CN109859557A - 用于模拟地壳受力变形的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地质研究领域，公开了一种用于模拟地壳受力变形的实验装置，该用于模拟地壳受力变形的实验装置包括实验板(1)、挡板部和驱动机构，所述挡板部设置在所述实验板(1)上且包括垂直于所述实验板(1)的多个挡板(3)，多个所述挡板(3)能够围成封闭的框形以限定用于容纳实验材料的模拟区域，所述驱动机构连接每个所述挡板(3)且能够驱动每个所述挡板(3)运动并对每个所述挡板(3)进行定位。本发明提供的用于模拟地壳受力变形的实验装置能够充分满足模拟不同方向的构造应力产生的叠加变形的要求。

Description

用于模拟地壳受力变形的实验装置

技术领域

本发明涉及地质研究领域，具体地涉及一种用于模拟地壳受力变形的实验装置。

背景技术

自然界的各种地质构造均是地壳岩石受力变形的结果。构造变形主要包括六种基本类型：伸展构造、压缩构造、升降构造、走滑构造、滑动构造和旋转构造。构造物理模拟实验是以地质构造变形为基础，模拟并探讨地质构造的变形特征、形成过程和力学机制。同时，地质构造在漫长的地质历史时期常常经历多期构造应力的作用。随着构造地质学研究的逐渐深入，地质学者对构造物理模拟实验设备提出了更高的需求，但现有设备难以模拟不同方向的构造应力产生的叠加变形，不便于地质研究者进行地壳受力变形的研究。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的无法满足模拟不同方向的构造应力产生的叠加变形的要求问题，提供一种用于模拟地壳受力变形的实验装置。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于模拟地壳受力变形的实验装置，该用于模拟地壳受力变形的实验装置包括实验板、挡板部和驱动机构，所述挡板部设置在所述实验板上且包括垂直于所述实验板的多个挡板，多个所述挡板能够围成封闭的框形以限定用于容纳实验材料的模拟区域，所述驱动机构连接每个所述挡板且能够独立地驱动每个所述挡板运动并对每个所述挡板进行定位。

优选地，所述挡板包括两个沿X方向延伸的第一挡板和两个沿Y方向延伸的第二挡板，所述驱动机构能够驱动该两个所述第一挡板中的至少一者沿Y方向运动，所述驱动机构还能够驱动该两个第二挡板中的至少一者沿X方向运动。

优选地，该实验装置还包括角配合件，所述角配合件包括垂直于所述实验板的第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板，所述第一配合挡板、所述第二配合挡板和所述第三配合挡板两两之间互相连接，以使所述角配合件围成三角状的区域，所述角配合件设置为使得所述第一配合挡板和所述第二配合挡板能够贴合于任意两个相邻的第一挡板和第二挡板，以使所述第三配合挡板和所述第一挡板部、所述第二挡板部共同限定所述模拟区域。

优选地，所述实验板上设置有升降部，所述升降部具有用于支撑所述实验材料的支撑面，所述驱动机构能够驱动所述升降部沿垂直于所述实验板的方向运动，以使所述支撑面能够在与所述实验板的板面齐平的第一位置和高于所述实验板的板面的第二位置之间移动。

优选地，所述实验板上具有缺口，所述升降部填充在所述缺口中，所述升降部包括多个彼此独立的升降块，每个所述升降块的上表面共同形成所述支撑面，所述驱动机构能够驱动每个所述升降块独立地做升降运动。

优选地，所述实验板包括至少两个拼接设置的拼接板，其中一个所述拼接板能够相对于其中另一个所述拼接板发生沿拼接线的延伸方向的运动。

优选地，所述实验板上嵌置有多个叠合部，每个所述叠合部包括彼此平行的第一叠合件和第二叠合件，所述驱动机构能够驱动多个所述叠合部运动，其中，所述驱动机构能够驱动所述第一叠合件运动，以使所述第一叠合件能够运动到与所述第二叠合件至少部分重叠的位置。

