[发明专利]研究类CFRP约束热损伤煤样蠕变-冲击耦合试验系统及方法

权利要求书

1.一种研究类CFRP约束热损伤煤样力学性能的方法，其特征在于，

采用蠕变-冲击耦合试验系统实现研究类CFRP约束热损伤煤样力学性能的方法；

系统包括：顶板、平衡锤、重锤、砝码、砝码盘、支撑钢柱、液压千斤顶、荷载传感器、荷载采集器、底板、卷扬机、应变片、应变采集仪和计算机；

所述支撑钢柱上带有滑槽，平衡锤的三个端部上带有滑块，平衡锤上的滑块与支撑钢柱上的滑槽滑动连接；

所述重锤和卷扬机通过固定在顶板上的中心滑轮和钢绳连接；所述砝码盘和平衡锤通过固定在顶板上的三个小滑轮和大滑轮用钢绳连接，通过在砝码盘上增减砝码的数量控制平衡锤对试件施加压力；

所述三个小滑轮成正三角形分布在中心滑轮四周，与平衡锤的三个端部相对应，大滑轮固定在顶板上与砝码盘对应的位置；大滑轮与卷扬机在中心滑轮的异侧，中心滑轮、三个小滑轮中的一个小滑轮和大滑轮按顺序排布在一条直线的位置上；为避免线间交叉，在平面上卷扬机与中心滑轮连线不经过小滑轮；

所述应变采集仪控制应变片实时采集应变数据，并将数据传输给计算机；所述计算机通过分析应变数据给卷扬机发送控制指令，由卷扬机带动重锤给平衡锤施加冲击扰动；

所述平衡锤中部为半球形凹槽，便于试件受到均匀的冲击；

所述荷载传感器设置在液压千斤顶上部，在荷载传感器上放置待检测试件；所述荷载采集器控制荷载传感器采集试件所受的荷载，并将荷载数据传输给计算机，用于模拟不同阶段的工况；

方法包括如下步骤：

步骤1：采集并制作不同热损伤下的煤样，对不同热损伤下的煤样进行不同程度的加固处理，其中，所述步骤1的过程如下：

步骤1.1：从深部矿井采集煤块，先将煤块打磨至标准煤样，且煤样需打磨光滑，确保表面干净无污，其中，所述标准煤样为长宽高比为1:1:2的标准长方体；

步骤1.2：将煤样分成若干组，每组的数量一致，以温度递增的形式对不同组的煤样进行加热，其中，选取密度相近的煤样进行分组，设置高温加固组、高温不加固组、常温加固组和常温不加固组，按温度设置多个高温加固组和高温不加固组，按条带层数设置高温加固组和常温加固组，每组至少7个煤样，取高温加固组和高温不加固组中煤样进行加热处理，试件采用电阻炉加热，按温度分组分次将煤样放入炉内后，开启电源，调整温度控制到对应温度值，待升温到设置温度后再恒温4h，在炉内自然冷却至室温，加热的温度范围为100℃～500℃；

步骤1.3：静置加热过的煤样至常温后，分别在每组煤样的外表面粘贴不同层数的CFRP条带用以加固；

步骤2：从各组取一个相同CFRP层数的煤样，对其纵向施加压力至破坏，实测得到各组煤样的应力-应变曲线并获得该曲线上的峰值强度σ_p；

步骤3：为模拟不同阶段的工况情况，在应力-应变曲线上选取三个小于峰值强度σ_p的点，记为应力强度σ_A、σ_B和σ_C，其中，σ_A＝50％σ_p，σ_B＝70％σ_p，σ_C＝90％σ_p，对选取的应力大小以及每级蠕变应力大小与砝码重量进行对应换算，换算通过以下公式确定：

mg＝σ×πr²

其中，m为对应加载应力所对应的砝码质量，σ为加载应力，π取3.14，半径r为0.025m，g取9.8m/s²；

步骤4：在煤样上粘贴应变片并放置在蠕变-冲击耦合试验系统的荷载传感器上，在步骤3得到的应力强度σ_A下，进行逐级加载蠕变试验，同时在相应的每级蠕变的等速蠕变阶段施加频率为f的n次循环冲击扰动，直到经过若干个蠕变阶段后煤样发生失稳破坏为止，记录煤样失稳破坏时施加的蠕变-冲击扰动强度；

所述步骤4的过程如下：

步骤4.1：在煤样的CFRP条带外竖向和环向粘贴若干个应变片，并将煤样放置在荷载传感器上，通过液压千斤顶将煤样升至轻触平衡锤底部位置，避免煤样在试验前受到荷载出现细微破损的情况；

步骤4.2：减少砝码盘上的砝码，使平衡锤对煤样加压，荷载采集器控制荷载传感器采集煤样所受的荷载，并将荷载数据传输给计算机，同时调整砝码数量使煤样上的加载值控制在应力σ_A；

步骤4.3：应变采集仪控制应变片实时采集煤样的应变数据，并将数据传输给计算机，由计算机分析应变数据；

步骤4.4：当应变满足等速蠕变条件时，由计算机给卷扬机发送控制指令，并由卷扬机带动重锤给平衡锤施加频率为f的n次循环冲击扰动，其中，所述满足等速蠕变条件为满足dε/dt＝Ω，ε为应变值，t为时间，dε/dt为单位时间的应变值，Ω为常数；

步骤4.5：每级蠕变完成后继续加载，每次加载后过相同时间，在等速蠕变阶段施加频率为f的n次循环冲击扰动；

步骤5：重复步骤4得到不同组内即不同热损伤下，相同CFRP层数煤样分别在应力强度σ_A、σ_B和σ_C下的应力-应变图及失稳破坏时施加的蠕变-冲击扰动强度；

步骤6：重复步骤2至步骤5直到得到同组内即同热损伤程度下、不同CFRP层数下的煤样的应力-应变图及失稳破坏时施加的蠕变-冲击扰动强度；

步骤7：对比同组内即同热损伤程度下及同加载应力下，不同CFRP层数煤样的应力-应变图及失稳破坏时施加的蠕变-冲击扰动强度，根据不同加固层数对试件强度提升的增量得到最优抵抗蠕变-冲击扰动的CFRP包裹层数，并分析热损伤对煤样抵抗蠕变-冲击扰动的力学性能的影响。