本發(fā)明屬于顆粒材料力學(xué)研究領(lǐng)域，具體涉及一種用于測量顆粒材料在有空間法向約束時破碎情況的破碎試驗裝置。

背景技術(shù)：

顆粒物質(zhì)是指離散狀態(tài)物質(zhì)體系，是與連續(xù)態(tài)物質(zhì)(固體、流體)相區(qū)別的另一大物質(zhì)形態(tài)，顆粒體系的力學(xué)現(xiàn)象比固體和流體復(fù)雜，由于其力學(xué)現(xiàn)象的復(fù)雜性，不能再用傳統(tǒng)的固體力學(xué)或者流體力學(xué)的研究方法來表征其力學(xué)特性，而另一方面顆粒破碎本身就是一個極其復(fù)雜的過程，無論是顆粒破碎的判別準(zhǔn)則還是破碎后的碎片狀態(tài)目前都沒有統(tǒng)一的結(jié)論。由于顆粒材料結(jié)構(gòu)的非均勻性，每個顆粒周圍的顆粒組成、體積分?jǐn)?shù)和配位數(shù)等各不相同，周邊顆粒對顆粒所提供的約束狀態(tài)和程度各不相同，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜而多變，對顆粒破碎有較大的影響。大量的數(shù)值模擬試驗和物理試驗發(fā)現(xiàn)，顆粒與周圍顆粒的接觸環(huán)境決定了顆粒所處的約束狀態(tài)，約束狀態(tài)的不同導(dǎo)致顆粒的破碎形式和破碎強(qiáng)度變化不一。因而顆粒與周圍顆粒相接觸形成的接觸個數(shù)和接觸位置等因素的改變能夠使得顆粒的破碎行為發(fā)生極大的變化。

近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對顆粒的破碎行為進(jìn)行了深入試驗和理論研究。

1999年tsoungui等針對隨機(jī)接觸力分布下的二維顆粒提出顆粒拉伸失效準(zhǔn)則，認(rèn)為作用于顆粒的復(fù)雜接觸力可等效為兩組正交等值反向力，并通過制備若干統(tǒng)一大小的石膏圓盤模型進(jìn)行了物理驗證。

2000年mcdowell和amon等通過徑向加載試驗提出顆粒的破碎強(qiáng)度服從weibull分布，此類研究反映了顆粒在兩個接觸點的情況下的破碎規(guī)律，但無法說明復(fù)雜的接觸分布對顆粒破碎的影響；2007年mcdowell和lim在這一理論的基礎(chǔ)上，開始研究顆粒的平均配位數(shù)對顆粒集合體強(qiáng)度的影響。

russell等的研究表明顆粒破碎主要是最大接觸力超過閾值引起的；2010年ben-nun和einav根據(jù)tsoungui和sukumaran的研究建立了可以定義顆粒剪切失效準(zhǔn)則的二維顆粒破碎閾值模型，引入了二維平面約束情況下顆粒配位數(shù)對接觸力閾值的影響，但三維空間約束狀態(tài)情況下顆粒周圍的接觸要復(fù)雜的多。

2016年wang等采用離散單元數(shù)值方法模擬了具有不同配位數(shù)的球形顆粒的破碎行為，并得出顆粒破碎強(qiáng)度與配位數(shù)成線性關(guān)系的規(guī)律。

在研究二維平面情況下顆粒配位數(shù)對接觸力閾值的影響時，salami等在萬能材料試驗機(jī)(mts)上加裝了一個顆粒夾持裝置，通過調(diào)整夾具的數(shù)量和角度，進(jìn)行了不同情況下的顆粒破碎試驗。該裝置初步試驗結(jié)果表明配位數(shù)與接觸點的分布對二維顆粒破碎有重要影響。

