CN109668517B

CN109668517B - 电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法

Info

Publication number: CN109668517B
Application number: CN201811406469.XA
Authority: CN
Inventors: 程毅; 刘军; 单鹏; 刘明清; 肖治民; 赵伏田; 孙磊; 周浩; 王贺; 张远
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2021-03-02
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109668517A

Abstract

本发明属于教学和试验辅助设备技术领域，具体涉及一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。该装置的支撑板上置有用于放置试验球的限位铁柱，试验球上设有高精度角度传感器；高精度角度传感器通过导线引出限位铁柱并与信号转换器相连；信号转换器的信号输出端与高精度角度位移显示器相连；所述的限位铁柱的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱内试验球施加电磁冲击荷载。本发明能够测出球面上任意一点受电磁冲击时的法向应变，进而得到球形颗粒元的某些动力特性，有助于散体力学和岩土工程领域内的研究；具有良好的加载稳定性和可重复性。

Description

电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法

技术领域

本发明属于教学和试验辅助设备技术领域，具体涉及一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。

背景技术

离散元法目前是主要的散体颗粒元数值模拟方法，它以岩石等非连续性介质的力学行为为研究对象，把不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动状态。作为球体颗粒体系重要的运动状态指标之一，法向应变的测量装置相对较少，而该指标的确定又极大依赖于球体测点处的法向位移。中国专利 CN108535147A和CN108535146A分别公开了一种球体颗粒体系法向接触力、法向位移的测量装置以及球间法向接触力的测试方法，但该装置需要使初始测点对准球心，并通过特定的几何关系求出球体颗粒在冲击荷载下的法向位移，由于在冲击过程中球体各点的法向位移不相等，所以用对准球心测点的法向位移来代替整个球体的法向位移并不合理，必须测出球体上其他点的法向位移。另一方面，现有测量装置中的冲击装置大多为落锤或者空***，加载稳定性差，并且在加载时需要人工控制，自动化程度低，试验效率也相对低下。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。装置可以测出球体颗粒体系在冲击荷载作用下任意点的法向应变，并利用电磁加载装置施加冲击荷载，具有良好的加载稳定性和可重复性。此外，整套装置自动化程度较高，大大提高了试验效率。

本发明通过采用如下技术方案：

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球的限位铁柱，试验球上设有高精度角度传感器；高精度角度传感器通过导线引出限位铁柱并与信号转换器相连；信号转换器的信号输出端与高精度角位移显示器相连；所述的限位铁柱的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱内试验球施加电磁冲击荷载。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的支撑板上端面设有相互交叉的导轨；导轨为内嵌式，限位铁柱底部的中心处设有滑块；滑块嵌入导轨内，限位铁柱通过滑块沿导轨延伸方向滑动。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的支撑板外侧设有辅助架；辅助架垂直于支撑板的边缘安装固定杆；辅助架的顶端设有吊架，电磁加载装置悬吊于吊架上；所述的固定杆上设有若干个可上下移动的对准器。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的电磁加载装置包括滑杆，复位弹簧，线圈，铁芯，塑料外壳，脉冲电源，锤头；所述的塑料外壳的顶端固定滑杆，塑料外壳的顶部内壁固定铁块，铁块下方设有铁芯，铁芯与铁块之间通过复位弹簧相连；铁芯上设有导线；导线与脉冲电源相连；铁芯的底端与锤头相连；锤头的底端设有橡胶垫。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的限位铁柱内开设若干个沿轴向延伸的孔柱，孔柱以限位铁柱为圆心沿限位铁柱的圆周边缘排列，孔柱内放置若干个试验球，孔柱轴向外圆周面设有内外相通的预留通缝；若干个所述的试验球的圆周面分别设有高精度角度传感器置于预留通缝内；高精度角度传感器通过导线分别与信号转换器相连；高精度传感器上还设有激光发射器。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的激光发射器与对准器保持水平一致。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的辅助架上设有高速摄影机，高速摄影机通过勾形夹具挂置在辅助架上，通过螺纹钉固定。

