电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于教学和试验辅助设备技术领域，具体涉及一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。该装置的支撑板上置有用于放置试验球的限位铁柱，试验球上设有高精度角度传感器；高精度角度传感器通过导线引出限位铁柱并与信号转换器相连；信号转换器的信号输出端与高精度角度位移显示器相连；所述的限位铁柱的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱内试验球施加电磁冲击荷载。本发明专利技术能够测出球面上任意一点受电磁冲击时的法向应变，进而得到球形颗粒元的某些动力特性，有助于散体力学和岩土工程领域内的研究；具有良好的加载稳定性和可重复性。

Normal strain measurement device and method at any point for spherical particle system under electromagnetic impact

The invention belongs to the technical field of teaching and experimental auxiliary equipment, in particular to a normal strain measuring device and method for any point of spherical particle system under electromagnetic impact. The support plate of the device is equipped with a limit iron pillar for placing test balls, and the test ball is equipped with a high-precision angle sensor; the high-precision angle sensor leads out the limit iron pillar through a wire and connects it with a signal converter; the signal output terminal of the signal converter is connected with a high-precision angle displacement display; and the upper part of the limit iron pillar is equipped with a movable electromagnetic loading device, which passes through. The electromagnetic loading device imposes electromagnetic impact load on the test ball in the limited iron column. The invention can measure the normal strain of any point on the spherical surface under electromagnetic impact, and then obtain some dynamic characteristics of the spherical particle element, which is helpful to the research in the field of bulk mechanics and geotechnical engineering, and has good loading stability and repeatability.

【技术实现步骤摘要】
电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法
本专利技术属于教学和试验辅助设备
，具体涉及一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。
技术介绍
离散元法目前是主要的散体颗粒元数值模拟方法，它以岩石等非连续性介质的力学行为为研究对象，把不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，用时步迭代的方法求解各刚性元素的运动方程，继而求得不连续体的整体运动状态。作为球体颗粒体系重要的运动状态指标之一，法向应变的测量装置相对较少，而该指标的确定又极大依赖于球体测点处的法向位移。中国专利CN108535147A和CN108535146A分别公开了一种球体颗粒体系法向接触力、法向位移的测量装置以及球间法向接触力的测试方法，但该装置需要使初始测点对准球心，并通过特定的几何关系求出球体颗粒在冲击荷载下的法向位移，由于在冲击过程中球体各点的法向位移不相等，所以用对准球心测点的法向位移来代替整个球体的法向位移并不合理，必须测出球体上其他点的法向位移。另一方面，现有测量装置中的冲击装置大多为落锤或者空气枪，加载稳定性差，并且在加载时需要人工控制，自动化程度低，试验效率也相对低下。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置及方法。装置可以测出球体颗粒体系在冲击荷载作用下任意点的法向应变，并利用电磁加载装置施加冲击荷载，具有良好的加载稳定性和可重复性。此外，整套装置自动化程度较高，大大提高了试验效率。本专利技术通过采用如下技术方案：本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球的限位铁柱，试验球上设有高精度角度传感器；高精度角度传感器通过导线引出限位铁柱并与信号转换器相连；信号转换器的信号输出端与高精度角位移显示器相连；所述的限位铁柱的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱内试验球施加电磁冲击荷载。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的支撑板上端面设有相互交叉的导轨；导轨为内嵌式，限位铁柱底部的中心处设有滑块；滑块嵌入导轨内，限位铁柱通过滑块沿导轨延伸方向滑动。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的支撑板外侧设有辅助架；辅助架垂直于支撑板的边缘安装固定杆；辅助架的顶端设有吊架，电磁加载装置悬吊于吊架上；所述的固定杆上设有若干个可上下移动的对准器。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的电磁加载装置包括滑杆，复位弹簧，线圈，铁芯，塑料外壳，脉冲电源，锤头；所述的塑料外壳的顶端固定滑杆，塑料外壳的顶部内壁固定铁块，铁块下方设有铁芯，铁芯与铁块之间通过复位弹簧相连；铁芯上设有导线；导线与脉冲电源相连；铁芯的底端与锤头相连；锤头的底端设有橡胶垫。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的限位铁柱内开设若干个沿轴向延伸的孔柱，孔柱以限位铁柱为圆心沿限位铁柱的圆周边缘排列，孔柱内放置若干个试验球，孔柱轴向外圆周面设有内外相通的预留通缝；若干个所述的试验球的圆周面分别设有高精度角度传感器置于预留通缝内；高精度角度传感器通过导线分别与信号转换器相连；高精度传感器上还设有激光发射器。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的激光发射器与对准器保持水平一致。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，所述的辅助架上设有高速摄影机，高速摄影机通过勾形夹具挂置在辅助架上，通过螺纹钉固定。本专利技术所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置的测量方法，步骤如下:(1)、在限位铁柱内放置试验球，并将限位铁柱通过导轨移动至锤头下方，微调将锤头与试验球的轴向保持一致；(2)、调整试验球上的激光发射器瞄准固定杆上的对准器进行基点校准；将设此时测点所在的位置为A；(3)、启动电磁加载装置对试验球施加冲击荷载，此时测点移至A'，设半径为OA，OA”，A的法向位移为AB，则可通过高速摄影机测出球体颗粒体系受冲击前后的水平位移；计算公式为为A'B＝AD-A'D'式中：AD和A'D'分别表示冲击前后测点与固定杆之间的水平距离；(4)通过高精度角度传感器获得的数值传输至信号转换器，通过高精度角位移显示器显示出球体颗粒体系受冲击前后的转角α；(5)设定球体的半径为R，在三角形AOA”中，定义AA`与AA``为测点位移，AA`为球体实际位移，AA``为球体理想位移或刚体位移；根据步骤(4)得到的转角α，由下式得到理想斜位移AA``，在球体发生小变形情况下，则认定测点斜位移AA'＝AA”,根据勾股定理，通过下式得到法向位移(6)根据测点A的位置求出经过测点A的法向弦长AE，通过下式得到测点A的法向应变：式中AB为A的法向位移，AE为经过测点的法向弦长，ξy为A点的法向应变。有益效果本专利技术能够测出球面上任意一点受电磁冲击时的法向应变，进而得到球形颗粒元的某些动力特性，有助于散体力学和岩土工程领域内的研究。本专利技术利用电磁加载装置进行加载，具有良好的加载稳定性和可重复性。本专利技术使用电磁加载器，高速摄影机和高精度角度传感器进行试验，自动化程度较高，节省劳动力，提高了试验效率。本专利技术可通过调整限位铁柱的位置，从而进行多组平行试验，提高了试验精度。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图2a是本专利技术的A-A剖面图及固定结构示意图；图2b是本专利技术的俯视结构示意图；图3是本专利技术的B-B剖面图。图4是本专利技术的高精度角度传感器结构示意图。图5是本专利技术的高速摄影机的连接结构示意图。图6是本专利技术的固定杆结构示意图。图7是本专利技术的电磁加载装置结构示意图。图8是本专利技术的试验原理图。图中，1、辅助架；2、滑杆；3、高速摄影机；4、脉冲电源；5、锤头；6、橡胶垫；7、固定杆；8、高精度角度位移显示器；9、导线；10、信号转换器；11、限位铁柱；12、导轨；13、滚轮；14、试验球；15、高精度角度传感器；16、螺旋导块；17、滑块；18、预留通缝；19激光发射器；20、螺纹钉；21、勾形夹具；22、对准器；23、复位弹簧；24、线圈；25、铁芯；26、塑料外壳；27、吊架；111、固定块；112、螺纹杆；113、扭件。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示：电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球14的限位铁柱11，试验球14上设有高精度角度传感器15；高精度角度传感器15通过导线9引出限位铁柱11并与信号转换器10相连；信号转换器10的信号输出端与高精度角位移显示器8相连；所述的限位铁柱11的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱11内试验球14进行电磁冲击荷载。支撑板外侧设有辅助架1；辅助架1垂直于支撑板的边缘安装固定杆7；辅助架1的顶端设有吊架，电磁加载装置悬吊于吊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球(14)的限位铁柱(11)，试验球(14)上设有高精度角度传感器(15)；高精度角度传感器(15)通过导线(9)引出限位铁柱(11)并与信号转换器(10)相连；信号转换器(10)的信号输出端与高精度角度位移显示器(8)相连；所述的限位铁柱(11)的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱(11)内试验球(14)施加电磁冲击荷载。

