一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法及其測(cè)試裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法及其測(cè)試裝置，其方法是把發(fā)光的毫米級(jí)顆粒放入可以施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置中，然后開(kāi)啟光源，使光源發(fā)出的光依次沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機(jī)傳播，根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)顆粒進(jìn)行壓縮荷載或剪切荷載、或壓縮荷載與剪切荷載組合的施加，在加載的過(guò)程中，攝像機(jī)采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋，應(yīng)用應(yīng)力—光性定律，毫米級(jí)顆粒中不同位置應(yīng)力大小的變化可以通過(guò)條紋密度或光強(qiáng)直接觀(guān)測(cè)，而且對(duì)攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理后，可以對(duì)顆粒介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行標(biāo)識(shí)和計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)顆粒間的接觸應(yīng)力、顆粒介質(zhì)內(nèi)部剪切帶的厚度和角度、力鏈的分布和走向的可視化。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法及其測(cè)試裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顆粒物質(zhì)力學(xué)性能測(cè)試分析及可視化的【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是指一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法及其測(cè)試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]巖土類(lèi)顆粒物質(zhì)在自然界、工程建設(shè)以及日常生活中普遍存在，其力學(xué)特性及動(dòng)力響應(yīng)的研究在學(xué)術(shù)界已經(jīng)開(kāi)展了幾十年。在過(guò)往的研究中，一般都是把巖土顆粒物質(zhì)假設(shè)成連續(xù)體進(jìn)行分析，基于經(jīng)典的彈塑性力學(xué)理論，人們發(fā)展了較多的巖土體宏觀(guān)力學(xué)模型，但沒(méi)有一個(gè)能全面、正確表達(dá)其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)方程。究其原因，主要是由于基于連續(xù)體的假設(shè)與巖土本身的非連續(xù)顆粒特性不符，因此基于顆粒層次的細(xì)觀(guān)研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。
[0003]在力學(xué)分析中，主要采用理論推導(dǎo)、模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法。然而在當(dāng)前的顆粒力學(xué)研究中，理論分析遇到極大困難，數(shù)值模擬計(jì)算因顆粒物質(zhì)計(jì)算量大，只能模擬有限顆粒數(shù)量、形狀單一的顆粒系統(tǒng)，難于滿(mǎn)足理論研究和工程實(shí)踐的需要。因此實(shí)驗(yàn)測(cè)試就顯得尤為重要，或者說(shuō)是現(xiàn)階段最適用的研究手段。
[0004]顆粒力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法很多，主要有高精度電子天平稱(chēng)重法、顯色靈敏復(fù)寫(xiě)紙壓痕法、光彈實(shí)驗(yàn)法、熒光共聚焦顯微鏡法和磁共振彈性成像法。1999年美國(guó)Duke大學(xué)的Behringer教授應(yīng)用光彈性法在顆粒力學(xué)研究領(lǐng)域做了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了相應(yīng)研究論文；清華大學(xué)從07年也開(kāi)始進(jìn)行顆粒的光彈實(shí)驗(yàn)研究,并且在Behringer教授研制的光彈設(shè)備的基礎(chǔ)上增加了可以實(shí)時(shí)跟蹤宏觀(guān)性質(zhì)上的力、位移等物理量的設(shè)備，發(fā)明了一種新型的光彈實(shí)驗(yàn)儀。