一種圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)測試新方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)測試新方法，該方法由測試顆粒亮度與應(yīng)力關(guān)系和測試光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)兩個主要步驟組成。其特征在于通過獲取在壓力作用下裝置中三個光彈顆粒間剛開始運(yùn)動時顆粒的光彈性圖像，代入顆粒彩色梯度值和荷載擬合曲線多項(xiàng)式獲取其應(yīng)力狀態(tài)。并通過應(yīng)力分析獲取光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)。主要優(yōu)點(diǎn)是其基于光學(xué)和受力分析原理，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)方法簡便，便于推廣應(yīng)用；可以得出餅狀光彈顆粒間的摩擦系數(shù)，為光彈顆粒模型試驗(yàn)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)測試新方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種光彈性模型試驗(yàn)顆粒摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測試新方法。
技術(shù)背景
[0002]光彈性試驗(yàn)是利用光的波動性(偏振、雙折射、干涉、衍射等)進(jìn)行應(yīng)力測量的實(shí)驗(yàn)方法，屬于力學(xué)的傳統(tǒng)試驗(yàn)。某些高分子材料(環(huán)氧樹脂、聚碳酸脂等)具有暫時雙折射效應(yīng)，制成與實(shí)物形狀和尺寸幾何相似的模型，并且給模型施加與實(shí)物相似的載荷，在特定的偏振光場中觀察，模型中出現(xiàn)與應(yīng)力有關(guān)的干涉條紋。依照光彈性原理，可以算出模型內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)力大小和方向，實(shí)物的應(yīng)力可依據(jù)相似理論換算得到。
[0003]由于光彈性方法具有直觀性，可以直觀測量應(yīng)力的大小和方向、顯示全場應(yīng)力分布，對應(yīng)力進(jìn)行全場分析。對于顆粒物質(zhì)的的應(yīng)力分布問題模擬分析具有良好的效果。光彈性試驗(yàn)可以通過模型試驗(yàn)有效模擬顆粒的行為，用圓餅狀光彈顆粒模擬顆粒的力學(xué)行為，是一種行之有效的方法。
[0004]而根據(jù)顆粒力學(xué)的研究，摩擦系數(shù)是顆粒之間相互作用力的主要影響因素。顆粒材料之間摩擦系數(shù)的選取是其中的重點(diǎn)之一，然而由于圓餅狀光彈顆粒間的摩擦行為不容易測試，直接影響到光彈性方法模擬顆粒力學(xué)行為研究的精度和效率。因此，需要開發(fā)一種測試圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)的新方法。
[0005]開發(fā)一種測試圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)的新方法，可以測量圓餅狀光彈顆粒間的摩擦系數(shù)，可以有效填補(bǔ)光彈性試驗(yàn)方法在顆粒物質(zhì)摩擦力分析上的不足，使光彈試驗(yàn)在顆粒力學(xué)分析上進(jìn)行推廣應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種光彈性模型試驗(yàn)顆粒摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測試新方法，解決進(jìn)行顆粒物質(zhì)光彈性模型試驗(yàn)中測試顆粒間摩擦系數(shù)需要的新方法。
[0007]為達(dá)到本發(fā)明的目的，采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種光彈性模型試驗(yàn)顆粒摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測試新方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0009]1.測試顆粒亮度與應(yīng)力關(guān)系
[0010]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應(yīng)力，需要先對單個顆粒的接觸應(yīng)力和平均彩色梯度進(jìn)行標(biāo)定。
[0011]①應(yīng)用409-11型光彈儀對不同直徑的單個顆粒施加點(diǎn)荷載，每級荷載為5N，最高加載到100N，獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0012]②根據(jù)光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟件，編寫計算機(jī)程序，根據(jù)光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0013]③根據(jù)獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪制其顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式。
[0014]2.測試光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)
[0015]①根據(jù)裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為a的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為a+0.1mm的玻璃板G1，G2之間，裝置底下固定平板LI，頂上放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為a。
[0016]②把加載裝置固定于409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發(fā)生運(yùn)動，記錄下此時的壓力P1,并拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0017]③對顆粒C光彈圖像進(jìn)行處理，獲取其平均彩色梯度值〈G2〉。
[0018]④將顆粒平均彩色梯度值〈G2〉代入顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式，由顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式可知，得出的結(jié)果有四個解，其中，落入O?100N之間的有兩個解，再根據(jù)實(shí)際情況選取合理的解。算出相應(yīng)的壓應(yīng)力N。
[0019]⑤通過對顆粒C進(jìn)行受力分析可知，
[0020]P1 = 2 (N cos α + μ Nsin α )
[0021]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，可由光彈試驗(yàn)中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，并根據(jù)顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式計算得出相應(yīng)的法向接觸力。P1為環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時施加的法向荷載。
[0022]⑥根據(jù)環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦系數(shù)μ。
[0023]實(shí)施案例一:
[0024]一種光彈性模型試驗(yàn)顆粒摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測試新方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0025]1.測試顆粒亮度與應(yīng)力關(guān)系
[0026]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應(yīng)力，需要先對單個顆粒的接觸應(yīng)力和平均彩色梯度進(jìn)行標(biāo)定。
