一種真三軸多場多相耦合動力學試驗系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種真三軸多場多相耦合動力學試驗系統(tǒng)及方法，屬于力學性能測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]巖石材料的三維動力特性試驗研宄是巖石沖擊動力學中很重要的一個領(lǐng)域，也是目前研宄的一個熱點。通過總結(jié)三軸SHPB(霍普金森壓桿)巖石力學試驗機的研制情況，并對各類試驗機的特點進行了比較。綜合分析了三軸SHPB試驗相關(guān)研宄文獻，總結(jié)了一些共有規(guī)律:①在圍壓一定的情況下，巖石的動態(tài)抗壓強度會隨著應變率的增加而增加，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在應變率一定的情況下，巖石抗壓強度會隨著圍壓的增大而增大，線性關(guān)系比較顯著；③巖石動靜組合加載時，在軸壓一定時，巖石的動靜組合抗壓強度會隨著圍壓的增大而增大，呈現(xiàn)出近似線性增加趨勢；在圍壓固定時，抗壓強度隨著軸向靜壓的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。由于SHPB試驗裝置和巖石材料本身的特點，目前在一些基本問題上，如加載應力波形、試樣尺寸要求等方面，還沒有統(tǒng)一的試驗規(guī)范要求，很多試驗結(jié)果只能進行定性比較，無法在統(tǒng)一尺度上進行定量分析。
[0003]目前，分離式Hopkinson壓桿(SHPB)裝置仍是研宄應變率段11-1O3s-1巖石類材料動態(tài)性能的經(jīng)典測試系統(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態(tài)抗壓性能的測試。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力特性很有必要。
[0004]現(xiàn)有常規(guī)三軸SHPB試驗機為參照靜態(tài)試驗機的工作原理設(shè)計的，即在普通SHPB試驗機的基礎(chǔ)上，設(shè)計一個加圍壓的裝置，施加圍壓后進行沖擊試驗，這種方式稱為假三軸巖石動力學試驗裝置，其所施加的圍壓在兩個軸向上的壓力都是相同的，且圍壓卸載也是同時卸載；但是這只是理想情況，和礦下的實際情況相差比較大，礦井下大部分情況巖石在各個方向受到的力是不同的，且壓力釋放時各個方向一般也不會同時卸載，這樣會導致試樣試驗與實際差距較大，使得試驗測量的不全面，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值等都會影響巖石的力學性能，只有接近礦井下實際情況才能真正的測量到所需的巖石力學數(shù)據(jù)，便于后續(xù)巖石所受到的沖擊地壓的防護研宄。因此如何能在模擬更真實的礦井下環(huán)境進行巖石動力學試驗是本行業(yè)亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種真三軸多場多相耦合動力學試驗系統(tǒng)及方法，不僅對巖石試樣各個面的預應力的加載可單獨控制加壓和卸載，同時能使巖石試樣處于模擬礦井下的環(huán)境進行試驗，使試驗的情況與實際情況相似，提高試驗試樣所得數(shù)據(jù)與礦下實際情況得到的數(shù)據(jù)更接近。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:該種真三軸多場多相耦合動力學試驗系統(tǒng)，包括試驗軸、液壓系統(tǒng)、子彈、紅外測速儀、動態(tài)應變儀、數(shù)字示波器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，子彈與試驗軸處于同一軸線上，所述的試驗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，包括三組兩兩相對設(shè)置的壓力裝置；所述的六個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應壓力，而部分覆蓋的壓力裝置給巖石試樣施加的是預應剪切力；每個壓力裝置分別設(shè)有一個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變片，應變片與動態(tài)應變儀連接，數(shù)字示波器分別與紅外測速儀、動態(tài)應變儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接；所述的試驗軸共三個，分別為X軸、Y軸和Z軸。