但是上述兩種光彈儀器主要側(cè)重于軸向荷載作用下，顆粒介質(zhì)內(nèi)部在細(xì)觀(guān)層次的力學(xué)性能方面的研究，為了拓展光彈實(shí)驗(yàn)法在顆粒力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)顆粒內(nèi)部接觸應(yīng)力的直觀(guān)觀(guān)測(cè)，因此本發(fā)明研制了一種顆粒材料壓縮/剪切試驗(yàn)可視化方法及試驗(yàn)裝置，不僅可以對(duì)顆粒材料施加軸向荷載、剪切荷載，而且可以根據(jù)兩種荷載組合來(lái)模擬顆粒介質(zhì)尺度效應(yīng)直觀(guān)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)、應(yīng)力拱試驗(yàn)、剛或柔性基礎(chǔ)下地基載荷等試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)中顆粒介質(zhì)內(nèi)部剪切帶的厚度和角度、力鏈的分布和走向的可視化。
[0005]現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于顆粒內(nèi)部細(xì)觀(guān)力學(xué)性能可視化研究的相關(guān)報(bào)道，本方法及試驗(yàn)裝置的提出，可以為未來(lái)的相關(guān)研究手段提供有益借鑒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法及其測(cè)試裝置，可以對(duì)顆粒材料施加多種荷載，模擬各種常見(jiàn)土力學(xué)試驗(yàn)，應(yīng)用應(yīng)力一光性定律，實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)中顆粒接觸應(yīng)力、剪切帶厚度和角度、力鏈的分布和走向等參數(shù)的可視化。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案其顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法為:首先把由發(fā)光材料加工而成的毫米級(jí)顆粒，放入可以施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置中，然后開(kāi)啟光源，使光源發(fā)出的光線(xiàn)依次沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機(jī)傳播，并確保光源發(fā)出的光傳播到毫米級(jí)顆粒上，之后根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)毫米級(jí)顆粒進(jìn)行壓縮荷載或剪切荷載、或壓縮荷載與剪切荷載組合的施加，在加載的過(guò)程中，攝像機(jī)采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋，應(yīng)用應(yīng)力一光性定律，毫米級(jí)顆粒中不同位置應(yīng)力大小的變化可以通過(guò)條紋密度或光強(qiáng)直接觀(guān)測(cè)，而且對(duì)攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理后，可以對(duì)顆粒介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行標(biāo)識(shí)和計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)顆粒間的接觸應(yīng)力、顆粒介質(zhì)內(nèi)部剪切帶的厚度和角度、力鏈的分布和走向的可視化。
[0008]在加載的過(guò)程中，采用測(cè)量顯示器實(shí)時(shí)記錄下所有荷載、位移數(shù)據(jù)。
[0009]在進(jìn)行圖像處理時(shí)，通過(guò)圖像處理軟件matlab編制相應(yīng)程序進(jìn)行處理，處理后可以將顆粒材料內(nèi)部的力鏈標(biāo)識(shí)出來(lái)，而光強(qiáng)的大小可以用圖像像素點(diǎn)灰度值的大小表示，之后再根據(jù)應(yīng)力一光性定律，就可以通過(guò)圖像灰度值的大小反映各點(diǎn)應(yīng)力的大小。
[0010]本發(fā)明所述顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，包括有光源、用于形成平面偏振光的起偏鏡、用于形成圓偏振場(chǎng)的1/4波片、可對(duì)其內(nèi)顆粒材料施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置、用于過(guò)濾其它方向偏振光的檢偏鏡以及用于采集圖片的攝像機(jī)，其中，所述起偏鏡和攝像機(jī)分別設(shè)置在可視化加載裝置的相對(duì)兩側(cè)，所述起偏鏡與可視化加載裝置之間和所述攝像機(jī)與可視化加載裝置之間均設(shè)置有所1/4波片，光源發(fā)出的光線(xiàn)沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機(jī)依次傳播，并確保光源發(fā)出的光傳播到可視化加載裝置內(nèi)的顆粒上。