本发明所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置的测量方法，步骤如下:

(1)、在限位铁柱内放置试验球，并将限位铁柱通过导轨移动至锤头下方，微调将锤头与试验球的轴向保持一致；

(2)、调整试验球上的激光发射器瞄准固定杆上的对准器进行基点校准；将设此时测点所在的位置为A；

(3)、启动电磁加载装置对试验球施加冲击荷载，此时测点移至A'，设半径为OA，OA”，A的法向位移为AB，则可通过高速摄影机测出球体颗粒体系受冲击前后的水平位移；计算公式为为 A'B＝AD-A'D'

式中：AD和A'D'分别表示冲击前后测点与固定杆之间的水平距离；

(4)通过高精度角度传感器获得的数值传输至信号转换器，通过高精度角位移显示器显示出球体颗粒体系受冲击前后的转角α；

(5)设定球体的半径为R，在三角形AOA”中，定义AA`与AA``为测点位移， AA`为球体实际位移，AA``为球体理想位移或刚***移；根据步骤(4)得到的转角α，由下式得到理想斜位移AA``，

在球体发生小变形情况下，则认定测点斜位移AA'＝AA”,根据勾股定理，通过下式得到法向位移

(6)根据测点A的位置求出经过测点A的法向弦长AE，通过下式得到测点 A的法向应变：

式中AB为A的法向位移，AE为经过测点的法向弦长，ξ_y为A点的法向应变。

有益效果

本发明能够测出球面上任意一点受电磁冲击时的法向应变，进而得到球形颗粒元的某些动力特性，有助于散体力学和岩土工程领域内的研究。

本发明利用电磁加载装置进行加载，具有良好的加载稳定性和可重复性。

本发明使用电磁加载器，高速摄影机和高精度角度传感器进行试验，自动化程度较高，节省劳动力，提高了试验效率。

本发明可通过调整限位铁柱的位置，从而进行多组平行试验，提高了试验精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2a是本发明的A-A剖面图及固定结构示意图；

图2b是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的B-B剖面图。

图4是本发明的高精度角度传感器结构示意图。

图5是本发明的高速摄影机的连接结构示意图。

图6是本发明的固定杆结构示意图。

图7是本发明的电磁加载装置结构示意图。

图8是本发明的试验原理图。

图中，1、辅助架；2、滑杆；3、高速摄影机；4、脉冲电源；5、锤头；6、橡胶垫；7、固定杆；8、高精度角度位移显示器；9、导线；10、信号转换器； 11、限位铁柱；12、导轨；13、滚轮；14、试验球；15、高精度角度传感器；16、螺旋导块；17、滑块；18、预留通缝；19激光发射器；20、螺纹钉；21、勾形夹具；22、对准器；23、复位弹簧；24、线圈；25、铁芯；26、塑料外壳；27、吊架；111、固定块；112、螺纹杆；113、扭件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球14的限位铁柱11，试验球14上设有高精度角度传感器15；高精度角度传感器15通过导线9引出限位铁柱11并与信号转换器10相连；信号转换器10的信号输出端与高精度角位移显示器8相连；所述的限位铁柱11的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱11内试验球14进行电磁冲击荷载。支撑板外侧设有辅助架1；辅助架1 垂直于支撑板的边缘安装固定杆7；辅助架1的顶端设有吊架，电磁加载装置悬吊于吊架上；所述的固定杆7上设有若干个可上下移动的对准器22；辅助架1 上设有高速摄影机3。激光发射器19与对准器22保持水平一致。

如图2所示：限位铁柱11内开设若干个沿轴向延伸的孔柱，孔柱以限位铁柱11为圆心沿限位铁柱11的圆周边缘排列，孔柱内放置若干个试验球14，孔柱轴向外圆周面设有内外相通的预留通缝；若干个所述的试验球14的圆周面分别设有高精度角度传感器15置于预留通缝内；高精度角度传感器15通过导线9 分别与信号转换器10相连；试验球14上装有高精度角度传感器15，高精度角度传感器15上安有激光发射器19，激光发射器19可以在高精度角度传感器15 上调整角度，以保证激光能够水平投射到对准器22上。固定杆7与辅助架1相连，固定杆7上装有对准器22，对准器22能够在固定杆7上上下移动。

