本發(fā)明屬于顆粒材料力學(xué)研究領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力測(cè)量試驗(yàn)裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

顆粒材料是由大量離散的固體顆粒相互作用而形成的復(fù)雜體系，廣泛存在于自然界中，比如鐵路道砟、堆石體、堰塞體和碎屑流等。顆粒材料是介于固體與液體之間的一種物質(zhì)存在形式，因此它兼具兩者的特點(diǎn)而又有自身獨(dú)特的性質(zhì)，如顆粒材料呈現(xiàn)對(duì)外界微小作用的敏感性、非線性響應(yīng)和自組織行為等復(fù)雜力學(xué)特性。從事物理、力學(xué)等基礎(chǔ)研究的學(xué)者開(kāi)展了密集顆粒物質(zhì)力學(xué)特性的精密試驗(yàn)和理論研究，對(duì)顆粒物質(zhì)體系平衡、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用等研究逐漸成為力學(xué)的一個(gè)新分支——顆粒物質(zhì)力學(xué)。由于顆粒材料的復(fù)雜性，不能單純地以固體或者流體的研究方法來(lái)研究其宏細(xì)觀力學(xué)特性，尤其是顆粒間接觸形成的力鏈結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀力學(xué)特性有較大的影響。大量光彈實(shí)驗(yàn)和離散元數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，大小不同、形狀各異的顆粒間相互接觸，形成復(fù)雜的接觸網(wǎng)絡(luò)，接觸力沿著接觸網(wǎng)絡(luò)中的鏈狀路徑(即力鏈)這一特殊結(jié)構(gòu)傳遞，使得顆粒間發(fā)生力鏈長(zhǎng)度上的短程相關(guān)，形成顆粒--力鏈--體系的復(fù)雜多尺度結(jié)構(gòu)。顆粒集合體中大多數(shù)接觸處的法向接觸力小于平均法向接觸力，大于平均法向接觸力的接觸數(shù)隨著接觸力的增加呈指數(shù)衰減。力鏈對(duì)外荷載加載方式和體系的幾何特征極其敏感，在同一接觸網(wǎng)絡(luò)中即使外荷載的輕微變化也會(huì)使得力鏈發(fā)生極大變化。近20年來(lái)，顆粒物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域的儀器開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)理論研究一直是物理、力學(xué)和材料等學(xué)科的前沿，國(guó)內(nèi)外很多的學(xué)者對(duì)顆粒材料的宏細(xì)觀力學(xué)特性進(jìn)行了深入試驗(yàn)和理論研究。目前，顆粒之間接觸力的測(cè)量方法大致分為兩類(lèi)方法：接觸式檢測(cè)方法（包括高精度電子天平稱(chēng)重法、顯色靈敏復(fù)寫(xiě)紙壓痕方法等）；非接觸式檢測(cè)方法（主要包括光彈實(shí)驗(yàn)方法、熒光共聚焦顯微鏡法和磁共振彈性成像法）。其中具有代表性的試驗(yàn)裝置和研究簡(jiǎn)介如下。

1999年L?voll等人采用電子天平檢測(cè)了重力作用下顆粒靜態(tài)堆積時(shí)底部顆粒的接觸力。電子天平稱(chēng)重法是利用探針接觸底層顆粒體，通過(guò)電子天平的讀數(shù)確定顆粒對(duì)底層的壓力，平行移動(dòng)探針可得到底層各個(gè)顆粒對(duì)底面的壓力大小。

復(fù)寫(xiě)紙壓痕法是在顆粒下部鋪上顯色靈敏的復(fù)寫(xiě)紙和白紙，在外力作用下，顆粒通過(guò)擠壓復(fù)寫(xiě)紙，而在白紙上形成大小不同和顏色深淺不一的壓痕，通過(guò)標(biāo)定可以確定接觸形變和法向力大小。芝加哥大學(xué)的Mueggenburg等人在三棱形容器中整齊排滿(mǎn)直徑為3.06 mm±0.04 mm的玻璃球，在玻璃球底層與玻璃球?qū)又g鋪上復(fù)寫(xiě)紙和白紙，采用復(fù)寫(xiě)紙壓痕法測(cè)量玻璃球?qū)θ萜鞯撞康膲簯?yīng)力。