[0011]所述攝像機(jī)配置有用于實(shí)時(shí)顯示圖像的智能終端。
[0012]所述可視化加載裝置包括有可視化框架、壓縮荷載施加裝置、剪切荷載施加裝置、測(cè)量顯示器以及相互配對(duì)的可視化上顆粒材料試樣盒和可視化下顆粒材料試樣盒，其中，所述可視化上顆粒材料試樣盒和可視化下顆粒材料試樣盒分別置于可視化框架內(nèi)，且所述可視化下顆粒材料試樣盒滑動(dòng)安裝在可視化框架的內(nèi)腔底部，并可由裝于可視化框架上的剪切荷載施加裝置對(duì)其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒材料試樣盒和可視化下顆粒材料試樣盒之間通過(guò)可拆卸的銷(xiāo)釘連接，且所述可視化上顆粒材料試樣盒可由裝于可視化框架上的壓縮荷載施加裝置對(duì)其內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述壓縮荷載施加裝置和剪切荷載施加裝置上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器分別與測(cè)量顯示器連接。
[0013]所述可視化框架上設(shè)有用于調(diào)整顆粒材料試樣盒初始位置的復(fù)位螺桿。
[0014]所述可視化上顆粒材料試樣盒的頂部設(shè)有用于壓著其內(nèi)顆粒材料的加載蓋板，壓縮荷載施加裝置通過(guò)其壓桿頂著加載蓋板，為可視化上顆粒材料試樣盒內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述剪切荷載施加裝置通過(guò)其剪切桿頂著可視化下顆粒材料試樣盒的側(cè)壁，為該可視化下顆粒材料試樣盒施加剪切荷載。
[0015]所述可視化上顆粒材料試樣盒和可視化下顆粒材料試樣盒均配套有兩塊可視化板，所述可視化上顆粒材料試樣盒和可視化下顆粒材料試樣盒上分別形成有用于安裝所述可視化板的卡槽，且所述可視化上顆粒材料試樣盒的卡槽與可視化下顆粒材料試樣盒的卡
槽——對(duì)應(yīng)。
[0016]所述可視化下顆粒材料試樣盒是通過(guò)其底部的滑塊滑動(dòng)安裝在可視化框架的內(nèi)腔底部。[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0018]1、本發(fā)明可以對(duì)由光彈性、光彈塑性或其他發(fā)光材料加工而成的球形、圓柱形、橢圓柱形、多邊形等多種形狀的毫米級(jí)顆粒(尺寸最小可以達(dá)到2mm)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，顆粒透明度很高，使巖土顆粒介質(zhì)特性試驗(yàn)直觀(guān)可視。
[0019]2、本發(fā)明利用壓縮荷載施加裝置和剪切荷載施加裝置進(jìn)行加載，突破砝碼的局限性，可以在規(guī)定的量程內(nèi)施加任意大小的荷載。
[0020]3、本發(fā)明的可視化加載裝置中安裝了拉壓傳感器和位移傳感器，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確記錄荷載、位移大小變化，其中位移傳感器采用光柵傳感器，精度高(本實(shí)驗(yàn)裝置位移精度為
0.01mm)、抗干擾能力強(qiáng)、沒(méi)有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠。
[0021]4、本發(fā)明把顆粒材料試樣盒分成上、下盒，可以對(duì)顆粒材料施加剪切荷載，克服了現(xiàn)有儀器只能施加壓縮荷載，不能施加剪切荷載的限制，使實(shí)驗(yàn)的加載方式更加多樣化，拓展了顆粒實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍。
[0022]5、本發(fā)明在顆粒材料試樣盒中設(shè)置多個(gè)卡槽，插入可視化板后可以形成不同間距的試樣盒，一方面在進(jìn)行二維平面試驗(yàn)時(shí)，可以衡量試樣厚度尺寸的影響，另一方面，可以根據(jù)顆粒材料加工的便易性選擇不同的試樣厚度尺寸。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明的光路原理圖。
[0024]圖2為本發(fā)明的可視化加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明的可視化上顆粒材料試樣盒的主視圖。
[0026]圖4為本發(fā)明的可視化上顆粒材料試樣盒的俯視圖。
[0027]圖5為本發(fā)明的可視化下顆粒材料試樣盒的立體圖。
[0028]圖6為本發(fā)明施加剪切荷載使可視化下顆粒材料試樣盒移動(dòng)后的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7為本發(fā)明的可視化加載裝置模擬應(yīng)力拱試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例1
