实体脆性材料受切割技术的限制，无法在满足精度的前提下，制成含规定尺寸裂缝的试样，以及现有模具预制含裂纹脆性材料试样过于粗糙的问题，使用方便，且能制作含有精确形状尺寸裂缝的脆性材料长方体模型的模具。

本发明的目的是这样来实现的：

本发明制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，底模上的拼装的左侧模和右侧模与底模间形成长方体模具腔，左、右侧模上分别有底部安装座并通过底部安装座及连接件固定在底模上，在左、右侧模相对应面上有同轴的左安装孔、右安装孔，左、右安装孔上分别装有带台阶的左预制裂纹模块、带台阶的右预制裂纹模块，左、右预制裂纹模块上有至少一条贯通的裂纹片安装缝，每条裂纹片安装缝上装有一端带限位部的裂纹片，裂纹片带连接孔的另一端依次穿过左、右预制裂纹模块上的裂纹片安装缝后与连接件配合，裂纹片安装缝的数量视需要而定，可为一条或多条。

上述的左、右侧模拼装处有互相配合的凸部和凹部。

上述的左、右侧模上的左安装孔、右安装孔的截面形状为圆形，左、右侧模上相对对应的左、右预制裂纹模块的位置分别有以对应左、右安装孔中心为圆心的数个插槽，左、右预制裂纹模块上相对对应的插槽的位置有与插槽配合的锥形插件。

上述的裂纹片安装缝为中心裂缝或边裂缝或多条平行裂缝或多条成角度分布的裂缝或多条成直线分布的裂缝。

上述的裂纹片的形状为等厚薄片或椭圆形薄片。

本发明的优点如处：

1.制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具将各模块拼装、填料、拆模和养护模型，即可获得所需要的含裂纹脆性材料长方体模型，操作简便，解决了目前受切割技术的限制，无法获得含特定形状和组合形式裂纹的试样模型的问题。

2.制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具设计能够通过数控机床精确制作各模块，特别是裂缝尺寸规格和倾斜角度能够达到较高的精度，弥补了目前制作带裂纹柱体模型模具较粗糙的问题。

附图说明：

图1为本发明立体图。

图2为图1中的A向视图。

图3为图2的剖视图。

图4为图2的俯视图。

图5为左侧模结构示意图。

图6为图5的左视图。

图7为图5的俯视图。

图8为右侧模结构示意图。

图9为图8的左视图。

图10为图8的俯视图。

图11为带中心裂纹片安装缝的预制裂纹模块结构示意图。

图12为图11中的俯视图。

图13为带多条直线裂纹片安装缝的预制裂纹模块结构示意图。

图14为带边裂纹安装缝的预制裂纹模块结构示意图。

图15为带多条平行裂纹安装缝的预制裂纹模块结构示意图。

图16为带多条倾斜平行裂纹安装缝的预制裂纹模块结构示意图。

图17为裂纹片结构示意图。

图18为图17的右视图。

图19为图17的俯视图。

图20为裂纹片另一结构示意图。

图21为图20的俯视图。

图22为裂纹片再一结构示意图。

图23为图22的右视图。

图24为图22的俯视图。

具体实施方式:

参见图1～图24，本实施例制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，底模1上的拼装的左侧模2和右侧模3与底模间形成长方体模具腔4。左、右侧模上分别有底部安装座2—1、3—1并通过底部安装座及螺栓8固定在底模上。在左、右侧模相对应面上有同轴的左安装孔2—2、右安装孔3—2。左、右安装孔上分别装有带台阶5—1的左预制裂纹模块5、带台阶6—1的右预制裂纹模块6。左、右预制裂纹模块上相对应位置分别有一条贯通的裂纹片安装缝5—2、6—2。一端带限位部7—1的裂纹片7的带螺纹孔7—2的另一端依次穿过左、右预制裂纹模块上的裂纹片安装缝后与螺栓配合。

参见图4、图7、图10，左、右侧模拼装处有互相配合的凸部2—3、3—3和凹部2—4、3—4。

参见图1～图16，左、右侧模上的左安装孔、右安装孔的截面形状为圆形，左、右侧模上相对对应的左、右预制裂纹模块的位置分别有以对应左、右安装孔中心为圆心的数个插槽2—5、3—5。左、右预制裂纹模块上相对对应的插槽的位置有与插槽配合的锥形插件5—3、6—3。

裂纹片安装缝可如图11、12所示为中心裂缝或如图14所示为边裂缝或如图15所示为多条平行裂缝或如图16所示为多条成角度分布的裂缝或如图13所示为多条成直线分布的裂缝。

裂纹片的形状可如图17～图19所示的矩形厚薄片或如图22～图24所示椭圆形薄片或如图20、图21所示的尖端圆弧形薄片。

本发明中的底模，左、右侧模、预制裂纹模块、裂纹片均采用不锈钢材料，在数控机床上制作，使用时进行拼装、固定定形。模块各部分尺寸规格误差值均控制在±0.01%范围内，制作含有裂纹的脆性材料模型尺寸为50mm×50mm×100mm。