如图2a、图2b所示：支撑板上端面设有相互交叉的导轨12；导轨12为内嵌式，限位铁柱11底部的中心处设有滑块17；滑块17嵌入导轨12内，限位铁柱11通过滑块17沿导轨12延伸方向滑动。进行冲击试验时可用螺旋导块16 将限位铁柱11固定在导轨上；

图中在导轨中设有固定块111，十字形的导轨中分别设有四块固定块111，固定块的一端面设有螺纹杆112，螺纹杆112一致延伸到底座外侧，螺纹杆112的长度大于其单个导轨的长度；通过顺时针或逆时针旋扭件113将螺纹杆112向前推进或向后退出；从而通过摩擦力将固定块111与滑块17进行固定。固定块111与滑块17的接触端是可以增加橡胶阻尼层增大其摩擦力提高稳定度。

固定块111与螺纹杆112可以采用轴承进行相互固定安装，保证固定块111不发生轴向旋转。

如图5所示，高速摄影机3通过夹具21和螺纹钉20固定在辅助架1上，当要移动高速摄影机3时，旋转螺纹钉20使夹具21与辅助架1松开，移动完成后，再次旋转螺纹钉20使夹具21与辅助架1夹紧。

如图8所示：电磁加载装置包括滑杆2，复位弹簧23，线圈24，铁芯25，塑料外壳26，脉冲电源4，锤头5；所述的塑料外壳25的顶端固定滑杆2，塑料外壳26的顶部内壁固定铁块，铁块下方设有铁芯25，铁芯25与铁块之间通过复位弹簧23相连；铁芯25上设有导线9；导线9与脉冲电源4相连；铁芯25 的底端与锤头5相连；锤头5的底端设有橡胶垫6。通电时，上下两块铁芯25 产生相互排斥力使得锤头5向下冲击试验球14，断电后，复位弹簧23产生拉力将锤头5往上提，达到复位的效果。

试验球由水泥砂浆制成，水泥砂浆试验球在试验过程中处于弹性加载阶段与弹性卸载阶段，如果在弹性加载阶段与弹性卸载阶段后水泥砂浆试验球未发生碎裂或仅产生细小裂缝，则可认定为小变形，其加载得到的测量数据有效；球体与铁柱内壁间隙为0.5mm，冲击加载时球与限位铁柱间的侧向变形可忽略不计。

如图8所示，本发明的试验原理如下：用激光发射器19瞄准固定杆上的对准基点，采用激光发射器将电磁加载装置的锤头人工对准试验球的球心；

设此时测点所在的位置为A，接着用电磁加载装置施加冲击荷载，此时测点移至A'，设半径为OA，OA”，A的法向位移为AB，则可通过高速摄影机3测出球体颗粒体系受冲击前后的水平位移A'B＝AD-A'D'，其中AD和A'D'分别表示冲击前后测点与固定杆7之间的水平距离；通过高精度角度传感器15，信号转换器10和高精度角位移显示器8测出球体颗粒体系受冲击前后的转角α；假设球体的半径为R，则在三角形AOA”中，