[0032]本發(fā)明所述的顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，是首先把由光彈性(如聚碳酸酯)、光彈塑性(如環(huán)氧樹(shù)脂)或其他發(fā)光材料加工而成的毫米級(jí)顆粒(尺寸最小可以達(dá)到2mm，其形狀為球形、圓柱形、橢圓柱形、多邊形或不規(guī)則形狀)，放入可以施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置中，然后開(kāi)啟光源G，使光源發(fā)出的光線(xiàn)依次沿著起偏鏡A、1/4波片B、可視化加載裝置C、1/4波片D、檢偏鏡E、攝像機(jī)F傳播，并確保光源G發(fā)出的光傳播到毫米級(jí)顆粒上，具體如圖1所示，之后根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求(模擬各種常見(jiàn)土力學(xué)試驗(yàn)，如壓縮、剪切、應(yīng)力拱、剛或柔性基礎(chǔ)下地基載荷等試驗(yàn))，對(duì)毫米級(jí)顆粒進(jìn)行壓縮荷載或剪切荷載、或壓縮荷載與剪切荷載組合的施加，在加載的過(guò)程中，采用測(cè)量顯示器實(shí)時(shí)記錄下所有荷載、位移數(shù)據(jù)，同時(shí)，攝像機(jī)F采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋，應(yīng)用應(yīng)力一光性定律，毫米級(jí)顆粒中不同位置應(yīng)力大小的變化可以通過(guò)條紋密度或光強(qiáng)直接觀(guān)測(cè)，而且對(duì)攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理后，可以對(duì)顆粒介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行標(biāo)識(shí)和計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)顆粒間的接觸應(yīng)力、顆粒介質(zhì)內(nèi)部剪切帶的厚度和角度、力鏈的分布和走向的可視化，其中，在進(jìn)行圖像處理時(shí),通過(guò)圖像處理軟件matlab編制相應(yīng)程序進(jìn)行處理，處理后可以將顆粒材料內(nèi)部的力鏈標(biāo)識(shí)出來(lái)，而光強(qiáng)的大小可以用圖像像素點(diǎn)灰度值的大小表示，之后再根據(jù)應(yīng)力一光性定律，就可以通過(guò)圖像灰度值的大小反映各點(diǎn)應(yīng)力的大小。
[0033]參見(jiàn)圖1所示，本發(fā)明所述的顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，包括有光源G、用于形成平面偏振光的起偏鏡A，用于形成圓偏振場(chǎng)的1/4波片B、D，可對(duì)其內(nèi)顆粒材料施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置C、用于過(guò)濾其它方向偏振光的檢偏鏡E以及用于采集圖片的攝像機(jī)F，其中，所述起偏鏡A和攝像機(jī)F分別設(shè)置在可視化加載裝置C的相對(duì)兩側(cè)，所述起偏鏡A與可視化加載裝置C之間和所述攝像機(jī)F與可視化加載裝置C之間均設(shè)置有所1/4波片，光源發(fā)出的光線(xiàn)沿著起偏鏡A、1/4波片B、可視化加載裝置C、1/4波片D、檢偏鏡E、攝像機(jī)F依次傳播，并確保光源G發(fā)出的光傳播到可視化加載裝置C內(nèi)的顆粒上；此外，所述攝像機(jī)F配置有用于實(shí)時(shí)顯示圖像的智能終端H (如電腦)。 [0034]參見(jiàn)圖2所示，本實(shí)施例所述的可視化加載裝置C包括有整體呈方形的可視化框架1、壓縮荷載施加裝置2、剪切荷載施加裝置3、測(cè)量顯示器4以及相互配對(duì)的可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6，其中，所述可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6分別置于可視化框架I內(nèi)，且所述可視化下顆粒材料試樣盒6通過(guò)其底部的滑塊8滑動(dòng)安裝在可視化框架I的內(nèi)腔底部，并可由裝于可視化框架I頂部上的剪切荷載施加裝置3對(duì)其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6之間通過(guò)可拆卸的銷(xiāo)釘10連接，且所述可視化上顆粒材料試樣盒5可由裝于可視化框架I側(cè)壁上的壓縮荷載施加裝置2對(duì)其內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述壓縮荷載施加裝置2和剪切荷載施加裝置3上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)分別與測(cè)量顯示器4連接，其中位移傳感器采用光柵傳感器，精度高(本測(cè)試裝置位移精度為0.01_)、抗干擾能力強(qiáng)、沒(méi)有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠；所述可視化上顆粒材料試樣盒5的頂部設(shè)有用于壓著其內(nèi)顆粒材料的加載蓋板，壓縮荷載施加裝置2通過(guò)其壓桿201頂著加載蓋板，為可視化上顆粒材料試樣盒5內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述剪切荷載施加裝置3通過(guò)其剪切桿301頂著可視化下顆粒材料試樣盒6的側(cè)壁，為該可視化下顆粒材料試樣盒6施加剪切荷載。此外,所述可視化框架I上還設(shè)有用于調(diào)整顆粒材料試樣盒初始位置的復(fù)位螺桿7。