优选地，多个所述叠合部并排设置，所述驱动机构用于驱动位于最边缘的所述叠合部运动，多个所述叠合部的端面上设置有平行四连杆机构，所述平行四连杆机构连接每个所述叠合部，以使其他所述叠合部发生相同于被所述驱动机构驱动的所述叠合部发生的运动。

优选地，每个所述挡板由多个可拆卸的拼接挡板构成。

优选地，所述挡板包括连接片和紧固件，每个所述连接片通过所述紧固件同时固定在相邻的两个所述拼接挡板之间。

通过上述技术方案，由于本发明提供的用于模拟地壳受力变形的实验装置包括多个挡板，驱动机构连接每个挡板从而驱动每个所述挡板运动，且驱动机构还能够对这些挡板进行定位，因此向挡板围成的区域中放置实验材料之后，由于驱动机构能够独立地驱动各个挡板运动以及对各个挡板进行定位，因此不同挡板之间的运动和定位互不影响，驱动机构可以根据需求选择性的驱动挡板以及定位挡板，且对于驱动和定位挡板的时机也可以根据需要进行选择，从而使得本申请提供的实验装置能够满足模拟不同方向的构造应力产生的叠加变形的要求。

附图说明

图1是根据本发明优选实施方式的用于模拟地壳受力变形的实验装置的俯视图；

图2是根据本发明优选实施方式的用于模拟地壳受力变形的实验装置的侧视图；

图3是根据本发明优选实施方式的角配合件的示意图。

附图标记说明

1-实验板 11-第一板 12-第二板

21-推动电机 22-推杆 23-推板 24-滑轨 25-控制台 26-升降杆

3-挡板 31-拼接挡板 32-连接片 33-铆钉

41-叠合部 42-连杆 43-连接件

5-升降部 51-升降快 52-顶杆 53-顶杆控制台

6-角配合件 62-角配合件挡板连接件

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种用于模拟地壳受力变形的实验装置，该用于模拟地壳受力变形的实验装置包括实验板1、挡板部和驱动机构，所述挡板部设置在所述实验板1上且包括垂直于所述实验板1的多个挡板3，多个所述挡板3能够围成封闭的框形以限定用于容纳实验材料的模拟区域，所述驱动机构连接每个所述挡板3且能够独立地驱动每个所述挡板3运动并对每个所述挡板3进行定位。

由于本发明提供的用于模拟地壳受力变形的实验装置包括多个挡板，驱动机构连接每个挡板从而驱动每个所述挡板运动，且驱动机构还能够对这些挡板进行定位，因此向挡板围成的区域中放置实验材料之后，由于驱动机构能够独立地驱动各个挡板运动以及对各个挡板进行定位，因此不同挡板之间的运动和定位互不影响，驱动机构可以根据需求选择性的驱动挡板以及定位挡板，且对于驱动和定位挡板的时机也可以根据需要进行选择，从而使得本申请提供的实验装置能够满足模拟不同方向的构造应力产生的叠加变形的要求。

在本申请的一种实施方式中，挡板3包括两个沿X方向延伸的第一挡板和两个沿Y方向延伸的第二挡板，所述驱动机构能够驱动该两个所述第一挡板中的至少一者沿Y方向运动，所述驱动机构还能够驱动该两个第二挡板中的至少一者沿X方向运动，使得实验装置能够模拟沿X方向或者Y方向的伸展和压缩构造，也可以同时模拟沿X方向和Y方向的伸展和压缩构造。

具体地，参考图1所示的结构，四块挡板3构成了闭环的矩形，驱动机构包括四个推动电机21，每个推动电机21上连接有推杆22，推杆22的末端连接有推板23，推板23通过螺栓连接形式贴合于挡板3的表面，推动电机21能够控制位于推动电机21和推板23之间的推杆22的长度，从而带动挡板3沿垂直于挡板3的板面的方向运动，推动电机21可以选用具有自锁功能的电机，从而可以利用推板23抵住挡板3而对挡板3进行定位，使得被抵住的挡板3即使被实验材料所挤压也不会发生移动。