[0027]①應(yīng)用409-11型光彈儀對直徑為6mm的單個顆粒施加點(diǎn)荷載，每級荷載為5N，最聞加載到100N,獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0028]②根據(jù)光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟件，編寫計算機(jī)程序，根據(jù)光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0029]③根據(jù)獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪制其顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式為:
[0030]<G2> = 0.02269-5.84287E-4F+1.21429E_4F2-2.1663E_6F3+1.04497E-8F4
[0031]2.測試光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)
[0032]①根據(jù)裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為3mm的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為3.1mm的玻璃板G1，G2之間，裝置底下固定平板LI，頂上放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為3mm。
[0033]②把加載裝置固定于409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發(fā)生運(yùn)動，記錄下此時的壓力P1為48N，并拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0034]③對顆粒C光彈圖像進(jìn)行處理，獲取其平均彩色梯度值<G2>為0.061。
[0035]④將顆粒平均彩色梯度值<G2>代入顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式，由顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式可知，得出的結(jié)果有四個解，其中，落入O?10N之間的有兩個解，再根據(jù)實(shí)際情況選取合理的解。算出相應(yīng)的法向接觸力為26N。
[0036]⑤通過對顆粒C進(jìn)行受力分析可知，
[0037]P1 = 2 (Ncos α + μ Nsin α )
[0038]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，由光彈試驗(yàn)中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，并根據(jù)顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式計算得出相應(yīng)的法向接觸力。P1為環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時施加的法向荷載。
[0039]⑥根據(jù)環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦系數(shù) μ 為 0.306。
[0040]實(shí)施案例二:
[0041]一種光彈性模型試驗(yàn)顆粒摩擦系數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測試新方法通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
[0042]1.測試顆粒売度與應(yīng)力關(guān)系
[0043]為了從光彈圖像中直接獲取平均接觸應(yīng)力，需要先對單個顆粒的接觸應(yīng)力和平均彩色梯度進(jìn)行標(biāo)定。
[0044]①應(yīng)用409-11型光彈儀對直徑為1mm的單個顆粒施加點(diǎn)荷載，每級荷載為5Ν，最聞加載到100Ν,獲取各級荷載下顆粒的光彈圖像。
[0045]②根據(jù)光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖，使用MATLAB軟件，編寫計算機(jī)程序，根據(jù)光彈圖像獲取其各級荷載下的彩色梯度值。
[0046]③根據(jù)獲取的各級荷載下的顆粒彩色梯度值繪制其顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式為:
[0047]<G2> = 0.02348+0.0019F+3.80321E_5F2-1.13858E_6F3+6.16217E-9F4
[0048]2.測試光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)
[0049]①根據(jù)加載裝置示意圖把三顆半徑一樣，厚度為3mm的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為3.1mm的玻璃板Gl，G2之間，裝置頂上固定平板LI，底下放置平板L2。其中，平板LI，L2厚度均為3mm。
[0050]②把加載裝置固定于409-11型光彈儀的加載架上，通過平板L2對裝置分級施加不斷增大的壓力P，直到顆粒C發(fā)生運(yùn)動，記錄下此時的壓力P1為45N，并拍攝下此時顆粒C的光彈圖像。
[0051]③對顆粒C光彈圖像進(jìn)行處理，獲取其平均彩色梯度值<G2>為0.083。
[0052]④將顆粒平均彩色梯度值〈G2〉代入顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式，由顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式可知，得出的結(jié)果有四個解，其中，落入O?100N之間的有兩個解，再根據(jù)實(shí)際情況選取合理的解。算出相應(yīng)的法向接觸力為24N。
[0053]⑤通過對顆粒C進(jìn)行受力分析可知，
[0054]P1 = 2 (N cos α+μ N sin)
[0055]式中，N為AC球或者BC球直接的法向接觸力，由光彈試驗(yàn)中獲取圖形彩色梯度的方法獲取其彩色梯度值，并根據(jù)顆粒彩色梯度值和荷載關(guān)系擬合曲線多項(xiàng)式計算得出相應(yīng)的法向接觸力。P1為環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時施加的法向荷載。
[0056]⑥根據(jù)環(huán)氧樹脂顆粒運(yùn)動時法向荷載最大值P1和法向接觸力N，可推算出摩擦系數(shù) μ 為 0.326。
[0057]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0058]1.本發(fā)明基于光學(xué)和受力分析原理，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0059]2.試驗(yàn)方法簡便，便于推廣應(yīng)用。
[0060]3.本發(fā)明可以得出餅狀光彈顆粒間的摩擦系數(shù)，為光彈顆粒模型試驗(yàn)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061]圖1是本發(fā)明的加載裝置示意圖；圖2是光彈性顆粒彩色梯度值計算流程圖:
[0062]LI——加載平板L2——支撐平板
[0063]A——圓餅狀光彈顆粒A
[0064]B——圓餅狀光彈顆粒B
[0065]C——圓餅狀光彈顆粒C。
【權(quán)利要求】
1.一種圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)測試新方法，其特征在于由測試顆粒亮度與應(yīng)力關(guān)系和測試光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)兩個主要步驟組成。其特征在于通過獲取在壓力作用下裝置中三個光彈顆粒間剛開始運(yùn)動時顆粒的光彈性圖像，計算圖像彩色梯度值，代入顆粒彩色梯度值和荷載擬合曲線多項(xiàng)式獲取其應(yīng)力狀態(tài)，并通過應(yīng)力分析獲取光彈性顆粒間的摩擦系數(shù)。
2.一種圓餅狀光彈顆粒摩擦系數(shù)測試新方法，其特征在于加載裝置把三顆半徑一樣，厚度為a的光彈性圓餅狀顆粒A，B, C安裝在兩個間距為a+0.1mm的玻璃板Gl，G2之間，裝置底下固定平板LI,頂上放置平板L2。其中,平板LI, L2厚度均為a。
【文檔編號】G01N19/02GK104316458SQ201410608556
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月28日
【發(fā)明者】周翠英, 李偉科 申請人:中山大學(xué)