[0035]參見(jiàn)圖3至圖5所示，本實(shí)施例所述的可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6均配套有兩塊可視化板(具體為有機(jī)玻璃板)，同時(shí)，所述可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6上分別形成有用于安裝所述可視化板的卡槽，且所
述可視化上顆粒材料試樣盒5的卡槽501與可視化下顆粒材料試樣盒6的卡槽601--對(duì)
應(yīng)，以使可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6的空間貫通。
[0036]以下為本實(shí)施例上述顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置進(jìn)行壓縮/剪切試驗(yàn)的具體操作原理:工作時(shí)，首先把由可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6組合而成的顆粒材料試樣盒拆下，所述可視化下顆粒材料試樣盒6的兩塊可視化板602、603可以放入任意兩個(gè)卡槽601內(nèi)，形成不同尺寸的試樣盒,通?？ú坶g距有5mm、10mm、15mm、20mm四種選擇；然后所述可視化上顆粒材料試樣盒5的兩塊可視化板502、503分別放入與可視化下顆粒材料試樣盒6的上述兩個(gè)卡槽601相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)卡槽501內(nèi)，以使可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6的空間貫通，此外，為了減小可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6的摩擦，有時(shí)會(huì)在可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6的接觸處涂少量凡士林等潤(rùn)滑劑；之后再用銷(xiāo)釘10把可視化上顆粒材料試樣盒5和可視化下顆粒材料試樣盒6連接固定，構(gòu)成一個(gè)完整的顆粒材料試樣盒；之后根據(jù)所選卡槽間距從可視化上顆粒材料試樣盒5的頂部放料口放入相應(yīng)長(zhǎng)度的顆粒材料，在本實(shí)施例中所用顆粒材料為直徑毫米級(jí)的光彈圓柱，用細(xì)長(zhǎng)的鑷子把大量小圓柱放入顆粒材料試樣盒中，在放入的過(guò)程中，保證小圓柱的頂面和底面靠近可視化板壁面，當(dāng)填滿(mǎn)顆粒材料試樣盒后，把相應(yīng)尺寸的加載蓋板9蓋在顆粒材料頂端，之后再把上述裝填完畢的顆粒材料試樣盒放回可視化框架I內(nèi)；之后轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位螺桿7調(diào)整顆粒材料試樣盒的初始位置，重新將顆粒材料試樣盒復(fù)位，轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮荷載施加裝置2的壓桿201使壓桿端頭抵在加載蓋板9上，轉(zhuǎn)動(dòng)剪切荷載施加裝置3的剪切桿301使剪切桿端頭抵在可視化下顆粒材料試樣盒6的側(cè)壁上；之后開(kāi)啟光源G和測(cè)量顯示器4，按照上述顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，使光線(xiàn)沿著起偏鏡A、1/4波片B、可視化加載裝置C、1/4波片D、檢偏鏡E、攝像機(jī)F傳播，具體如圖1所示，攝像機(jī)F所采的集圖像直接在電腦上實(shí)時(shí)顯示，之后拔掉銷(xiāo)釘10，調(diào)整位置到最佳后，對(duì)測(cè)量顯示器4上的力、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零；當(dāng)上述所有工作完成后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮荷載施加裝置2的壓桿201和剪切荷載施加裝置3的剪切桿301即可以對(duì)顆粒材料試樣盒內(nèi)的顆粒材料施加壓縮(軸向)荷載和剪切荷載，具體如圖6所示，在加載的過(guò)程中，可以直觀(guān)的觀(guān)測(cè)到顆粒材料中接觸應(yīng)力的大小變化、剪切帶的形成過(guò)程、力鏈的分布和走向，同時(shí)測(cè)量顯示器4會(huì)記錄所有壓縮(軸向)荷載一壓縮(軸向)位移數(shù)據(jù)和剪切荷載一剪切位移數(shù)據(jù)。