【技术特征摘要】
1.电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：包括支撑板，所述支撑板上置有用于放置试验球(14)的限位铁柱(11)，试验球(14)上设有高精度角度传感器(15)；高精度角度传感器(15)通过导线(9)引出限位铁柱(11)并与信号转换器(10)相连；信号转换器(10)的信号输出端与高精度角度位移显示器(8)相连；所述的限位铁柱(11)的上方设有可移动的电磁加载装置，通过电磁加载装置对限位铁柱(11)内试验球(14)施加电磁冲击荷载。2.根据权利要求1所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：所述的支撑板上端面设有相互交叉的导轨(12)；导轨(12)为内嵌式，限位铁柱(11)底部的中心处设有滑块(17)；滑块(17)嵌入导轨(12)内，限位铁柱(11)通过滑块(17)沿导轨(12)延伸方向滑动。3.根据权利要求2所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：所述的支撑板外侧设有辅助架(1)；辅助架(1)垂直于支撑板的边缘安装固定杆(7)；辅助架(1)的顶端设有吊架(27)，电磁加载装置悬吊于吊架上；所述的固定杆(7)上设有若干个可上下移动的对准器(22)。4.根据权利要求1所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：所述的电磁加载装置包括滑杆(2)，复位弹簧(23)，线圈(24)，铁芯(25)，塑料外壳(26)，脉冲电源(4)，锤头(5)；所述的塑料外壳(26)的顶端固定滑杆(2)，塑料外壳(26)的顶部内壁固定铁块，铁块下方设有铁芯(25)，铁芯(25)与铁块之间通过复位弹簧(23)相连；铁芯(25)上设有导线(9)；导线(9)与脉冲电源(4)相连；铁芯(25)的底端与锤头(5)相连；锤头(5)的底端设有橡胶垫(6)。5.根据权利要求1或2或3所述的电磁冲击下球体颗粒体系任意点法向应变测量装置，其特征在于：所述的限位铁柱(11)内开设若干个沿轴向延伸的孔柱，孔柱以限位铁柱(11)为圆心沿限位铁柱(11)的圆周边缘排列，孔柱内放置若干个试验球(14)，孔柱轴向外圆周面设有内外相通的预留通缝(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：程毅，刘军，单鹏，刘明清，肖治民，赵伏田，孙磊，周浩，王贺，张远，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32