Erikson等人改進(jìn)了Mueggenburg等人的工作。他們采用直徑為3.12 mm±0.05 mm的軟橡膠球作為顆粒材料，堆放在內(nèi)徑為140 mm的圓筒中，堆放高度為70 mm，在頂部均勻地施加2 500~7 000 N的力。

中國(guó)蘭州大學(xué)苗天德等發(fā)展了復(fù)寫(xiě)紙壓痕法，應(yīng)用鋁塑板與復(fù)寫(xiě)紙相結(jié)合的技術(shù)來(lái)記錄晶體底部力的分布。

2006年，J.Zhou等人采用高分辨率熒光共聚焦顯微鏡測(cè)定了三維表面光滑微液滴間接觸力分布。

2008年，Behringer等人將磁共振彈性成像法用在了顆粒體系的研究中，從而真正觀測(cè)到了三維體系中的力鏈。

光測(cè)彈性力學(xué)(Photoelasticity)實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用光學(xué)原理研究彈性力學(xué)問(wèn)題的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。將具有雙折射效應(yīng)的透明塑料(如環(huán)氧樹(shù)脂塑料、聚碳酸脂塑料)制成的結(jié)構(gòu)模型置于偏振光場(chǎng)中，當(dāng)給模型施加載荷時(shí)，即可看到模型上產(chǎn)生的干涉條紋圖，測(cè)量干涉條紋，就能確定結(jié)構(gòu)模型在受載情況下的應(yīng)力分布。從1999年起，美國(guó)杜克大學(xué)的Behringer帶領(lǐng)他的科研團(tuán)隊(duì)利用光彈性法在顆粒力學(xué)研究領(lǐng)域做了大量的工作。自2008年起清華大學(xué)水利系的孫其誠(chéng)、金峰等人也逐漸開(kāi)展了光彈實(shí)驗(yàn)的研究。這些先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)為深入研究顆粒體系中顆粒間接觸力、力鏈及力鏈網(wǎng)絡(luò)的形成、演變過(guò)程起到了重要的作用。

盡管現(xiàn)有的顆粒間接觸力測(cè)量方法及其研究取得了一定的成果，但還是存在一些不足。對(duì)于電子天平稱(chēng)重法，雖然電子天平的精度有了很大的提高，但是由于在測(cè)量過(guò)程中需要移動(dòng)裝置位置，不可避免的底層顆粒會(huì)與接觸紙產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致顆粒內(nèi)部力的重新分布；對(duì)于復(fù)寫(xiě)紙壓痕法，由于復(fù)寫(xiě)紙的靈敏度有限，僅依靠顆粒自重很難在白紙上留下清晰地痕跡，所以在試驗(yàn)中需要外力來(lái)增強(qiáng)壓痕效果，且由于復(fù)寫(xiě)紙壓痕法只能考慮層間顆粒的法向力，對(duì)于層間顆粒的切向力以及同一層內(nèi)顆粒之間接觸力的情況無(wú)法描述；對(duì)于熒光共聚焦成像法，在研究細(xì)胞、液滴等精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)適用，但是它的觀察視場(chǎng)較小，通常只能觀察幾百個(gè)微米量級(jí)的試樣；對(duì)于磁共振成像法，在成像過(guò)程中需要的時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法做到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)觀測(cè)體系的力鏈演變，且顆粒物質(zhì)體系較為復(fù)雜，定量分析顆粒之間力變化的三維圖像處理程序還需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；對(duì)于光彈實(shí)驗(yàn)方法，主要適用于二維顆粒接觸力和位置分布的全貌，不能進(jìn)行三維研究，且試樣材料受限制。

接觸式檢測(cè)方法，它們可檢測(cè)顆粒體系中某一截面上的接觸力的分布情況，但是不可避免的對(duì)顆粒體系產(chǎn)生或多或少的干擾，由于力鏈對(duì)局部力的變化反應(yīng)極為敏感，因此輕微的擾動(dòng)足以使力鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化；而非接觸式檢測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)干擾檢測(cè)，不僅可以確定顆粒的位置，分析體系的結(jié)構(gòu)特征，更重要的是可以“看到”力，進(jìn)而得到三維顆粒體系中接觸力分布的全部信息，特別是力鏈結(jié)構(gòu)。