由于球体发生的是小变形，可近似认为测点斜位移AA'＝AA”,再根据勾股定理，得到法向位移

根据测点A的位置求出经过A点的法向弦长AE，从而求出A点的法向应变

本发明能够测出球面上任意一点受电磁冲击时的法向应变，进而得到球形颗粒元的某些动力特性，并利用电磁加载装置进行加载，具有良好的加载稳定性和可重复性，整套装置自动化程度较高，节省劳动力，提高了试验效率，此外，本发明还可进行多组平行试验，提高了试验精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方案，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，但这些改进和润饰也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，测量装置包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球（14）的限位铁柱（11），试验球（14）上设有高精度角度传感器（15）；高精度角度传感器（15）通过导线（9）引出限位铁柱（11）并与信号转换器（10）相连；信号转换器（10）的信号输出端与高精度角度位移显示器（8）相连；所述的限位铁柱（11）的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱（11）内试验球（14）施加电磁冲击荷载；所述的限位铁柱（11）内开设若干个沿轴向延伸的孔柱，孔柱以限位铁柱（11）为圆心沿限位铁柱（11）的圆周边缘排列，孔柱内放置若干个试验球（14），孔柱轴向外圆周面设有内外相通的预留通缝（18）；若干个所述的试验球（14）的圆周面分别设有高精度角度传感器（15）置于预留通缝（18）内；高精度角度传感器（15）通过导线（9）分别与信号转换器（10）相连；高精度角度传感器（15）上还设有激光发射器（19）；

其特征在于：测量步骤下：

（1）、在限位铁柱（11）内放置试验球（14），并将限位铁柱（11）通过导轨（12）移动至锤头（5）下方，微调将锤头（5）与试验球（14）的轴向保持一致；

（2）、调整试验球（14）上的激光发射器（19）瞄准固定杆上的对准器（22）进行基点校准；将设此时测点所在的位置为A；

（3）、启动电磁加载装置对试验球（14）施加冲击荷载，此时测点移至A'，设半径为OA，OA''，A的法向位移为AB，则可通过高速摄影机（3）测出球体颗粒体系受冲击前后的水平位移；计算公式为:

（4）通过高精度角度传感器（15）获得的数值传输至信号转换器（10），通过高精度角位移显示器（8）显示出球体颗粒体系受冲击前后的转角α；

（5）设定球体的半径为R，在三角形AOA''中，定义

与

为测点位移，

为球体实际位移，

为球体理想位移或刚***移；根据步骤（4）得到的转角α，由下式得到理想斜位移

，

；

在球体发生小变形情况下，则认定测点斜位移

,根据勾股定理，通过下式得到法向位移

；

（6）根据测点A的位置求出经过测点A的法向弦长AE，通过下式得到测点A的法向应变：

式中AB为A的法向位移，AE为经过测点的法向弦长，ξ _y为A点的法向应变。

2.根据权利要求1所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，其特征在于：所述的支撑板上端面设有相互交叉的导轨（12）；导轨（12）为内嵌式，限位铁柱（11）底部的中心处设有滑块（17）；滑块（17）嵌入导轨（12）内，限位铁柱（11）通过滑块（17）沿导轨（12）延伸方向滑动。

3.根据权利要求2所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，其特征在于：所述的支撑板外侧设有辅助架（1）；辅助架（1）垂直于支撑板的边缘安装固定杆（7）；辅助架（1）的顶端设有吊架（27），电磁加载装置悬吊于吊架上；所述的固定杆（7）上设有若干个可上下移动的对准器（22）。

4.根据权利要求1所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，其特征在于：所述的电磁加载装置包括滑杆（2），复位弹簧（23），线圈（24），铁芯（25），塑料外壳（26），脉冲电源（4），锤头（5）；所述的塑料外壳（26）的顶端固定滑杆（2），塑料外壳（26）的顶部内壁固定铁块，铁块下方设有铁芯（25），铁芯（25）与铁块之间通过复位弹簧（23）相连；铁芯（25）上设有导线（9）；导线（9）与脉冲电源（4）相连；铁芯（25）的底端与锤头（5）相连；锤头（5）的底端设有橡胶垫（6）。

5.根据权利要求1所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，其特征在于：所述的激光发射器（19）与对准器（22）保持水平一致。

6.根据权利要求3所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变的测量方法，其特征在于：所述的辅助架（1）上设有高速摄影机（3），高速摄影机（3）通过勾形夹具（21）挂置在辅助架（1）上，通过螺纹钉（20）固定。