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1. WO2020134581 - MEDIUM-LOW STRAIN-BASED DYNAMIC STATIC INTEGRATED EXPERIMENTAL TEST SYSTEM

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8  

附图

1   2   3   4   5   6   7  

说明书

发明名称 : 中低应变率动静一体化试验测试系统

技术领域

[0001]
本发明涉及材料力学领域,尤其涉及岩石、混凝土等材料温压耦合中低应变率加载条件下力学特性研究。

背景技术

[0002]
冲击、振动、碰撞和爆炸等动力问题广泛存在于世界科学领域。许多岩石工程问题,如干热岩开发、油气开采、煤矿开采和隧道进行等均属于动力学范畴。然而在以往的研究中,这些岩石工程问题往往简化为准静态问题进行试验分析。岩石在动态荷载作用下的变形和破裂规律与静态荷载作用下存在显著的区别,这种由动态分析向准静态分析的简化对实际岩石工程问题的认识和评估将造成偏差。这样不仅不利于有效地开发地下空间和矿产资源,同时有碍于地下结构稳定性的准确评估,继而造成财产的损失和人员安全的威胁。
[0003]
当岩石所处应变率水平大于10 -3s -1时,其自身惯性效应的影响不可忽略,为动力学研究范畴。最常用测试岩石动态力学性能的试验装置为霍普金森杆试验系统,能够提供中高应变率范围,即10 1s -1至10 2s -1范围内的应变率加载。目前的霍普金森杆试验装置不仅可以测岩石动态压、拉、扭、剪力学特性,同时可以满足初始静力条件下的动态扰动加载。相比而言,中低应变率范围,即应变率在10 -3s -1至10 1s -1范围内试验装置相对较少。常规的液压伺服机最高只能提供10 -1s -1的应变率加载。落锤试验机虽然可以提供10 0s -1至10 1s -1范围内的应变率加载,但是该装置试验数据获取困难、加载控制精度不高且无法考虑初始静力条件下的动态扰动。在这一方面,Logan和Handin开发了动力三轴试验机,该装置采用气动液压加载方式,可对直径和高度分别为20mm和40mm的圆柱形试样轴向进行动态加载,且最大动态轴压可达100吨。中科院武汉岩土所研制的RDT—10000型高压动力三轴仪同样采用气动液压加载方式,分别可以实现轴向和径向两个方向动态加载。其中轴向静载和动载最高可达220吨,动载最快加载时间 为9毫秒;径向动态围压最高可达120吨,且最快加载时间为40毫秒。中南大学研制的真三轴动静加载试验装置,在施加静态荷载的基础上,通过不同直径(10至30毫米)的扰动杆对试样施加局部动态扰动。扰动波形为正弦波,加载频率最大可达70Hz,且最大的动态扰动力为50吨。中国矿业大学(北京)设计研制了真三轴冲击岩爆试验系统,可实现16种不同的基本波形加载,扰动频率为0~1Hz,最大位移振幅0~1mm。
[0004]
应变率在10 -3s -1至10 1s -1范围内动态试验装置中,仍然存在以下几个问题:
[0005]
1、传统的液压加载方法激发的扰动波频率受到限制。由于现有伺服阀响应频率的限制,激发应力波波形频率往往小于70Hz。对于正弦波这类需要采用多点控制的波形,其频率一般只有十几Hz,甚至几Hz。岩石在这种低频波扰动时,很难达到较高的应变率水平,无法研究应变率在10 -1s -1至10 1s -1范围内岩石的动态力学特性。
[0006]
2、虽然已有学者尝试通过用气动液压方式进行动态加载,该方法能够达到相比液压加载更快的加载速率,Logan和Handin研制的动力三轴试验机和中科院武汉岩土所的RDT—10000性高压动力三轴仪分别可以达到10 1s -1和10 0s -1量级的加载。但是他们都是等围压(即σ 2=σ 3)的三轴设备,且试样尺寸相对较小,其直径介于20至30mm之间,长度介于40至60mm之间。
[0007]
3、真三轴设备测试系统试验数据获取困难,尤其是由于试样六个表面均与压头直接接触,无法在试样表面粘贴应变片获取试验过程中试样的变形特征,继而更加无法监测、获取试样内部动态力学参数,分析试样内部的三维各向异性和非均匀性。
[0008]
4、大部分中低应变率加载下的真三轴加载装置均没有考虑温度对岩石力学特性的影响。
[0009]
总体而言,目前岩石真三轴动态加载试验系统,无法达到应变率在10 -3s -1至10 1s -1范围内动态加载,动态扰动波的频率不大于70Hz,小于大多数动态扰动荷载类型的频率,并且试样动态力学参数监测、获取困难,没有考虑岩石所处的温度环境。
[0010]
发明内容
[0011]
为了解决现有技术中问题,本发明提供了一种中低应变率动静一体化试验测试系统,该测试系统可用于研究以下岩石工程问题:
[0012]