盡管現(xiàn)有的有關(guān)二維顆粒破碎的數(shù)值研究取得了一定的成果，但在實際情況中顆粒往往不可能僅處于二維平面受約束狀態(tài)。目前針對三維顆粒局部約束狀態(tài)對力的判定準(zhǔn)則中接觸力閾值影響的研究極為稀少，更沒有專門針對三維空間約束狀態(tài)情況下顆粒局部約束狀態(tài)研究的試驗裝置。因此開展針對三維空間約束狀態(tài)情況下顆粒局部約束狀態(tài)的研究至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述課題而進(jìn)行的，目的在于提供一種考慮三維空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，能夠更加真實的反映顆粒在空間中的受約束情況，對三維空間約束狀態(tài)情況下顆粒局部約束狀態(tài)進(jìn)行研究。

本發(fā)明為了實現(xiàn)上述目的，采用了以下方案。

本發(fā)明提供一種考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，其特征在于，包括：安轉(zhuǎn)支撐部，具有：上安裝單元、下安裝單元和位于上安裝單元和下安裝單元之間的支撐單元；施壓部，安裝在安裝支撐部上，具有：驅(qū)動單元、與該驅(qū)動單元相連接的施力單元以及用于放置試驗樣品的樣品放置單元，施力單元和樣品放置單元位于上安裝單元和下安裝單元之間、并且相對向設(shè)置，驅(qū)動單元驅(qū)動施力單元來回移動對試驗樣品施加壓力；經(jīng)度調(diào)整部，具有：分別環(huán)繞施力單元和樣品放置單元設(shè)置的上環(huán)形滑軌和下環(huán)形滑軌；軌道部，具有：環(huán)形固定軌道和至少一個半環(huán)形可滑動軌道，環(huán)形固定軌道圍繞樣品放置單元設(shè)置，并且上下兩端分別固定在上環(huán)形滑軌和下環(huán)形滑軌上，半環(huán)形可滑動軌道的上滑動端和下滑動端分別可拆卸地固定在上環(huán)形滑軌和下環(huán)形滑軌中；夾持約束部，具有至少一個夾持約束構(gòu)件，每個夾持約束構(gòu)件都具有一個夾持端和一個約束端，夾持端固定在環(huán)形固定軌道或半環(huán)形可滑動軌道的軌道上，約束端朝向并接觸試驗樣品，對該試驗樣品進(jìn)行約束；測試部，與施壓部相連，收集施壓部對試驗樣品施加的壓力和在施壓過程中的位移，并進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的測試結(jié)果，其中，在半環(huán)形可滑動軌道未被固定的情況下，上滑動端和下滑動端可分別沿著上環(huán)形滑軌和下環(huán)形滑軌滑動從而調(diào)整半環(huán)形可滑動軌道的經(jīng)度，在夾持約束構(gòu)件的夾持端未被固定的情況下，夾持端可沿著軌道滑動從而調(diào)整夾持約束構(gòu)件的緯度。

本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，還可以具有這樣的特征：支撐單元為設(shè)置在上安裝單元和下安裝單元四周的支撐桿。

本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，還可以具有這樣的特征：驅(qū)動單元采用液壓驅(qū)動，施力單元為活塞，樣品放置單元為與活塞相對向的圓柱體狀支座。

本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，還可以具有這樣的特征：上環(huán)形滑軌和下環(huán)形滑軌都外圍設(shè)有一圈滑軌的環(huán)形法蘭盤。

本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置，還可以具有這樣的特征：約束端的頂部為圓錐體形狀。

發(fā)明的作用與效果

(1)本發(fā)明提供了一種用于測量顆粒材料在有空間法向約束時破碎情況的試驗裝置，該裝置不僅可以測量二維平面約束狀態(tài)情況下顆粒局部約束狀態(tài)對顆粒破碎情況的影響，還可以測量三維空間約束狀態(tài)情況下顆粒局部約束狀態(tài)對顆粒破碎情況的影響。