还可优选地，在本申请中挡板3的长度可以调节，具体地挡板3由多个可拆卸的拼接挡板31构成，在相邻的两个拼接挡板31上设置有连接片32，连接片32的两端分别位于相邻的两个拼接挡板31上，并通过紧固件将连接片32同时紧固在相邻的两个拼接挡板31上，在图1示出的实施方式中，铆钉33作为紧固件从而将连接片32同时固定在相邻的两个拼接挡板31上，但是紧固件可以也选用螺栓、螺钉等，连接片32可以选用钢质的片状件，操作者可以根据需求调节拼接挡板31的数量，从而调节挡板3的长度。

参考图3所示的结构，本申请提供的实验装置还包括角配合件6，所述角配合件6包括垂直于所述实验板的第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板，从而能够围成三角状的区域，通过将角配合件6设置在第一挡板和第二挡板围成的区域中，并将角配合件6的第一配合挡板和第二配合挡板贴合于任意两个相邻的第一挡板和第二挡板，将实验材料放置在第三配合挡板和两个第一挡板、两个第二挡板共同限定的区域中(即角配合件6所围成的区域之外的区域)，这样当与角配合件6相邻的第一挡板和/或第二挡板运动时，就能够带动角配合件6运动，从而使得角配合件6的第三配合挡板向内移动挤压实验材料或者向外移动使得实验材料朝着第三配合挡板移动，从而模拟出垂直于第三配合挡板的压缩或者伸展构造应力。

在第一挡板和第二挡板彼此垂直从而形成闭环的矩形的情况下，角配合件6的第一配合挡板和第二配合挡板也彼此垂直，这样当与角配合件6接触的第一挡板和/或第二挡板运动时沿垂直于自身的板面的方向运动时，就能够带动角配合件的第三配合挡板移动，操作者可以根据实际情况调节第三配合挡板的延伸方向，从而模拟出实验所需的伸展或者压缩构造应力。同样地，构成角配合件6的第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板可以选用和挡板3类似的结构，即通过连接片和紧固件将多个长度较小的挡板拼接起来分别构成第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板，从而实现第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板的长度可调，另外，第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板彼此之间可以通过角配合件挡板连接件62进行连接，从而构成稳固的三角状结构，角配合件挡板连接件62可以为螺栓、螺钉、铆钉等。

在本申请的优选实施方式中，也可以模拟旋转构造的受力变形，如图1所示，可以通过连接片和紧固件的配合形式将相邻的挡板3连接起来，从而使得4个挡板3只能共同运动，而不能独自发生运动，然后仅在其中一对相对设置的挡板3上连接推动电机21，以垂直且平分这两个挡板3的直线为界，其中一个推动电机21位于该直线的一侧，另一个推动电机21位于该直线的另一侧，并且控制这两个推动电机21同时对挡板3施加推力，从而使得挡板3发生顺时针或者逆时针的转动，从而模拟旋转构造。

为了能够移动推动电机21从而改变推动电机21连接挡板3的位置，推动电机21的下方设置有用于控制推动电机运作的控制台25，该控制台通过滑块可滑动地在围绕实验板1设置的滑轨24上，因此推动电机21能够沿滑轨24运动从而能够在不同的位置对挡板3施加作用力；另外，控制台25和推动电机21之间设置有升降杆26，控制台25包括内部具有多个电机，从而能够控制多个升降杆26的升降，从而使得推动电机21能够在不同的高度对挡板3施加作用下。

此外，本申请提供的结构也能够模拟滑动构造，在多个挡板3围成的区域中铺设实验材料之后，撤掉其中一块挡板3，即可模拟地形向该方向的上体滑坡或泥石流等滑塌构造。具体地，通过推动电机21控制推板23抵住挡板3从而对挡板3进行定位，使得铺设实验材料时，挡板3不会发生移动，铺设完成之后，再移除所需移除挡板3即可完成模拟滑动构造。