1、干热岩开采、油气开采中涉及的动态压裂问题;
[0013]
2、采矿工程中涉及的开挖、岩爆、矿震、冲击地压等动态扰动问题;
[0014]
3、隧道掘进中涉及的破岩、爆破等动态扰动问题;
[0015]
4、地震、高速列车等扰动荷载作用下地下结构稳定性问题。
[0016]
一种中低应变率动静一体化试验测试系统,其包括:试样、加热板、刚性压板、声发射传感器、静力加载装置、动力加载装置、磁致伸缩位移传感器、试样加载机构、荷载传感器;
[0017]
所述测试系统包括X、Y和Z三个方向静力加载装置和单独Z方向的动力加载装置,其中X、Y方向各两个静力加载装置,Z方向一个静力加载装置,测试试样放置于试样加载机构中,5个静力加载装置上均分别安装磁致伸缩位移传感器与荷载传感器;
[0018]
所述加热板依附于试样表面对试样进行直接加热,在和试样接触的加热板中内置加热管;试样六个方向的刚性压板中设有6N个掏槽,N=2或N=3或N=4或N=5或N=6,6N个声发射传感器嵌入至刚性压板中,所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能。
[0019]
作为本发明的进一步改进,静力加载装置为静力液压伺服油缸。
[0020]
作为本发明的进一步改进,动力加载装置具体结构如下:其包括伺服控制器、油源控制器、电液伺服控制软件、时域波形再现软件、信号调理单元与传感器、液压线性激振器、液压油源及分油器;通过以太网将伺服控制器、油源控制器与电液伺服控制软件、时域波形再现软件相连接,通 过信号调理单元与传感器的数据,采用伺服控制器控制液压线性激振器,通过控制及测量信号,采用油源控制器控制液压油源及分油器。
[0021]
作为本发明的进一步改进,所述声发射传感器内置于刚性压板中,通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。
[0022]
作为本发明的进一步改进,通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控。
[0023]
作为本发明的进一步改进,将温度传感器内置于加热板中,实时监控加热板温度。
[0024]
作为本发明的进一步改进,刚性压板中的掏槽为圆柱形,开槽直径为2~4cm。
[0025]
作为本发明的进一步改进,加热管加热温度的范围取值为20℃至200℃。
[0026]
本发明的有益效果是:
[0027]
本发明针对真三轴测试系统试验数据获取困难,尤其是无法监测试样内部动态力学参数这一现象,实现了高温和中低应变率加载下固体动态各项异性和非均匀性的测试系统。
[0028]
本发明克服了声发射传感器抗压能力差,无法在高压环境下工作这一缺陷,在岩石试样六个方向的刚性压板中设计共24个掏槽,刚性压板中的掏槽应为圆柱形,开槽直径应为2~4cm,将24个声发射传感器嵌入至刚性压板中,通过主动激发与接收超声波,分析岩石试样三维内部应力波传播特征,三维各向异性和非均匀性。
[0029]
本发明适用多种尺寸岩石试样的力学性能测试。
[0030]
1.静态加载模块
[0031]
本发明采用液压伺服加载,轴向(Z轴)和侧向(X、Y轴)可分别实现0~3000KN和0~700KN范围内的伺服静态加载,其中Z轴油缸具有 ±20mm的活塞行程,X、Y轴方向每个油缸具有±10mm的活塞行程。
[0032]
本发明具有水力压裂功能,可提供0~80MPa水力压裂的应力,油缸最大工作压力20MPa;油缸行程200mm,排水量240ml。
[0033]
2.温度加载模块
[0034]
本发明温度控制模块采用六面直接加热测温的温控方式,并通过PID(比例、积分、微分)精确控制调节。
[0035]
本发明试件温度控制范围为室温至200℃,加热板温度控制精度为0.1℃,温度传感器精度±0.1℃,可承载温度范围分别为Z方向0KN~3000KN,X、Y方向0KN~700KN。
[0036]
3.动态加载模块
[0037]
传统液压加载系统激发的动态荷载频率往往小于70Hz,对于需要多点控制的正弦波,其频率一般只有十几Hz,甚至几Hz。本发明液压缸要求实现加载应力波频率达到0.1~300Hz范围内伺服可控,且最大动态激振力可达1000KN,振幅范围±0.15mm,对应加载率达到10 1s -1量级。
[0038]
本发明可实现矩形波、三角波、正弦波等任意波形加载。扰动荷载的作用方式可实现点作用形式(局部扰动杆扰动)和面作用形式。
[0039]
本发明通过先进的伺服自适应幅相控制补偿技术、辨识频域迭代自学习控制算法等控制技术相结合,高性能的流体动力技术作动器执行动作,最终实现试验对象在等幅控制下和时域波形复现控制下遭受振动时的受力变化。
[0040]
本发明整体结构为封闭型,具有限压保护、卸荷,高效率、低噪音等功能特点,并可以根据试验需求流量同时或分别输出动力。

