一種真三軸多場(chǎng)多相耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種真三軸多場(chǎng)多相耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，屬于力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石材料的三維動(dòng)力特性試驗(yàn)研宄是巖石沖擊動(dòng)力學(xué)中很重要的一個(gè)領(lǐng)域，也是目前研宄的一個(gè)熱點(diǎn)。通過總結(jié)三軸SHPB(霍普金森壓桿)巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的研制情況，并對(duì)各類試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。綜合分析了三軸SHPB試驗(yàn)相關(guān)研宄文獻(xiàn)，總結(jié)了一些共有規(guī)律:①在圍壓一定的情況下，巖石的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變率的增加而增加，呈現(xiàn)出線性函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)增加形式，并且脆性減弱，塑性顯著增加；②在應(yīng)變率一定的情況下，巖石抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著圍壓的增大而增大，線性關(guān)系比較顯著；③巖石動(dòng)靜組合加載時(shí)，在軸壓一定時(shí)，巖石的動(dòng)靜組合抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著圍壓的增大而增大，呈現(xiàn)出近似線性增加趨勢(shì)；在圍壓固定時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著軸向靜壓的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。由于SHPB試驗(yàn)裝置和巖石材料本身的特點(diǎn)，目前在一些基本問題上，如加載應(yīng)力波形、試樣尺寸要求等方面，還沒有統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)范要求，很多試驗(yàn)結(jié)果只能進(jìn)行定性比較，無法在統(tǒng)一尺度上進(jìn)行定量分析。
[0003]目前，分離式Hopkinson壓桿(SHPB)裝置仍是研宄應(yīng)變率段11-1O3s-1巖石類材料動(dòng)態(tài)性能的經(jīng)典測(cè)試系統(tǒng)。該裝置最初由B.Hopkinson提出，后經(jīng)Davis和Kolsky完善，逐漸形成了現(xiàn)代常用的SHPB系統(tǒng)。常用的SHPB裝置主要用于材料的單軸動(dòng)態(tài)抗壓性能的測(cè)試。但在大多數(shù)情況下，巖石以及其他工程材料往往處于多向受力狀態(tài)。因此，在SHPB裝置上研宄巖石類材料的三維動(dòng)力特性很有必要。
[0004]現(xiàn)有常規(guī)三軸SHPB試驗(yàn)機(jī)為參照靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)的，即在普通SHPB試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)加圍壓的裝置，施加圍壓后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，這種方式稱為假三軸巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)裝置，其所施加的圍壓在兩個(gè)軸向上的壓力都是相同的，且圍壓卸載也是同時(shí)卸載；但是這只是理想情況，和礦下的實(shí)際情況相差比較大，礦井下大部分情況巖石在各個(gè)方向受到的力是不同的，且壓力釋放時(shí)各個(gè)方向一般也不會(huì)同時(shí)卸載，這樣會(huì)導(dǎo)致試樣試驗(yàn)與實(shí)際差距較大，使得試驗(yàn)測(cè)量的不全面，無法為后續(xù)研宄提供數(shù)據(jù)支持。另外礦井下的巖石其力學(xué)性能與所處的環(huán)境也有密切關(guān)系，如溫度、濕度、氣體的濃度，液體PH值等都會(huì)影響巖石的力學(xué)性能，只有接近礦井下實(shí)際情況才能真正的測(cè)量到所需的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)巖石所受到的沖擊地壓的防護(hù)研宄。因此如何能在模擬更真實(shí)的礦井下環(huán)境進(jìn)行巖石動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)是本行業(yè)亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種真三軸多場(chǎng)多相耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及方法，不僅對(duì)巖石試樣各個(gè)面的預(yù)應(yīng)力的加載可單獨(dú)控制加壓和卸載，同時(shí)能使巖石試樣處于模擬礦井下的環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，使試驗(yàn)的情況與實(shí)際情況相似，提高試驗(yàn)試樣所得數(shù)據(jù)與礦下實(shí)際情況得到的數(shù)據(jù)更接近。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該種真三軸多場(chǎng)多相耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)軸、液壓系統(tǒng)、子彈、紅外測(cè)速儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)字示波器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，子彈與試驗(yàn)軸處于同一軸線上，所述的試驗(yàn)軸包括三軸加載裝置、入射桿、透射桿、吸收桿和吸收器，入射桿的一端與透射桿的一端分別與三軸加載裝置的兩端固定；透射桿的另一端依次與吸收桿和吸收器壓緊并與吸收桿和吸收器處于同一軸線上；所述的三軸加載裝置為六面體，包括三組兩兩相對(duì)設(shè)置的壓力裝置；所述的六個(gè)壓力裝置全部或部分覆蓋巖石試樣，全部覆蓋的壓力裝置給巖石試樣施加的是預(yù)應(yīng)壓力，而部分覆蓋的壓力裝置給巖石試樣施加的是預(yù)應(yīng)剪切力；每個(gè)壓力裝置分別設(shè)有一個(gè)電磁控制閥并與液壓系統(tǒng)連接，電磁控制閥與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接；紅外測(cè)速儀設(shè)置在子彈與入射桿之間，入射桿和透射桿上裝有應(yīng)變片，應(yīng)變片與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，數(shù)字示波器分別與紅外測(cè)速儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接；所述的試驗(yàn)軸共三個(gè)，分別為X軸、Y軸和Z軸。
