技术领域
[0001] 本
发明属于工程试验装置技术领域，具体涉及一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置及实验方法。
背景技术
[0002] 颗粒物质和人们的生活紧密相连，颗粒物质中单个颗粒的运动服从
牛顿定律和
能量守恒定律，其各种
力学行为的研究方法已较为成熟。当大量颗粒堆叠在一起形成颗粒床，颗粒床在外力作用下整体运动或发生流动，形成颗粒流，表现出复杂的类固-液
相变特性，其特性及机理研究面临诸多挑战并成为近些年相关领域科研人员的研究热点。在运输、
煤矿开采、制药、农业、泥石流、
雪崩等人类活动和
自然灾害中，颗粒流现象广泛存在。近年来，人们通过对颗粒物质的大量研究，建立起一些定性和定量的理论方法。但由于颗粒物质本身的特殊性，传统力学理论仍不能很好地解释颗粒物质的复杂力学特性。对颗粒物质继续进行深入研究，探求其力学机理，有助于进一步促进生产实践，减灾防灾等。
[0003] 板结构在建筑、
桥梁、航空航天等领域应用广泛。在很多实际工程应用中，板结构并非单独存在，经常与颗粒介质耦合，比如深埋在
土壤、砂石中的地基、桥梁等。同时，板结构在工作中经常受到不同形式的外界激励，使颗粒介质中的板结构产生振动，表现出非常复杂的振动特性。针对受激振动板耦合颗粒材料的复杂动力学行为研究，不仅会对边界复杂激励下颗粒物质流变特性机理产生新的认识，也将给相关领域工程实践提供理论
支撑和技术指导。
[0004] 板结构在与颗粒介质的耦合过程中变速运动，施加在板结构上的驱动力不仅要为增加板的
动能做功，还要为增加周围颗粒的动能做功。因此
质量为m的板要获得
加速度a，施加在它上面的力F将大于板质量m与加速度a的乘积，增加的这部分质量称为附加质量。附加质量会使结构体表面观测到的质量与实际质量不同，这种表观质量的概念在物理、化学、材料科学等研究领域都有应用，被称为有效质量。当有效质量随激励力
频率而变化时也被称为依赖频率的动态有效质量。但目前对于颗粒—板耦合系统的动态有效质量及非线性动力学行为的机理分析尚属空白，为此本发明提出一种振动板耦合颗粒床的试验装置及方法尤为重要。
发明内容
[0005] 本发明为研究颗粒介质耦合板结构模型的振动特性，促进弹性体-颗粒物质耦合系统动力学研究工作取得突破，为工程实践领域提供更多的理论支撑和技术指导，提出了一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置及其实验方法，本发明操作简便、原理可靠，既能探究振动板动态有效质量的变化规律和机理、分析振动板的非线性动力学行为，又可同时获得颗粒床相态转变的基本规律。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置，包括外圆桶、激振器、振动板、鼠笼、激振杆、力
传感器、应变片、颗粒床、
锁紧
螺母；所述外圆桶和激振器通过
螺栓与
工作台紧固连接，所述激振器位于外圆桶内腔且两者的轴向重合，所述激振器外侧同轴套装有鼠笼，且鼠笼位于外圆桶内腔，鼠笼一端与工作台通过螺栓紧固连接，另一端与振动板相连，振动板的上表面耦合有颗粒床，所述激振杆一端与激振器连接，且激振杆与激振器同轴设置，激振杆另一端与振动板连接，所述激振杆上安装有力传感器，传感器输出端与第一
导线一端相连，第一导线另一端贯穿外圆桶
侧壁上的其中一个导线孔与力采集器输入端相连，所述鼠笼的弧形
辐条上贴有应变片，应变片输出端与第二导线一端相连，第二导线另一端贯穿外圆桶上的另一个导线孔与应变采集器输入端相连。
[0008] 所述外圆桶侧壁上的两个导线孔对称设置，且直径为3mm。
[0009] 所述鼠笼包括上圆环、下圆环及若干弧形辐条，所述上圆环与下圆环通过若干弧形辐条连为一体。
[0010] 所述应变片采用长为3mm、宽为2mm的小型应变片组成的半桥，小型应变片可减轻鼠笼辐条贴片处的弧面效应。
[0011] 所述振动板为刚性板，且振动板与外圆桶内表面之间设置有间隙，且间隙的尺寸小于颗粒的粒径设置。
[0012] 所述外圆桶采用透明的有机玻璃制成。