[0037]實(shí)施例2
[0038]參見(jiàn)圖7所示，與實(shí)施例1不同的是本實(shí)施例在所述顆粒材料試樣盒內(nèi)放入兩塊矩形鋼板11、12 (矩形鋼板可以選擇各種不同的尺寸，兩塊鋼板之間的距離根據(jù)鋼板的尺寸進(jìn)行調(diào)整)，以模擬固定的樁。然后在鋼板的周?chē)顫M(mǎn)顆粒材料，所述顆粒材料根據(jù)所選卡槽間距而定，且也從可視化上顆粒材料試樣盒5的頂部放料口放入相應(yīng)長(zhǎng)度的顆粒材料，在本實(shí)施例中所用顆粒材料也為直徑毫米級(jí)的光彈圓柱，同樣是用細(xì)長(zhǎng)的鑷子把大量小圓柱放入顆粒材料試樣盒中，在放入的過(guò)程中，保證小圓柱的頂面和底面靠近可視化板壁面，當(dāng)填滿(mǎn)顆粒材料試樣盒后，把相應(yīng)尺寸的加載蓋板9蓋在顆粒材料頂端，之后再把上述裝填完畢的試樣盒放回可視化框架I內(nèi)；之后轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)位螺桿7調(diào)整顆粒材料試樣盒的初始位置，重新將顆粒材料試樣盒復(fù)位，轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮荷載施加裝置2的壓桿201使壓桿端頭抵在加載蓋板9上；之后開(kāi)啟光源G和測(cè)量顯示器4，按照上述顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，使光線(xiàn)沿著起偏鏡A、1/4波片B、可視化加載裝置C、1/4波片D、檢偏鏡E、攝像機(jī)F傳播，具體如圖1所示，攝像機(jī)F所采的集圖像直接在電腦上實(shí)時(shí)顯示，調(diào)整位置到最佳后，對(duì)測(cè)量顯示器4上的力、位移數(shù)據(jù)進(jìn)行歸零；當(dāng)上述所有工作完成后，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮荷載施加裝置2的壓桿201即可以對(duì)顆粒材料試樣盒內(nèi)的顆粒材料施加壓縮(軸向)荷載，在加載的過(guò)程中，可以直觀(guān)觀(guān)測(cè)到應(yīng)力拱的形成過(guò)程和形成機(jī)制、應(yīng)力擴(kuò)散角的大小和影響范圍、應(yīng)力拱中力鏈的分布走向等，同時(shí)測(cè)量顯示器4會(huì)記錄所有壓縮(軸向)荷載一壓縮(軸向)位移數(shù)據(jù)。
[0039]綜上所述，在采用以上方案后，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可以對(duì)顆粒材料施加多種荷載(壓縮荷載或剪切荷載、或壓縮荷載與剪切荷載組合)，模擬各種常見(jiàn)土力學(xué)試驗(yàn)(如壓縮、剪切、應(yīng)力拱、剛或柔性基礎(chǔ)下地基載荷等試驗(yàn))，應(yīng)用應(yīng)力一光性定律，實(shí)現(xiàn)上述試驗(yàn)中顆粒接觸應(yīng)力、剪切帶厚度和角度、力鏈的分布和走向等參數(shù)的可視化，值得推廣。
[0040]以上所述之實(shí)施例子只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，其特征在于:首先把由發(fā)光材料加工而成的毫米級(jí)顆粒，放入可以施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置中，然后開(kāi)啟光源，使光源發(fā)出的光線(xiàn)依次沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機(jī)傳播，并確保光源發(fā)出的光傳播到毫米級(jí)顆粒上，之后根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)毫米級(jí)顆粒進(jìn)行壓縮荷載或剪切荷載、或壓縮荷載與剪切荷載組合的施加，在加載的過(guò)程中，攝像機(jī)采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)明暗相間的條紋，應(yīng)用應(yīng)力一光性定律，毫米級(jí)顆粒中不同位置應(yīng)力大小的變化可以通過(guò)條紋密度或光強(qiáng)直接觀(guān)測(cè)，而且對(duì)攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理后，可以對(duì)顆粒介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行標(biāo)識(shí)和計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)顆粒間的接觸應(yīng)力、顆粒介質(zhì)內(nèi)部剪切帶的厚度和角度、力鏈的分布和走向的可視化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，其特征在于:在加載的過(guò)程中，采用測(cè)量顯示器實(shí)時(shí)記錄下所有荷載、位移數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法，其特征在于:在進(jìn)行圖像處理時(shí)，通過(guò)圖像處理軟件matlab編制相應(yīng)程序進(jìn)行處理，處理后可以將顆粒材料內(nèi)部的力鏈標(biāo)識(shí)出來(lái)，而光強(qiáng)的大小可以用圖像像素點(diǎn)灰度值的大小表示，之后再根據(jù)應(yīng)力一光性定律，就可以通過(guò)圖像灰度值的大小反映各點(diǎn)應(yīng)力的大小。