對(duì)于試驗(yàn)裝置的測(cè)量部分，目前采用復(fù)寫(xiě)紙壓痕，電子天平等，精確度和靈敏性等方面的不同會(huì)對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上各種試驗(yàn)裝置存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力測(cè)量試驗(yàn)裝置，這種裝置精度和靈敏性更高，能夠更加準(zhǔn)確地開(kāi)展顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力試驗(yàn)及研究。

本發(fā)明提供一種顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力測(cè)量試驗(yàn)裝置，包括圓筒容器、固定裝置、動(dòng)力加載裝置、薄膜壓力傳感器和數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)；

所述圓筒容器包括圓筒、上活塞和下活塞，圓筒用于盛放需要測(cè)量接觸力的顆粒材料；上活塞用于蓋住圓筒的上端開(kāi)口，下活塞用于蓋住圓筒的底端開(kāi)口；

所述固定裝置用于固定圓筒；

所述動(dòng)力加載裝置為氣壓施力裝置，設(shè)置于圓筒容器上方，直接作用于上活塞，用于提供試驗(yàn)時(shí)所需的荷載；

所述薄膜壓力傳感器為圓形單點(diǎn)薄膜壓力傳感器，主要由傳感器薄膜部構(gòu)成；傳感器薄膜部設(shè)于感應(yīng)顆粒材料與下活塞之間，用于感應(yīng)壓力；

所述數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)包括調(diào)制器、標(biāo)定裝置、USB采集器、采集控制軟件，其中調(diào)制器用于把薄膜壓力傳感器因受力而產(chǎn)生的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)變化進(jìn)行測(cè)量，調(diào)制器與標(biāo)定裝置直接相連，標(biāo)定裝置用于對(duì)薄膜壓力傳感器產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以確定薄膜壓力傳感器受力與輸出電壓之間的受力系數(shù)關(guān)系，保證系數(shù)輸入采集控制軟件得到傳感器真實(shí)的受力，標(biāo)定裝置后連接著USB采集器用于對(duì)采集調(diào)制器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行記錄轉(zhuǎn)換，USB采集器后面與采集控制軟件相連，在USB采集器將得到的電壓信號(hào)進(jìn)行記錄轉(zhuǎn)換后傳輸給采集控制軟件，采集控制軟件用于控制采集器、設(shè)置比例系數(shù)、采樣率、采樣時(shí)間、實(shí)時(shí)顯示、保存數(shù)據(jù)、受力曲線。

所述薄膜壓力傳感器還包括內(nèi)設(shè)導(dǎo)線的傳感器手柄部，傳感器薄膜部通過(guò)導(dǎo)線與標(biāo)定裝置電連接；所述圓筒下部靠近下活塞處開(kāi)有一個(gè)開(kāi)口，用于放置傳感器手柄部。

所述基座上設(shè)有支架，支架正對(duì)圓筒的開(kāi)口，用于支撐傳感器手柄部。

所述圓筒的底端外沿處固定有圓筒底盤(pán)，圓筒底盤(pán)上設(shè)有多個(gè)底盤(pán)開(kāi)孔；所述固定裝置包括基座，基座上的基座開(kāi)孔的底盤(pán)開(kāi)孔相對(duì)應(yīng)，以此可通過(guò)緊固件將圓筒固定于基座上。

所述圓筒底盤(pán)上的底盤(pán)開(kāi)孔繞圓筒均勻分布；基座上設(shè)有尺寸、數(shù)量及位置分布與底盤(pán)開(kāi)孔相對(duì)應(yīng)；可通過(guò)螺栓螺母固定件將圓筒底盤(pán)固定于基座上，從而實(shí)現(xiàn)將圓筒固定于基座上。

所述圓筒、基座均由透明材質(zhì)制成。

所述上活塞上端固定有至少一個(gè)提耳，方便移動(dòng)上活塞。

所述上活塞、傳感器薄膜部直接與顆粒材料相接觸。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供使用上述試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下步驟：

（1）將傳感器薄膜部從圓筒的底部放入，并使傳感器手柄部放置于圓筒下部的開(kāi)口處；

（2）將下活塞放入上述步驟1中的圓筒底部，使下活塞承托傳感器薄膜部，傳感器薄膜部與下活塞直接接觸，兩者的尺寸設(shè)計(jì)具有一定的適應(yīng)性使兩者不會(huì)產(chǎn)生相互移動(dòng)；