[0013] 一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验方法，采用一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置，包括以下步骤：
[0014] 步骤1，系统静态标定：称取振动板质量，并在振动板上表面无颗粒床状态下，静态标定应变输出与振动板位移关系并得到拟合方程；
[0015] 步骤2、
信号采集：在振动板耦合颗粒床状态下，启动激振器激励振动板，通过力采集器采集振动板激振力信号，通过应变采集器采集鼠笼辐条贴片处输出的应变信号，并通过高速摄像机记录整个过程，用于分析颗粒床的相态变化；
[0016] 步骤3、
数据处理：利用步骤1所得应变输出—位移拟合方程将步骤2所得的应变信号转换成位移信号；画位移信号的
频谱图及
相图；然后再由位移信号计算得出加速度信号，分别对激振力信号和加速度信号进行傅里叶变换，得到激振力信号的振幅A1和激振力信号的
相位角θ1以及加速度信号的振幅A2和加速度信号的相位角θ2，利用公式(1)计算振动板的动态有效质量
[0017]
[0018] 式中：A1为激振力信号的振幅，θ1为激振力信号的相位角，A2为加速度信号的振幅，θ2为加速度信号的相位角，i是复数中的虚数单位。
[0019] 本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
[0020] 1、本发明引入的鼠笼结构，代替
弹簧和阻尼器为系统提供
刚度和阻尼，鼠笼结构对称分布及鼠笼辐条的弧形设计可以在保证振动板轴向运动
稳定性的同时为其提供较小刚度并进而产生符合研究所需的振动幅值，满足振动板-颗粒材料耦合系统非线性动力学响应的测试需求；
[0021] 2、本发明的外圆桶采用透明的有机玻璃材料制成，便于进行
可视化研究，方便观察桶内颗粒床的相态变化；敞口设计易于颗粒床的更换；
[0022] 3、本发明在鼠笼辐条外侧采用尺寸仅为长3mm宽2mm的小型应变片组半桥。小应变片可以减轻鼠笼辐条贴片处的弧面效应，半桥可以对输出的应变信号进行放大，充分利用了应变片频响高、
变形识别灵敏度高、测试技术成熟、性价比高等特点，实现对振动板轴向位移的实时信号采集。另外，鼠笼四根辐条上都有半桥，可监测板结构是否沿竖直方向发生振动，处理数据时将四个半桥取均值，可减少实验误差。
[0023] 4、本发明采用鼠笼辐条应变与位移传感器测量的位移之间的标定关系获得实际工况下振动板位移，该方法及其装置适用于实际工况下无法安装、使用位移传感器的情况，例如振动板的下侧区域填充颗粒、高温
流体(中、高温环境下的应变测试技术已相对成熟)或其它复杂工况。
[0024] 5、本发明操作简便、原理可靠，可实时监控颗粒床的相态变化，为探究振动板-颗粒床耦合系统动态有效质量的变化规律和机理提供试验手段，通过耦合系统中板位移的分岔、混沌等现象分析其非线性动力学行为。
附图说明
[0025] 图1为本发明鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置结构总装示意图；
[0026] 图2为鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置的鼠笼结构主视图；
[0027] 图3为鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置的鼠笼结构三维示意图；
[0028] 图4为
实施例步骤2中采集到的激振力信号局部曲线图；
[0029] 图5为实施例步骤3中转换得到的位移信号局部曲线图；
[0030] 图6为实施例步骤3中振动板位移的频谱图；
[0031] 图7为实施例步骤3中振动板位移的相图；
[0032] 1-外圆桶；2-振动板；3-力传感器；4-激振杆；5-激振器；6-