制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，可按如下步骤进行：

1.根据实验所用试样模型尺寸（50mm×50mm×100mm的长方体柱形），设计底模和左、右侧模。底模为厚度10mm的方形不锈钢板，设有四个直径为6mm的贯通螺丝孔；两侧模为厚度10mm的矩形槽，槽内部尺寸为50mm×25mm×100mm，槽一端设有厚度10mm，宽度15mm的底部安装座，底部安装座上设置2个直径6mm的螺丝孔，位置对应于底模螺丝孔位，用于将两侧模固定在底模上；两侧模沿槽口面拼接，可形成内空腔尺寸为50mm×50mm×100mm的长方体柱形，为便于拼接，在侧模接触部位分别设计宽、高度为5mm的凸、凸部；在两侧模中部位置设直径50mm的贯通圆孔，以圆孔孔心为圆心，半径为28mm的1/4圆弧上，每隔15°圆心角设置一个圆形插槽，插槽直径3mm，深度3mm，且对侧面对称布置。

2.根据试样模型中所需要预制裂纹的尺寸规格、数量和组合形式，设计预制裂纹模块。预制裂纹模块为半径不同的两个圆柱体组合而成，中轴线相同，大圆柱直径为62mm，高5mm，小圆柱直径为50mm，高10mm，大圆柱台阶中部布置一个最大直径为3mm的凸起锥形插件，高度为3mm，通过***对应角度的圆形插槽中，获得特定角度裂纹；圆柱体沿轴线方向带有贯通矩形裂缝，用于***裂纹片，裂缝数量、规格及组合形式可根据研究需要设置，且与裂纹片匹配使用，裂缝有单裂缝和多裂缝，单裂缝可为中心裂缝或边裂缝，多裂缝为直线分布、平行分布或呈一定角度β _i分布，多裂缝时，需保证裂缝之间的间距l _i不小于5mm。

3.裂纹片采用高强度不锈钢材料，截面形状可为矩形或椭圆形，宽度a _i、厚度b _i或长短轴之比a _i/b _i可调，可根据裂缝厚度设置裂缝尖端曲率半径b _i/2，一般与预制裂纹模块匹配使用，其厚度可略小于预制裂纹模块贯通裂缝的厚度，但差值应控制在1mm以内；裂纹片长度为100mm，一端加厚，加厚厚度大于匹配使用的预制裂纹模块中心裂纹的厚度，厚度差值取为3mm，加厚区长度为10mm，距另一端8mm处，设置直径为4mm的圆孔，用以旋入十字沉头螺丝，固定裂纹片。根据裂纹尺寸规格将裂纹片分为如下几种：

（1）等厚度裂纹片，裂纹片宽度为4~30mm，厚度为0~5mm，尖端可设置曲率半径；

（2）椭圆形裂纹片，裂纹片宽度为4~30mm，长短轴之比可按研究需要设置。

安装本发明模具时：

1.首先将各个零部件用润滑油涂抹表面。

2.按照顺序组装并固定，拼装顺序为：将左、右侧模拼接后用外六角螺丝固定在底模上。

3.将含有相同裂纹尺寸规格及位置的左、右预制裂纹模块分别安放在左、右侧模的圆孔上，并旋转调整至对应的裂缝角度，两个预制裂纹模块呈对称布置，将凸起锥形插件***到对应角度的圆形插槽中。

4.根据安放的预制裂纹模块选择配套的裂纹片，裂纹片宽度必须与预制裂纹模块的裂缝宽度相同，但厚度可在保证材料不明显渗漏的情况下，略小于预制裂纹模块的裂缝厚度，但差值不超过1mm，随后将裂纹片从一侧预制裂纹模块贯通裂缝口***，从另一侧穿出，并用十字沉头螺丝沿裂纹片上的圆孔旋入，使预制裂纹模块同裂纹片一起固定在侧模上。

5.根据实体脆性材料组成及常规单轴实验数据，查找相应相似材料的研究资料，确定模型的配合比，并按照配合比和料，接着向模具内填料并在振动台上振动密实，在养护一定时间后，拔片拆模。

6.根据相应相似材料的研究资料要求，对拆模所得的脆性材料模型进行一定条件下的养护，便可获得相应脆性材料的预制裂纹模型。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的额范围。

Claims (3)

1.制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，其特征在于底模上的拼装的左侧模和右侧模与底模间形成长方体模具腔，左、右侧模分别通过底部安装座及连接件固定在底模上，在左、右侧模相对应面上有同轴的左安装孔、右安装孔，左、右安装孔上分别装有带台阶的左预制裂纹模块、带台阶的右预制裂纹模块，左、右预制裂纹模块上相对应位置上分别有至少一条贯通的裂纹片安装缝，每条裂纹片安装缝上装有一端带限位部的裂纹片，裂纹片带连接孔的另一端依次穿过左、右预制裂纹模块上的裂纹片安装缝后与连接件配合，左、右侧模拼装处有互相配合的凸部和凹部，左、右侧模上的左安装孔、右安装孔的截面形状为圆形，左、右侧模上相对对应的左、右预制裂纹模块的位置分别有以对应左、右安装孔中心为圆心的数个插槽，左、右预制裂纹模块上相对对应的插槽的位置有与插槽配合的锥形插件。

2.根据权利要求1所述的制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，其特征在于裂纹片安装缝为中心裂缝或边裂缝或多条平行裂缝或多条成角度分布的裂缝或多条成直线分布的裂缝。

3.根据权利要求1或2所述的制作带裂纹脆性材料长方体模型的模具，其特征在于裂纹片的形状为等厚薄片或椭圆形薄片。