（3）將上述步驟2中完成組裝的裝置通過(guò)圓筒底盤(pán)與基座固定連接，另外傳感器手柄部正好放在支架上；

（4）將試驗(yàn)所用的顆粒材料緩慢放入圓筒中；

（5）將上活塞放置于顆粒材料上部；

（6）將薄膜壓力傳感器與數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)連接；傳感器薄膜部通過(guò)傳感器手柄部的內(nèi)置導(dǎo)線與標(biāo)定裝置電連接；該數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)連接包括調(diào)制器、標(biāo)定裝置、USB采集器以及采集控制軟件，其中標(biāo)定裝置與USB采集器相連，并由USB采集器連接采集控制軟件，調(diào)制器與標(biāo)定裝置連接；

（7）對(duì)連接好的數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試校正；

（8）待系統(tǒng)穩(wěn)定好，用動(dòng)力加載裝置對(duì)上活塞施加垂直方向的荷載；

（9）記錄采集器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理分析。

本發(fā)明的有益效果在于：

（1）本發(fā)明試驗(yàn)裝置用于測(cè)量垂直外力加載條件下顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)，是對(duì)現(xiàn)有顆粒之間接觸力試驗(yàn)裝置的一種補(bǔ)充與完善；

（2）本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，圓筒容器筒壁為透明材質(zhì)，便于在試驗(yàn)中觀察試驗(yàn)現(xiàn)象；

（3）本發(fā)明試驗(yàn)裝置所用的薄膜壓力傳感器是精度較高的觸力/壓力測(cè)量傳感器，使得測(cè)量結(jié)果更加精確可靠，簡(jiǎn)單易用，準(zhǔn)確，成本低，體積小，易于集成在各種運(yùn)用中。

（4）該試驗(yàn)裝置的發(fā)明有利于該領(lǐng)域室內(nèi)試驗(yàn)的開(kāi)展，有利于促進(jìn)顆粒材料力學(xué)基礎(chǔ)理論方面的研究。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的圓筒容器及固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的圓筒容器及固定裝置分解結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的圓筒容器局部結(jié)構(gòu)放大圖；

圖4為本發(fā)明的薄膜壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-圓筒容器；11-圓筒；12-上活塞；13-下活塞；14-圓筒底盤(pán)；15-底盤(pán)開(kāi)孔；16-開(kāi)口；17-提耳；2-固定裝置；21-基座；22-支架；23-基座開(kāi)孔；4-薄膜壓力傳感器；41-傳感器薄膜部；42-傳感器手柄部；43-導(dǎo)線；5-數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)；51-調(diào)制器；52-標(biāo)定裝置；53-USB采集器；54-采集控制軟件。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明提供一種顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力測(cè)量試驗(yàn)裝置，包括圓筒容器1、固定裝置2、動(dòng)力加載裝置、薄膜壓力傳感器4和數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)5；所述圓筒容器1包括圓筒11、上活塞12和下活塞13，圓筒11用于盛放需要測(cè)量接觸力的顆粒材料；上活塞12用于蓋住圓筒11的上端開(kāi)口，下活塞13用于蓋住圓筒11的底端開(kāi)口；所述固定裝置2用于固定圓筒11；所述動(dòng)力加載裝置3為氣壓施力裝置，設(shè)置于圓筒容器1上方，直接作用于上活塞12，用于提供試驗(yàn)時(shí)所需的荷載；所述薄膜壓力傳感器4為圓形單點(diǎn)薄膜壓力傳感器，主要由傳感器薄膜部41構(gòu)成；傳感器薄膜部41設(shè)于感應(yīng)顆粒材料與下活塞13之間，用于感應(yīng)壓力；所述數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)5包括調(diào)制器51、標(biāo)定裝置52、USB采集器53、采集控制軟件54，其中調(diào)制器51用于把薄膜壓力傳感器4因受力而產(chǎn)生的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)變化進(jìn)行測(cè)量，調(diào)制器51與標(biāo)定裝置52直接相連，標(biāo)定裝置52用于對(duì)薄膜壓力傳感器4產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，以確定薄膜壓力傳感器4受力與輸出電壓之間的受力系數(shù)關(guān)系，保證系數(shù)輸入采集控制軟件54得到傳感器真實(shí)的受力，標(biāo)定裝置52后連接著USB采集器53用于對(duì)采集調(diào)制器51輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行記錄轉(zhuǎn)換，USB采集器53后面與采集控制軟件54相連，在USB采集器53將得到的電壓信號(hào)進(jìn)行記錄轉(zhuǎn)換后傳輸給采集控制軟件54，采集控制軟件54用于控制采集器、設(shè)置比例系數(shù)、采樣率、采樣時(shí)間、實(shí)時(shí)顯示、保存數(shù)據(jù)、受力曲線。