附图说明

[0041]
图1是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试系统XY平面图;
[0042]
图2是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试系统XZ平面图;
[0043]
图3是本发明一种中低应变率动静一体化试验测试系统动力加载装置组成图;
[0044]
图4是本发明的试样及加热板结构示意图;
[0045]
图5至图7是本发明的试样、加热板及刚性压板示意图。
[0046]
图中部件名称如下:
[0047]
试样101、加热板102、刚性压板103、声发射传感器104;
[0048]
静力加载装置201、动力加载装置202、磁致伸缩位移传感器203、试样加载机构204、荷载传感器205;
[0049]
伺服控制器301、油源控制器302、电液伺服控制软件303、时域波形再现软件304、信号调理单元与传感器305、液压线性激振器306、液压油源及分油器307。
[0050]
本文中英文简称PID:比例、积分、微分。

具体实施方式

[0051]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0052]
本发明的测试系统,引入动态加载和动力参数获取功能,实现应变率在10 -3s -1至10 1s -1范围内岩石动态力学特性研究,研制中低应变率动静一体化真三轴试验测试系统。
[0053]
如图1和图2所示,图1为中低应变率动静一体化试验测试系统XY平面图,图2为中低应变率动静一体化试验测试系统XZ平面图。本发明的测试系统包括X、Y和Z三个方向静力加载装置201和单独Z方向的动力加载装置202,其中X、Y方向各两个静力加载装置201,Z方向一个静力加载装置201,静力加载装置201为静力液压伺服油缸。X、Y方向四个静力液压伺服油缸,每个最高可提供700KN静态压力,Z方向的一个静力液压伺服油缸最高可提高3000KN静态压力。测试试样放置于试样加载机构204中,5个静力液压伺服油缸上均分别安装磁致伸缩位移传感器203与荷载传感器205,用于精确测量加载过程中压头位移和加载力。
[0054]
动力加载装置202具体结构如下:如图3所示,通过以太网将伺服控制器301、油源控制器302与电液伺服控制软件303、时域波形再现软件304相连接,通过信号调理单元与传感器305的数据,采用伺服控制器301控制液压线性激振器306。通过控制及测量信号,采用油源控制器302控制液压油源及分油器307。动态变形、荷载和位移数据采集采用高速采集卡,可接受8通道模拟量信号,采用数据可达10KHz。伺服油源采用流量梯度设计,液压动力泵站由2套泵机提供动力。试验首先控制静力液压伺服油缸,达到三个加载方向的目标静态荷载,保持稳定后控制动态加载系统,对试样施加动态扰动。
[0055]
加热板102依附于岩石试样六个表面进行直接加热,在和试样101接触的加热板中内置加热管,通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控。温度传感器内置于加热板中,实时监控加热板温度,并利用PID(比例、积分、微分)精确调节,来保证每个加热板达到目标温度。
[0056]
24个声发射传感器104内置于刚性压板103中,通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。分别对初始状态岩石试样、试验后岩石试样以及针对试验要求,对不同加载状态下岩石试样进行动态力学参数监测与获取。具体实施过程如下:
[0057]
1:对岩石六个表面进行编号:X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2,并对内置于六个面上的声发射传感器依次进行编号,S1、S2、S3…S22、S23和S24。
[0058]
2:采用S1号声发射传感器主动激发超声波,并记录波形触发时间。分别记录和计算剩余23个传感器接收的超声波波形,波形触发时间及对应的波速V 1_S2,V 1_S3,V 1_S4…..V 1_S24
[0059]
V 1_Sj=d 1_Sj/t 1_Sj
[0060]
其中j=2,3,4…….,24,d 1_Sj表示Sj号传感器至S1号传感器距离,t 1_Sj表示超声波由S1号传感器传播至Sj号传感器所需时间
[0061]
3:依次重复第二步,分别采用S2号至S24号声发射传感器主动激发超声波,记录和计算波形触发时间以及剩余23个声发射传感器所接收的超声波波形,波形触发时间及对应的波速V i_Sj,其中i表示激发波形传感器编号,j表示接收波形传感器编号。