定位止口；7-锁紧螺母；8-颗粒床；9-应变片；10-鼠笼；11-工作台；12-力采集器；13-应变采集器；14-导线孔。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0034] 如图1至图3所示，一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置，包括外圆桶1、激振器5、振动板2、鼠笼10、激振杆4、力传感器3、应变片9、颗粒床8、锁紧螺母7；所述外圆桶1和激振器5通过螺栓与工作台11紧固连接，所述激振器5位于外圆桶1内腔且两者的轴向重合，所述激振器5外侧同轴套装有鼠笼10，且鼠笼10位于外圆桶1内腔，鼠笼10一端通过定位止口6固定在工作台11上，防止在激振器5的振动下鼠笼10产生移动，另一端与振动板2相连，振动板2的上表面耦合有颗粒床8，所述激振杆4一端与激振器5连接，且激振杆4与激振器5同轴设置，激振杆4另一端通过位于振动板2圆心处的锁紧螺母7与振动板2连接，所述激振杆4上安装有力传感器3，传感器输出端与第一导线一端相连，第一导线另一端贯穿外圆桶1侧壁上的其中一个导线孔14与力采集器12输入端相连，所述鼠笼10的弧形辐条上贴有应变片9，应变片9输出端与第二导线一端相连，第二导线另一端贯穿外圆桶1上的另一个导线孔14与应变采集器13输入端相连。
[0035] 所述外圆桶1侧壁上的两个导线孔14对称设置，且直径为3mm。
[0036] 所述鼠笼10包括上圆环、下圆环及四根弧形辐条，所述上圆环与下圆环通过四根弧形辐条连为一体，且四根弧形辐条沿周向均布。
[0037] 所述应变片9采用长为3mm、宽为2mm的小型应变片9组成的半桥，小型应变片9可减轻鼠笼10辐条贴片处的弧面效应。
[0038] 所述振动板2为刚性板，且振动板2与外圆桶1内表面之间设置有间隙，且间隙的尺寸小于颗粒的粒径设置；间隙的存在保证振动板2与外圆桶1之间无摩擦产生，进而避免对实验结果产生影响。
[0039] 所述外圆桶1采用透明的有机玻璃制成。
[0040] 一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验方法，采用一种鼠笼式振动板耦合颗粒床实验装置，包括以下步骤：
[0041] 步骤1，系统静态标定：通过称重传感器称取振动板2质量为1.14Kg，并在振动板2上表面无颗粒床8状态下，将实验装置放置于万能
电子试验机试验台上，通过万能电子试验机的加载头对振动板2分级施加轴向
载荷至500N，保持轴向载荷不变，同时通过外设位移传感器测量振动板2位移，通过应变采集器13采集鼠笼10辐条的应变，通过计算机记录应变采集器13采集的应变信号，通过实验者手动记录位移传感器采集的位移信号，得到应变与振动板2位移的拟合方程为y＝32518.6x+415.7，式中：y代表应变；x代表位移，单位为mm；
[0042] 步骤2、信号采集：将实验装置从万能电子试验机试验台转移至工作台11上，在振动板2耦合颗粒床8状态下，颗粒床8的总质量约为2kg，由直径为10mm的有机玻璃球所组成，首先通过锁紧螺母7将激振杆4与振动板2锁紧；其次将应变采集器13及力采集器12清零，启动激振器5，施加力幅为50N，频率为80Hz的简谐激励，激励振动板2，通过力采集器12采集振动板2激振力信号，激振力信号随时间变化的曲线如图4所示，通过应变采集器13采集鼠笼10辐条应变
输出信号，并通过高速摄像机记录整个过程，用于辅助分析颗粒床8的相态变化；
[0043] 步骤3、数据处理：利用步骤1所得的应变—位移拟合方程将应变信号转换成位移信号，位移信号随时间变化的曲线如图5所示；画位移信号的频谱图及相图，如图6和图7所示，然后将所得位移信号对时间求两次导数计算得到加速度信号，分别对激振力信号和加速度信号进行傅里叶变换，得到激振力信号的振幅A1＝50和激振力信号的相位角θ1＝90.4以及加速度信号的振幅A2＝12.29和加速度信号的相位角θ2＝-132.36，利用公式(1)计算振动板2的动态有效质量
[0044]
[0045] 得到振动板2的动态有效质量 式中：A1为激振力信号的振幅，θ1为激振力信号的相位角，A2为加速度信号的振幅，θ2为加速度信号的相位角，i是复数中的虚数单位。
[0046] 改变颗粒床8深度、粒径大小、激振力频率、激振力幅值等参数，构造不同的工况。通过观察和记录颗粒床8在不同激励工况下的相态变化、绘制振动板2以及颗粒床8质心的时域图、频谱图、相图等，可分析动态有效质量变化的机理以及相应的非线性动力学行为。