所述薄膜壓力傳感器4還包括內(nèi)設(shè)導(dǎo)線43的傳感器手柄部42，傳感器薄膜部41通過(guò)導(dǎo)線43與標(biāo)定裝置52電連接；所述圓筒11下部靠近下活塞13處開(kāi)有一個(gè)開(kāi)口16，用于放置傳感器手柄部42。

所述基座21上設(shè)有支架22，支架22正對(duì)圓筒11的開(kāi)口16，用于支撐傳感器手柄部42。

所述圓筒11的底端外沿處固定有圓筒底盤(pán)14，圓筒底盤(pán)14上設(shè)有多個(gè)底盤(pán)開(kāi)孔15；所述固定裝置2包括基座21，基座21上的基座開(kāi)孔23的底盤(pán)開(kāi)孔15相對(duì)應(yīng)，以此可通過(guò)緊固件將圓筒11固定于基座21上。

所述圓筒底盤(pán)14上的底盤(pán)開(kāi)孔15繞圓筒11均勻分布；基座21上設(shè)有尺寸、數(shù)量及位置分布與底盤(pán)開(kāi)孔15相對(duì)應(yīng)；可通過(guò)螺栓螺母固定件將圓筒底盤(pán)14固定于基座21上，從而實(shí)現(xiàn)將圓筒11固定于基座21上。

所述圓筒11、基座21均由透明材質(zhì)制成。

所述上活塞12上端固定有至少一個(gè)提耳17，方便移動(dòng)上活塞12。

所述上活塞12、傳感器薄膜部41直接與顆粒材料相接觸。

薄膜壓力傳感器4可選用：MFF薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)。

動(dòng)力加載裝置可選用：STPC1T-40T系類(lèi)C型氣動(dòng)壓力機(jī)。

動(dòng)力加載裝置為氣動(dòng)加載，垂直作用于上活塞，對(duì)測(cè)量對(duì)象即顆粒材料進(jìn)行加載。在垂直外力加載條件下對(duì)顆粒材料力鏈結(jié)構(gòu)的接觸力測(cè)量，具體操作步驟如下：

（1）將傳感器薄膜部從圓筒的底部放入，并使傳感器手柄部放置于圓筒下部的開(kāi)口處；

（2）將下活塞放入上述步驟1中的圓筒底部，使下活塞承托傳感器薄膜部，傳感器薄膜部與下活塞直接接觸，兩者的尺寸設(shè)計(jì)具有一定的適應(yīng)性使兩者不會(huì)產(chǎn)生相互移動(dòng)；

（3）將上述步驟2中完成組裝的裝置通過(guò)圓筒底盤(pán)與基座固定連接，另外傳感器手柄部正好放在支架上；

（4）將試驗(yàn)所用的顆粒材料緩慢放入圓筒中；

（5）將上活塞放置于顆粒材料上部；

（6）將薄膜壓力傳感器與數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)連接；傳感器薄膜部通過(guò)傳感器手柄部的內(nèi)置導(dǎo)線與標(biāo)定裝置電連接；該數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)連接包括調(diào)制器、標(biāo)定裝置、USB采集器以及采集控制軟件，其中標(biāo)定裝置與USB采集器相連，并由USB采集器連接采集控制軟件，調(diào)制器與標(biāo)定裝置連接；

（7）對(duì)連接好的數(shù)據(jù)標(biāo)定及采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試校正；

（8）待系統(tǒng)穩(wěn)定好，用動(dòng)力加載裝置對(duì)上活塞施加垂直方向的荷載；

（9）記錄采集器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理分析。

本發(fā)明可以對(duì)不同形狀的顆粒材料的力鏈結(jié)構(gòu)接觸力進(jìn)行測(cè)量。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，例如下活塞的固定方式和支架的樣式，在不影響試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)施的前提下，采用其他固定方式和支架樣式也是可行的。倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。