(2)本發(fā)明所提供的試驗裝置可以根據(jù)研究需要安裝或拆卸夾持裝置，以實現(xiàn)施加不同約束角度和不同約束個數(shù)的約束情況。

(3)本發(fā)明所提供的試驗裝置安裝拆卸簡單，成本低，便于維護(hù)。

(4)本發(fā)明所提供的試驗裝置能夠更好的模擬顆粒所受的實際約束情況，有利于顆粒材料力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)物理試驗的開展，有利于促進(jìn)顆粒材料力學(xué)測量技術(shù)，同時也有利于對顆粒計算力學(xué)的發(fā)展起到推進(jìn)作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例中涉及的破碎試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例中涉及的破碎試驗裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖3是本發(fā)明實施例中涉及的破碎試驗裝置的部分結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖4(a)是本發(fā)明實施例中涉及的經(jīng)度調(diào)整部、軌道部和夾持約束部的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4(b)是本發(fā)明實施例中涉及的半環(huán)形可滑動軌道的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例中涉及的試驗樣品的約束狀態(tài)示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例中為進(jìn)行破碎試驗安裝破碎試驗裝置的示意圖一；

圖7是本發(fā)明實施例中為進(jìn)行破碎試驗安裝破碎試驗裝置的示意圖二；

圖8是本發(fā)明實施例中為進(jìn)行破碎試驗安裝破碎試驗裝置的示意圖三；

圖9是本發(fā)明實施例所涉及的破碎試驗中試驗樣品的破碎過程示意圖，其中(a)為樣品未達(dá)到破碎臨界值時的狀態(tài)圖，(b)為樣品開始出現(xiàn)裂紋時的狀態(tài)圖，(c)為樣品上裂紋開始擴(kuò)展時的狀態(tài)圖，(d)為樣品出現(xiàn)宏觀裂紋時的狀態(tài)圖；以及

圖10是本發(fā)明實施例中得到的試驗樣品的接觸力與加載位移的關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

以下參照附圖對本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置作詳細(xì)闡述。以下實施例中未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

<實施例>

如圖1所示，破碎試驗裝置10包括：安轉(zhuǎn)支撐部20、施壓部30、經(jīng)度調(diào)整部40、軌道部50、夾持約束部60、以及測試部70。

如圖1至3所示，安轉(zhuǎn)支撐部20具有：上安裝單元21、下安裝單元22和位于上安裝單元21和下安裝單元22之間的支撐單元23。本實施例中，上安裝單元21和下安裝單元22都為長方體狀，支撐單元23為立設(shè)在上安裝單元21和下安裝單元22四個角的支撐桿23a。

施壓部30安裝在安裝支撐部20上，它具有：驅(qū)動單元(圖中未顯示)、施力單元31、以及樣品放置單元32。驅(qū)動單元安裝在上安裝單元21中，為保證加壓驅(qū)動過程傳動平穩(wěn)、承載能力大、能夠無級調(diào)速、便于控制，本實施例中采用的是液壓驅(qū)動。施力單元31位于上安裝單元21下方，它與該驅(qū)動單元相連接，被驅(qū)動進(jìn)行上下移動，從而向樣品放置單元32上的試驗樣品m施加特定壓力，本實施例中，施力單元31為活塞，活塞的頭部為加載板，其與試驗樣品m的頂部直接接觸。樣品放置單元32固定在下安裝單元22上，為圓柱體形狀支座，它與施力單元31的施力面相對向設(shè)置，上表面作為放置面用于放置試驗樣品m。

如圖2至4所示，經(jīng)度調(diào)整部40包括上環(huán)形滑軌41和下環(huán)形滑軌42。上環(huán)形滑軌41環(huán)繞施力單元31設(shè)置，為外圍設(shè)有一圈滑軌41a的環(huán)形法蘭盤。下環(huán)形滑軌42環(huán)繞樣品放置單元32設(shè)置，為外圍設(shè)有一圈滑軌42a的環(huán)形法蘭盤。