[0062]
4:通过不同声发射传感器接收超声波的触发时间,通过形函数插值的方法计算岩石内部不同区域的三维应力波波速,具体步骤如下:
[0063]
1)将得到的波速V i_Sj分解至X,Y和Z三个坐标方向V i_Sj- X,V i_Sj- Y和V i_Sj-Z
[0064]
2)确定三维插值函数:
[0065]
[0066]
式中N i为节点i的插值函数,i=1,2,3,……24;m,n,p分别代表每一个坐标方向的行列数减1,即每一个坐标方向拉格朗日多项式的次数;I,J,K表示节点i在每一个坐标方向的行列号。 可以通过以下公式确定:
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]
式中ξ,η和ζ为局部坐标系中三个坐标方向,分别对应直角坐标系中X,Y和Z三个坐标方向;n=24,为传感器个数;(ξ,η,ζ)为试样内部任意一点的位置;(ξ j,η j,ζ j)为每一传感器对应局部坐标系中的坐标值。
[0071]
3)确定试样内部三维应力波波速
[0072]
试样内部任意一点的X,Y和Z方向的应力波波速可以通过以下公式获得:
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
通过得到的岩石内部三维应力波波速及超声波振幅与频率,明确岩石试样的三维各向异性和非均匀性。
[0077]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:其包括:试样(101)、加热板(102)、刚性压板(103)、声发射传感器(104)、静力加载装置(201)、动力加载装置(202)、磁致伸缩位移传感器(203)、试样加载机构(204)、荷载传感器(205); 所述测试系统包括X、Y和Z三个方向静力加载装置(201)和单独Z方向的动力加载装置(202),其中X、Y方向各两个静力加载装置(201),Z方向一个静力加载装置(201),测试试样(101)放置于试样加载机构(204)中,5个静力加载装置(201)上均分别安装磁致伸缩位移传感器(203)与荷载传感器(205); 所述加热板(102)依附于试样(101)表面对试样(101)进行直接加热,在和试样(101)接触的加热板(102)中内置加热管;试样(101)六个方向的刚性压板(103)中设有6N个掏槽,N=2或N=3或N=4或N=5或N=6,6N个声发射传感器(104)嵌入至刚性压板中,所述声发射传感器具有主动激发和接收超声波功能。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:静力加载装置(201)为静力液压伺服油缸。
[权利要求 3]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:动力加载装置(202)具体结构如下:其包括伺服控制器(301)、油源控制器(302)、电液伺服控制软件(303)、时域波形再现软件(304)、信号调理单元与传感器(305)、液压线性激振器(306)、液压油源及分油器(307);通过以太网将伺服控制器(301)、油源控制器(302)与电液伺服控制软件(303)、时域波形再现软件(304)相连接,通过信 号调理单元与传感器(305)的数据,采用伺服控制器(301)控制液压线性激振器(306),通过控制及测量信号,采用油源控制器(302)控制液压油源及分油器(307)。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:所述声发射传感器(104)内置于刚性压板中,通过适当耦合剂保证传感器与压板充分接触。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:通过向加热管中注入热油或者冷却液对试样进行温控。
[权利要求 6]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:将温度传感器内置于加热板中,实时监控加热板温度。
[权利要求 7]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:刚性压板中的掏槽为圆柱形,开槽直径为2~4cm。
[权利要求 8]
根据权利要求1所述的中低应变率动静一体化试验测试系统,其特征在于:加热管加热温度的范围取值为20℃至200℃。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]