在本申请的优选实施方式中，还能够模拟走滑构造的受力变形，如图1所示，实验板1包括第一板11和第二板12，第一板11和第二板12贴合地拼接在一起，其中第一板11和第二板12中的至少一者能够沿着拼接线的延伸方向运动，在挡板3围成的区域中铺设完实验材料之后，移动第一板11和第二板12中的一者，即可完成对走滑构造的模拟；当然，也可以同时移动第一板11和第二板12，且两者的移动方向也可以相反，从而模拟出特定情况的走滑构造。需要说明的是，本申请并不限定于两个板的形式，实验台1可以由多块板拼接构成，从而也能够模拟出较为复杂的走滑构造的受力变形，这都在本申请的保护范围之内。

为了能够使得本申请提供的实验装置能够模拟升降构造的受力变形，所述实验板上设置有升降部5，所述升降部5具有用于支撑所述实验材料的支撑面，所述驱动机构能够驱动所述升降部沿垂直于所述实验板1的方向运动，以使所述支撑面能够在与所述实验板1的板面齐平的第一位置和高于所述实验板1的板面的第二位置之间移动。通过控制支撑面在第一位置和第二位置之间移动，就可完成对升降构造的模拟。

具体地，如图1和图2所示，所述实验板1上具有缺口，所述升降部填充在所述缺口中，所述升降部包括多个彼此独立的升降块51，每个所述升降块51的上表面共同形成所述支撑面，所述驱动机构能够驱动每个所述升降块51独立地做升降运动。其中，每个升降块51都由一个独立控制的顶杆52所支撑，每个顶杆52由顶杆控制台53控制，顶杆控制台53内部具有多个电机，从而能够独立地驱动升降块，使得每个升降块51都能够独立地做升降运动，使得本申请提供的实验装置能够模拟较为复杂的升降构造。

在进行伸展或者压缩构造的受力变形时，由于挡板3只能从边缘控制实验材料的伸展或者对实验材料进行压缩，因此无法模拟实验材料的各个位置均匀受力的伸展或者压缩构造，为了实现该目的，优选地，所述实验板1上嵌置有多个叠合部41，每个所述叠合部41包括彼此平行的第一叠合件和第二叠合件，所述驱动机构能够驱动多个所述叠合部41运动，其中，所述驱动机构能够驱动所述第一叠合件运动，以使所述第一叠合件能够运动到与所述第二叠合件至少部分重叠的位置。

当驱动机构同时驱动并控制每个叠合部41的第一叠合件运动到与第二叠合件重合的位置时，则每个叠合部上的41上的实验材料发生的压缩构造均相同，同样地，当每个叠合部的第一叠合件和第二叠合件从彼此重合或者至少部分重合的状态下运动到不重合的状态下，则每个叠合部上的41上的实验材料发生的伸展构造均相同。

具体地，多个所述叠合部41并排设置，所述驱动机构用于驱动位于最边缘的所述叠合部41运动，多个所述叠合部41的端面上设置有平行四连杆机构，所述平行四连杆机构连接每个所述叠合部41，以使其他所述叠合部41发生相同于被所述驱动机构驱动的所述叠合部41发生的运动。

参考图2所示的结构，多个连杆42构成了平行四连杆机构，多个连杆42通过连接件43铰接连接在各个叠合部41上，当最左侧的连杆42发生运动时而产生了在沿叠合部的排列方向上的位移时，该连杆42能够带动与其铰接的叠合部发生相同的运动，更具体地是与其连接的叠合部41的第一叠合件发生运动，从而使得该叠合部上的实验材料发生伸展构造或者压缩构造，同时，当该连杆运动时，其能够带动与该连杆平行的其他连杆发生与该连杆相同的运动，从而使得每个叠合部上的实验材料受到相同的伸展或者压缩；同样地，当最右侧的连杆42发生运动时，最终也能够使得每个叠合部上的实验材料受到相同的伸展或者压缩。本申请可以采用在最边缘的连杆42上设置电机驱动件，从而驱动该连杆运动。另外，第一叠合件和第二叠合件可以为能够重叠在一起的板状，也可以为能够使得第一叠合件套在第二叠合件上的盒状件，即第一叠合件的一侧具有开口，当其和第二叠合件重叠时，第二叠合件能够通过第一叠合件的开口进入到第二叠合件中，从而实现第一叠合件和第二叠合件的重叠。