如圖4所示，軌道部50包括環(huán)形固定軌道51和多個半環(huán)形可滑動軌道52。環(huán)形固定軌道51為圓環(huán)形狀，圍繞樣品放置單元32設(shè)置，它的中部開設(shè)有帶滑槽的軌道51a，并且它的上下兩端分別固定在上環(huán)形滑軌41和下環(huán)形滑軌42上。半環(huán)形可滑動軌道52為半圓弧形狀，它的上滑動端和下滑動端分別與上環(huán)形滑軌41和下環(huán)形滑軌42的滑軌相匹配，能夠分別沿著滑軌41a和滑軌42a進(jìn)行滑動從而調(diào)整半環(huán)形可滑動軌道42所處的經(jīng)度，在調(diào)整至合適的經(jīng)度后，通過軌道固定螺孔和螺栓即可將上滑動端和下滑動端固定在上環(huán)形滑軌41和下環(huán)形滑軌42中，從而使半環(huán)形可滑動軌道42固定在該經(jīng)度處，另外，半環(huán)形可滑動軌道52的中部也開設(shè)有帶滑槽的軌道52a。

在軌道部50安裝好，樣品放置單元32上所放置的試驗樣品m是處于環(huán)形固定軌道51和多個半環(huán)形可滑動軌道52所圍成的圓球體的球心。

夾持約束部60具有多個夾持約束構(gòu)件61，每個夾持約束構(gòu)件61都具有一個夾持端61a和一個約束端61b，夾持端61a與環(huán)形固定軌道51和半環(huán)形可滑動軌道52的軌道相匹配，能夠沿著軌道滑動從而調(diào)整夾持約束構(gòu)件61所處的緯度，在調(diào)整至合適的緯度后，通過軌道固定螺孔和螺栓即可將夾持端61a固定在軌道上，從而使夾持約束構(gòu)件61固定在該緯度處，約束端61b朝向試驗樣品m，它的頂部為圓錐體形狀，并且尖端接觸試驗樣品m，對該試驗樣品m進(jìn)行約束。

測試部70與施壓部30相連，控制施壓部30進(jìn)行壓力加載，并且收集施壓部30對試驗樣品m所施加的壓力數(shù)據(jù)和在施壓過程中施力單元31的位移數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的測試結(jié)果。

在本實施例中，所安裝的半環(huán)形可滑動軌道52的數(shù)目和夾持約束構(gòu)件61的數(shù)目，以及經(jīng)度和緯度的調(diào)整都是根據(jù)試驗樣品m(球狀顆粒)所需要的約束條件(配位數(shù))來確定，即、根據(jù)約束的個數(shù)和位置來確定，具體為：

如果試驗樣品m僅受到頂部和底部的約束則不需要安裝半環(huán)形可滑動軌道52，如果試驗樣品m除受到頂部和底部的約束之外還受到其它約束，但是其它約束之間的經(jīng)度之差(亦即俯視試驗樣品m時，試驗樣品m所受約束之間的圓心角)為0°或180°時也不需要安裝半環(huán)形可滑動軌道52。其它情況下根據(jù)顆粒所受的約束之間的經(jīng)度之差(亦即俯視顆粒樣品時，顆粒所受約束之間的圓心角)，確定需要安裝半環(huán)形可滑動軌道52的數(shù)量和位置。

如果試驗樣品m需要模擬的情況為同一經(jīng)度下僅有一個約束，則在與該經(jīng)度對應(yīng)的軌道上面僅安裝一個夾持約束構(gòu)件61，如果試驗樣品m需要模擬的情況為同一經(jīng)度下有多個約束，則在與該經(jīng)度對應(yīng)的軌道上面需要安裝對應(yīng)數(shù)量的夾持約束構(gòu)件61；再根據(jù)試驗樣品m所受的約束之間的緯度(亦即每一個約束與顆粒赤道面的夾角)，將每一個軌道上面的夾持約束構(gòu)件61旋轉(zhuǎn)至相同的緯度(亦即每一個夾持約束構(gòu)件61與試驗樣品m赤道面的夾角)。