4.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試方法的測(cè)試裝置，其特征在于:包括有光源、用于形成平面偏振光的起偏鏡、用于形成圓偏振場(chǎng)的1/4波片、可對(duì)其內(nèi)顆粒材料施加壓縮/剪切荷載的可視化加載裝置、用于過(guò)濾其它方向偏振光的檢偏鏡以及用于采集圖片的攝像機(jī)，其中，所述起偏鏡和攝像機(jī)分別設(shè)置在可視化加載裝置的相對(duì)兩側(cè)，所述起偏鏡與可視化加載裝置之間和所述攝像機(jī)與可視化加載裝置之間均設(shè)置有所1/4波片，光源發(fā)出的光線(xiàn)沿著起偏鏡、1/4波片、可視化加載裝置、1/4波片、檢偏鏡、攝像機(jī)依次傳播，并確保光源發(fā)出的光傳播到可視化加載裝置內(nèi)的顆粒上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述攝像機(jī)配置有用于實(shí)時(shí)顯示圖像的智能終端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種 顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述可視化加載裝置包括有可視化框架(1)、壓縮荷載施加裝置(2 )、剪切荷載施加裝置(3 )、測(cè)量顯示器(4)以及相互配對(duì)的可視化上顆粒材料試樣盒(5)和可視化下顆粒材料試樣盒(6)，其中，所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)和可視化下顆粒材料試樣盒(6)分別置于可視化框架(1)內(nèi)，且所述可視化下顆粒材料試樣盒(6 )滑動(dòng)安裝在可視化框架(1)的內(nèi)腔底部，并可由裝于可視化框架(1)上的剪切荷載施加裝置(3)對(duì)其施加剪切荷載，所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)和可視化下顆粒材料試樣盒(6)之間通過(guò)可拆卸的銷(xiāo)釘連接，且所述可視化上顆粒材料試樣盒(5 )可由裝于可視化框架(1)上的壓縮荷載施加裝置(2 )對(duì)其內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述壓縮荷載施加裝置(2)和剪切荷載施加裝置(3)上均裝有拉壓傳感器和位移傳感器，且所述拉壓傳感器和位移傳感器分別與測(cè)量顯示器(4)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述可視化框架(1)上設(shè)有用于調(diào)整顆粒材料試樣盒初始位置的復(fù)位螺桿(7)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)的頂部設(shè)有用于壓著其內(nèi)顆粒材料的加載蓋板(9)，壓縮荷載施加裝置(2 )通過(guò)其壓桿(201)頂著加載蓋板，為可視化上顆粒材料試樣盒(5 )內(nèi)的顆粒材料施加壓縮荷載；所述剪切荷載施加裝置(3)通過(guò)其剪切桿(301)頂著可視化下顆粒材料試樣盒(6)的側(cè)壁，為該可視化下顆粒材料試樣盒(6)施加剪切荷載。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)和可視化下顆粒材料試樣盒(6)均配套有兩塊可視化板，所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)和可視化下顆粒材料試樣盒(6)上分別形成有用于安裝所述可視化板的卡槽，且所述可視化上顆粒材料試樣盒(5)的卡槽(501)與可視化下顆粒材料試樣盒(6)的卡槽(601)--對(duì)應(yīng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種顆粒材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化測(cè)試裝置，其特征在于:所述可視化下顆粒材料試樣盒(6)是通過(guò)其底部的滑塊(8)滑動(dòng)安裝在可視化框架(1)的內(nèi)腔底部。`
【文檔編號(hào)】G01N3/24GK103630441SQ201310590844
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】房營(yíng)光, 谷任國(guó), 侯明勛, 陳平 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)