在图1所示的结构中，本申请的实验装置包括两块彼此能够发生滑动的第一板11和第二板12，第一板11上设置有多块阵列设置的升降块51，第二板12上嵌置有多个叠合部41，实验板1上设置有四个分别由推动电机21独立地控制的挡板3，因此本申请提供的实验装置能够在同一块实验板上，实现六种基本的构造变形的物理模拟，包括伸展构造、压缩构造、升降构造、走滑构造、滑动构造和旋转构造。此外，还能够实现模拟多期不同性质、不同方向的构造应力产生的叠加变形，以及非均匀和均匀伸展或压缩构造变形。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，该用于模拟地壳受力变形的实验装置包括实验板(1)、挡板部和驱动机构，所述挡板部设置在所述实验板(1)上且包括垂直于所述实验板(1)的多个挡板(3)，多个所述挡板(3)能够围成封闭的框形以限定用于容纳实验材料的模拟区域，所述驱动机构连接每个所述挡板(3)且能够独立地驱动每个所述挡板(3)运动并对每个所述挡板(3)进行定位。

2.根据权利要求1所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述挡板(3)包括两个沿X方向延伸的第一挡板和两个沿Y方向延伸的第二挡板，所述驱动机构能够驱动该两个所述第一挡板中的至少一者沿Y方向运动，所述驱动机构还能够驱动该两个第二挡板中的至少一者沿X方向运动。

3.根据权利要求2所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，该实验装置还包括角配合件(6)，所述角配合件(6)包括垂直于所述实验板的第一配合挡板、第二配合挡板和第三配合挡板，所述第一配合挡板、所述第二配合挡板和所述第三配合挡板两两之间互相连接，以使所述角配合件(6)围成三角状的区域，所述角配合件(6)设置为使得所述第一配合挡板和所述第二配合挡板能够贴合于任意两个相邻的第一挡板和第二挡板，以使所述第三配合挡板和所述第一挡板部、所述第二挡板部共同限定所述模拟区域。

4.根据权利要求1所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述实验板上设置有升降部(5)，所述升降部(5)具有用于支撑所述实验材料的支撑面，所述驱动机构能够驱动所述升降部沿垂直于所述实验板(1)的方向运动，以使所述支撑面能够在与所述实验板(1)的板面齐平的第一位置和高于所述实验板(1)的板面的第二位置之间移动。

5.根据权利要求4所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述实验板(1)上具有缺口，所述升降部填充在所述缺口中，所述升降部包括多个彼此独立的升降块(51)，每个所述升降块(51)的上表面共同形成所述支撑面，所述驱动机构能够驱动每个所述升降块(51)独立地做升降运动。

6.根据权利要求1所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述实验板(1)包括至少两个拼接设置的拼接板，其中一个所述拼接板能够相对于其中另一个所述拼接板发生沿拼接线的延伸方向的运动。

7.根据权利要求1所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述实验板(1)上嵌置有多个叠合部(41)，每个所述叠合部(41)包括彼此平行的第一叠合件和第二叠合件，所述驱动机构能够驱动多个所述叠合部(41)运动，其中，所述驱动机构能够驱动所述第一叠合件运动，以使所述第一叠合件能够运动到与所述第二叠合件至少部分重叠的位置。

8.根据权利要求7所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，多个所述叠合部(41)并排设置，所述驱动机构用于驱动位于最边缘的所述叠合部(41)运动，多个所述叠合部(41)的端面上设置有平行四连杆机构，所述平行四连杆机构连接每个所述叠合部(41)，以使其他所述叠合部(41)发生相同于被所述驱动机构驱动的所述叠合部(41)发生的运动。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，每个所述挡板(3)由多个可拆卸的拼接挡板(31)构成。

10.根据权利要求9所述的用于模拟地壳受力变形的实验装置，其特征在于，所述挡板包括连接片(32)和紧固件，每个所述连接片(32)通过所述紧固件同时固定在相邻的两个所述拼接挡板之间。