下面以5配位數(shù)的球形顆粒樣品進(jìn)行試驗為例，對破碎試驗裝置10的具體操作過程進(jìn)行詳細(xì)說明。

試驗中所采用的球形顆粒樣品的直徑為60mm。如圖5所示，顆粒所需要滿足的約束條件為：五個約束點，約定3號約束點經(jīng)度為0°(也是360°)，從上往下看逆時針旋轉(zhuǎn)方向為經(jīng)度的增大方向；與水平面平行的最大直徑圓為赤道(緯度為0°)，向上緯度為正(最大+90°)，向下為負(fù)(最小為-90°)；則1號約束點對應(yīng)的經(jīng)緯度為(經(jīng)度0°，緯度+90°)，2號約束點對應(yīng)的經(jīng)緯度為(經(jīng)度0°，緯度-90°)；3號約束點對應(yīng)的經(jīng)緯度為(經(jīng)度0°，緯度0°)；4號約束點對應(yīng)的經(jīng)緯度為(經(jīng)度150°，緯度+60°)；5號約束點對應(yīng)的經(jīng)緯度為(經(jīng)度200°，緯度+80°)。

根據(jù)以上約束條件，試驗具體操作過程為：

首先，如圖6所示，將試驗樣品m即顆粒材料放在樣品放置單元32上面，安裝環(huán)形固定軌道51并固定。

然后，按照圖5所示的顆粒約束情況(實驗樣品顆粒除受到頂部和底部的約束之外還受到其他約束，但是其他約束之間的經(jīng)度之差也不為0或180度，需要安裝可滑動軌道)，安裝2個半環(huán)形可滑動軌道52(如圖7所示)。

接著，根據(jù)圖5所示的約束情況，安裝3個夾持約束構(gòu)件61，使之與顆粒相接觸。這里，將3號約束點對應(yīng)于環(huán)形固定軌道51上的夾持約束構(gòu)件61，4號和5號約束點分別對應(yīng)兩個半環(huán)形可滑動軌道52上面的夾持約束構(gòu)件61。根據(jù)顆粒所受的約束之間的緯度(亦即每一個約束與顆粒赤道面的夾角)，將每一個軌道上面的夾持約束構(gòu)件61旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的緯度(亦即每一個夾持約束構(gòu)件61與顆粒赤道面的夾角)后，旋緊螺母固定在軌道上(如圖8所示)。

隨后，通過測試部30控制施壓部30施加勻速的位移于頂部加載板，從而對顆粒施加垂直方向的壓力，顆粒在壓力作用下的漸進(jìn)破壞過程如圖9(a)至(d)所示：顆粒在初始加載過程中，應(yīng)力主要集中于各個約束點附近，如圖9(a)所示為未達(dá)到破碎臨界值時顆粒的狀態(tài)；隨著加載的進(jìn)行，如圖9(b)所示顆粒表面開始出現(xiàn)由各個約束部位逐漸開展的裂紋，隨著加載的繼續(xù)，如圖9(c)所示裂紋不斷擴(kuò)展，接著，如圖9(d)所示部分裂紋相互貫通形成宏觀裂縫，同時約束點附近區(qū)域出現(xiàn)局部裂紋。通過測試部30收集加載的壓力與施力單元31的位移數(shù)據(jù)兩類數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理分析，得到如圖10所示的顆粒與上加載板的接觸力與加載位移的關(guān)系曲線圖，曲線中的峰值荷載即為在該約束條件下的顆粒破碎閾值。

綜上，通過本發(fā)明的破碎試驗裝置10，可獲得任意三維空間約束狀態(tài)下的顆粒破碎閾值，進(jìn)而研究顆粒的破碎強(qiáng)度和破碎形式與約束狀態(tài)之間的關(guān)系。

以上實施例僅僅是對本發(fā)明技術(shù)方案所做的舉例說明。本發(fā)明所涉及的考慮空間約束狀態(tài)的破碎試驗裝置并不僅僅限定于在以上實施例中所描述的結(jié)構(gòu)，而是以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在該實施例的基礎(chǔ)上所做的任何修改或補(bǔ)充或等效替換，都在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。