[发明专利]面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置及研究方法

说明书

本发明公开了一种面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置及其研究方法，包括计算机、变频控制器、异步电机和离心装置；异步电机通过变频控制器与计算机连接；离心装置包括设置在旋转筒对侧内壁上的分离式实验腔体和分离式配重腔体；旋转筒中心设有转动轴，转动轴与异步电机的传动轴通过传送带连接，使异步电机的转动轴驱动传动轴高速转动，对试验模型模拟重力场进行模拟实验；其中，分离式实验腔体内设置有图像采集设备；该微型离心机实验装置通过数字图像相关测量技术对采集图片进行分析获取微型离心实验模型的变形破坏数据，并用以验证数值模拟方法，实现了对岩土材料的细观结构破坏规律的研究。

技术领域

本发明涉及模拟实验技术领域，特别涉及一种面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置及研究方法。

背景技术

在对实际工程问题的科学研究中，经常需要使用按照一定比例缩小的物理模型进行模拟试验，从中揭示研究对象的内部本质和破坏机理，以期得到合理的解释，对工程做出正确的预估判断或选择正确的方案。在岩土工程中，大型岩土体破坏主要是由于自重条件下其内部应力场作用造成的。如果在正常重力状态下对岩土体的小型模型进行研究试验，由于模型尺寸缩小造成其内部应力的减小，会大大降低实验研究结果的精度及可信度。通过人为工作增加试验模型的自重应力，尽可能使实验模型达到研究原型的同等应力水平，土工离心机在试验中的应用很好的解决了这一问题。根据离心力场和重力场等价的原理，把缩小n倍的实验模型放在ng倍的离心力场中，促使模型和原型对应处的应力应变接近、变形相似、破坏机理相同，通过再现原型的物理特性，为理论计算及数值模拟提供可信度高的参考数据。

1869年法国人E.phillips针对横跨英吉利海峡的大桥进行研究时，提出了离心机设计的一般原理，希望通过离心模型试验进行验证，但由于当时的条件该设想并未实施。六十多年之后，美国和前苏联的一些学者分别把小型离心机应用到矿山实验和边坡稳定问题的研究中，至此离心模型试验技术逐渐在工程研究领域得到推广。二十世纪六十年代后期，英国、美国、日本、法国、德国、丹麦、意大利等国陆续开始建造土工离心机，极大程度的促进了离心模拟试验理论和技术的完善。八十年代以后，日本、中国、新加坡、印度等国结合现代化机械制造工艺，建造了一批新型离心机，其中一部分离心机开始逐渐向大容量方向发展。随着土工离心机的发展，土工离心模型试验应用的领域涵盖了地下支挡结构、软土地基、土工合成材料加筋挡墙、海洋石油平台、隧洞开挖、冻土工程、环境土力学、爆炸模拟、地震及液化模拟等诸多方面。

由于离心加速度是随离心半径而变化的，试验模型的应力分布会与原型产生一定的误差，但是这种误差会随着离心机转臂长度的增加而逐渐减小。另一方面，试验模型的缩小比例尺n越小，即实验模型的尺寸越大、越接近研究原型，实验结果的精度和可信度越高。大型土工离心机因为同时具备以上两点，能够较为完整的还原研究原型的应力状态和破坏机理而受到国内外学者青睐，当前国内研制大型土工离心机的热潮方心未艾。但是，大型土工离心机的建造、使用以及后期维护需要资金的源源投入以及大批实验人员参与，这与实验精度要求不高的一般性小型研究实验并不匹配，造成资源的极大浪费。与此同时，制作与大型土工离心机相匹配的大尺寸模型需要投入较多的人员和材料，实验模型一次性使用但是制作周期长、造价高。因此，建造和小型实验相匹配的微型离心机，可以节省实验空间、极大程度的降低实验成本、缩短模型制作和离心试验时间、减少实验研究人员和物力投入。

三维打印技术是一种通过运用可粘合材料逐层打印来构造三维物体的快速成型技术，由于其可重复制造多个相同性状的产品的优势，逐渐受到科研实验人员的重视，目前应用在了工业设计、军事工程、医学治疗、科学研究、食品制造、移动通信、建筑、航空航天等多个领域。