[0007]進一步，還包括溫度效應試驗系統(tǒng)，所述的溫度效應試驗系統(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。增加溫度效應試驗系統(tǒng)能保證巖石試樣處于各種溫度下進行試驗，得出相應的數(shù)據(jù)。
[0008]進一步，還包括化學效應試驗系統(tǒng)，所述的化學效應試驗系統(tǒng)包括防腐蝕箱體和PH值檢測裝置，所述的PH值檢測裝置設(shè)置在防腐蝕箱體內(nèi)，PH值檢測裝置與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。增加化學效應試驗系統(tǒng)可使巖石試樣處于各種PH不同的溶液下進行試驗，然后得出相應的數(shù)據(jù)。
[0009]進一步，所述的化學效應試驗系統(tǒng)中的防腐蝕箱體設(shè)有進氣口和出氣口，在進氣口和出氣口處各設(shè)有一個氣體流量檢測裝置，防腐蝕箱體內(nèi)部設(shè)有氣體濃度檢測裝置，所述的氣體流量檢測裝置和氣體濃度檢測裝置分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接。增加進氣口和出氣口，可使巖石試樣處于各種氣體情況下進行試驗，然后得出相應的數(shù)據(jù)。
[0010]進一步，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行組分測定，并進行分類處理。[0011 ] 進一步，所述的壓力裝置為一個或多個液壓油缸。
[0012]進一步，所述的液壓系統(tǒng)包括六個液壓泵，每個液壓泵分別與一個壓力裝置連接；使用六個液壓泵保證每個液壓泵供給一個壓力裝置，便于壓力裝置的單獨控制。
[0013]一種真三軸多場多相耦合動力學試驗方法，具體步驟為:
[0014]1、巖石試樣沖擊試驗:
[0015]A.通過光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀對采集的巖石試樣進行分析，確定各個巖石試樣中各種物質(zhì)的組分，然后進行分類；由于巖石試樣中各種物質(zhì)的組分不同會影響巖石試樣的力學性能，通過光譜分析儀、質(zhì)譜分析儀和衍射分析儀分析測定后，劃分組分范圍，對巖石試樣進行分類，分別進行巖石試樣的試驗，提高試驗精確度；
[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，便于測量各個方向上對巖石試樣的沖擊后的力學性能；
[0017]C.通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制三軸加載裝置上各個壓力裝置對巖石試樣施加預應力；由于采用單獨控制，這樣就可以控制每個壓力裝置的壓力值及施壓預應力的時間，同時可單獨進行壓力的卸載；
[0018]D.設(shè)定一個或多個子彈的入射方向，對巖石試樣進行沖擊試驗，紅外測速儀采集到的數(shù)據(jù)、動態(tài)應變儀采集到的數(shù)據(jù)及液壓系統(tǒng)中各個壓力裝置的壓力值傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析處理，并將結(jié)果通過顯示裝置進行顯示；通過一個或多個子彈的沖擊，模擬了巖石試樣受到一個方向的沖擊或多個方向沖擊時，其力學性能的情況；
[0019]E.在子彈對巖石試樣進行沖擊試驗時，將各個壓力裝置對巖石試樣施加預應力進行一個或多個卸載，然后再通過紅外測速儀采集到的數(shù)據(jù)、動態(tài)應變儀采集到的數(shù)據(jù)及液壓系統(tǒng)中各個壓力裝置的壓力值傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行分析處理；通過對壓力裝置一個或多個的卸載，可模擬巖石試樣在一個方向的地壓被釋放或多個方向的地壓被釋放時，其力學性能的情況；
[0020]F.重復上述步驟B?E，可調(diào)整三軸之間的角度值、各個壓力裝置對巖石施加的預應力值、一個或兩個或三個子彈的入射速度及在試驗時各個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性能參數(shù)，其包括對巖石試樣的拉力、壓力、扭力、剪切力及彎曲力的測定；
[0021]I1、在化學效應系統(tǒng)中巖石試樣沖擊試驗:
[0022]a.將試驗裝置放置在化學效應系統(tǒng)中，通過對巖石試樣浸泡在不同PH值的溶液后進行步驟I中的巖石試樣沖擊試驗，通過PH檢測裝置將實時的PH值傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進而得出在各個PH值溶液下巖石試樣的力學性能參數(shù)；
[0023]b.將試驗裝置浸泡在化學效應系統(tǒng)中的溶液時，通過進氣口對溶液箱體內(nèi)注入