[0007]進(jìn)一步，還包括溫度效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，所述的溫度效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括保溫箱體、溫度傳感器和熱電偶，溫度傳感器和熱電偶分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。增加溫度效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)能保證巖石試樣處于各種溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0008]進(jìn)一步，還包括化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，所述的化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括防腐蝕箱體和PH值檢測(cè)裝置，所述的PH值檢測(cè)裝置設(shè)置在防腐蝕箱體內(nèi)，PH值檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。增加化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)可使巖石試樣處于各種PH不同的溶液下進(jìn)行試驗(yàn)，然后得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0009]進(jìn)一步，所述的化學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)中的防腐蝕箱體設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，在進(jìn)氣口和出氣口處各設(shè)有一個(gè)氣體流量檢測(cè)裝置，防腐蝕箱體內(nèi)部設(shè)有氣體濃度檢測(cè)裝置，所述的氣體流量檢測(cè)裝置和氣體濃度檢測(cè)裝置分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。增加進(jìn)氣口和出氣口，可使巖石試樣處于各種氣體情況下進(jìn)行試驗(yàn)，然后得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
[0010]進(jìn)一步，還包括光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀，光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。便于采集的巖石試樣進(jìn)行組分測(cè)定，并進(jìn)行分類處理。[0011 ] 進(jìn)一步，所述的壓力裝置為一個(gè)或多個(gè)液壓油缸。
[0012]進(jìn)一步，所述的液壓系統(tǒng)包括六個(gè)液壓泵，每個(gè)液壓泵分別與一個(gè)壓力裝置連接；使用六個(gè)液壓泵保證每個(gè)液壓泵供給一個(gè)壓力裝置，便于壓力裝置的單獨(dú)控制。
[0013]一種真三軸多場(chǎng)多相耦合動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)方法，具體步驟為:
[0014]1、巖石試樣沖擊試驗(yàn):
[0015]A.通過光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀對(duì)采集的巖石試樣進(jìn)行分析，確定各個(gè)巖石試樣中各種物質(zhì)的組分，然后進(jìn)行分類；由于巖石試樣中各種物質(zhì)的組分不同會(huì)影響巖石試樣的力學(xué)性能，通過光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀分析測(cè)定后，劃分組分范圍，對(duì)巖石試樣進(jìn)行分類，分別進(jìn)行巖石試樣的試驗(yàn)，提高試驗(yàn)精確度；
[0016]B.將分類后的巖石試樣放置在三軸加載裝置中，然后調(diào)節(jié)三軸之間的角度后固定；可任意調(diào)節(jié)所需的沖擊角度，便于測(cè)量各個(gè)方向上對(duì)巖石試樣的沖擊后的力學(xué)性能；
[0017]C.通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制三軸加載裝置上各個(gè)壓力裝置對(duì)巖石試樣施加預(yù)應(yīng)力；由于采用單獨(dú)控制，這樣就可以控制每個(gè)壓力裝置的壓力值及施壓預(yù)應(yīng)力的時(shí)間，同時(shí)可單獨(dú)進(jìn)行壓力的卸載；
[0018]D.設(shè)定一個(gè)或多個(gè)子彈的入射方向，對(duì)巖石試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，紅外測(cè)速儀采集到的數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到的數(shù)據(jù)及液壓系統(tǒng)中各個(gè)壓力裝置的壓力值傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果通過顯示裝置進(jìn)行顯示；通過一個(gè)或多個(gè)子彈的沖擊，模擬了巖石試樣受到一個(gè)方向的沖擊或多個(gè)方向沖擊時(shí)，其力學(xué)性能的情況；
[0019]E.在子彈對(duì)巖石試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，將各個(gè)壓力裝置對(duì)巖石試樣施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行一個(gè)或多個(gè)卸載，然后再通過紅外測(cè)速儀采集到的數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集到的數(shù)據(jù)及液壓系統(tǒng)中各個(gè)壓力裝置的壓力值傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析處理；通過對(duì)壓力裝置一個(gè)或多個(gè)的卸載，可模擬巖石試樣在一個(gè)方向的地壓被釋放或多個(gè)方向的地壓被釋放時(shí)，其力學(xué)性能的情況；
[0020]F.重復(fù)上述步驟B?E，可調(diào)整三軸之間的角度值、各個(gè)壓力裝置對(duì)巖石施加的預(yù)應(yīng)力值、一個(gè)或兩個(gè)或三個(gè)子彈的入射速度及在試驗(yàn)時(shí)各個(gè)壓力裝置卸載壓力的數(shù)量，最后通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出各種不同情況下各種組分不同的巖石試樣的力學(xué)性能參數(shù)，其包括對(duì)巖石試樣的拉力、壓力、扭力、剪切力及彎曲力的測(cè)定；
[0021]I1、在化學(xué)效應(yīng)系統(tǒng)中巖石試樣沖擊試驗(yàn):
[0022]a.將試驗(yàn)裝置放置在化學(xué)效應(yīng)系統(tǒng)中，通過對(duì)巖石試樣浸泡在不同PH值的溶液后進(jìn)行步驟I中的巖石試樣沖擊試驗(yàn)，通過PH檢測(cè)裝置將實(shí)時(shí)的PH值傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進(jìn)而得出在各個(gè)PH值溶液下巖石試樣的力學(xué)性能參數(shù)；
[0023]b.將試驗(yàn)裝置浸泡在化學(xué)效應(yīng)系統(tǒng)中的溶液時(shí)，通過進(jìn)氣口對(duì)溶液箱體內(nèi)注入