多因素耦合模型箱、模拟实验装置、系统及其实验方法 |
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| 申请号 | CN202410104428.4 | 申请日 | 2024-01-25 | 公开(公告)号 | CN117912344A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所; 中国国家铁路集团有限公司; 中国铁道科学研究院集团有限公司; | 发明人 | 叶阳升; 尧俊凯; 李泰灃; 闫鑫; 梁经纬; 苏珂; | ||||
| 摘要 | 一种多因素耦合模拟实验箱、实验装置、系统及其实验方法，包括模型箱主 体模 块 ：控制错动模块、 温度 调节模块以及降雨调节模块协同作用，方便各模块更换；模型箱错动模块：在实验装置中与 振动台 联合使用，模拟 断层 蠕滑错动；温度调节模块：在实验装置模拟冻融循环 温度控制 指标，控 制模 型 箱体 内部 环境温度 ；降雨调节模块：模拟降雨需要保障与 原型 降雨的三大指标，即雨滴粒径、降雨强度和降雨均匀性的等效，控制降雨强度和降雨历时；振动台：在实验装置中模拟 地震 功能。本 发明 集降雨模拟、高低温控制、断层错动功能于一体形成高陡边坡多因素耦合协同控制模型试验装置，实现剧烈内外动 力 作用下高陡边坡多场演化与失稳滑塌全过程物理模拟。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种多因素耦合模型箱，该模型箱是基于考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合的模型箱，包括主体模块(1)、错动模块(2)、温度调节模块(3)、降雨调节模块(4)以及振动台， |
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| 说明书全文 | 多因素耦合模型箱、模拟实验装置、系统及其实验方法技术领域背景技术[0002] 随着我国建设快速发展，建设于山区的大型、特大型水电工程、交通、市政等工程等与日俱增。有研究表明，全球降雨量从赤道向两极逐渐递减，主要地震分布区域雨量十分充沛。西南川藏地区山区地质、地形条件较为复杂，存在大量季节粗颗粒冻土区域，粗颗粒冻土高陡边坡在季节冻融作用下发生缓慢滑移或流动。结合西南川藏地区特有的地质、气候特点，开展降雨、冻融循环耦合作用下高烈度地震区高陡边坡的振动台模型试验，进行高陡边坡失稳过程研究，具有重要的学术价值与广泛的社会经济效益。 [0003] 在这种大背景下，对高陡边坡在地震、降雨和冻融循环耦合作用下的动力响应研究突显出了重要的理论意义和实践意义，不仅能推动地震高陡边坡稳定性理论的发展和创新，还能够为岩土工程建设的决策、设计和施工提供理论支撑，对地震高陡边坡灾害做到防患于未然。 [0004] 目前，振动试验已经成为一类重要的抗震性、可靠性、耐久性试验方法，并在航空、航天、航海、武器装备、车辆、轨道交通、土木建筑、核电等诸多国防工业及民用工业领域有着广泛的应用。 [0006] 1)内部尺寸：长1.8米*宽0.3米*0.8米 [0007] 2)推动速度范围：0.05‑10mm/min [0008] 3)推动角度：30°、45°、60°、75° [0009] 4)最大推动力：2吨。 [0010] CN113390463B公开一种储粮模拟多场耦合试验平台，粮仓模拟试验装置：参数指标： [0011] 1)模型尺寸：直径1.5m、高3m [0012] 2)最大压力：250kPa，控制精度1％ [0013] 3)侧壁温度调节范围：0～60℃ [0016] (1)目前试验的相似性分析方法主要采用传统量纲分析法，但在利用传统方法推导模型试验的相似关系时，所有的参数都被一个特征方程所包含，推导结果要求每个参数在模型相似设计时均满足相似比要求，这在一个复杂的物理模型试验中几乎不能实现； [0017] (2)在具体的相似设计中，一般缺少高陡边坡与基岩的接触面相似设计，故无法确保其模型试验的科学性、准确性。 发明内容[0018] 为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明公开一种考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置，其技术方案如下： [0020] 其特征为： [0021] 主体模块(1)：控制所述错动模块、温度调节模块以及降雨调节模块协同作用，方便各模块更换； [0022] 错动模块(2)：在实验装置中与振动台联合使用，模拟断层蠕滑错动； [0024] 降雨调节模块(4)：在实验装置中模拟降雨需要保障与原型降雨的雨滴粒径、降雨强度和降雨均匀性等效三大指标，以精确控制降雨强度和降雨历时； [0025] 振动台：在实验装置中模拟地震功能。 [0027] 优选为：所述的错动模块(2)包括1号错动端(8)、2号错动端(9)；其中，1号错动端(8)与2号错动端(9)之间通过对称的四块错动导向块(11)锁紧连接；2号错动端(9)与主体模块(1)之间通过对称的六块错动导向快锁紧连接；所述1、2号错动端由立柱和伺服液压缸组成，立柱上端自由，立柱下端与底座板(5)焊接，伺服液压缸两端与底座板(5)上端和错动导向块下端通过铰接支座铰接。 [0028] 优选为：所述1、2号错动端对应的错动角度分别为75°、45°，错动行程均为150mm；错动剪切力为180T。 [0029] 优选为：所述的温度调节模块(3)包括防水膜(12)、高温照射板(13)、制冷器(14)、鼓风机(15)；模型箱内部以及顶部的边框设置防水膜(12)；防水膜(12)上方设置由计算机控制的高温照射板(13)作为高温的来源；模型箱外设置的制冷器(14)与鼓风机(15)形成的制冷系统通过管道与模型箱顶端的高温照射板(13)上的两个孔相连。 [0031] 优选为：所述降雨调节模块(4)包括防水膜和降雨喷头阵列(17)；模型箱内部、顶部边框设置防水膜；防水膜上设置降雨喷头阵列来模拟降雨；所述降雨喷头阵列外接水箱、计算机控制的水路流通管路、循环水处理系统。 [0032] 本发明还公开一种多因素耦合模拟实验装置，包括上述的多因素耦合模型箱、控制器，其特征为：所述模型箱通过控制器实现对其控制；所述模型箱分别通过管道与压力泵、温控箱连接；所述控制器通过控制设置在压力泵输出管道上流量控制阀以及与模型箱连接的温控箱实现模拟降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验装置。 [0033] 本发明还公开一种多因素耦合模拟实验系统，包括上述的多因素耦合模拟实验装置、控制室；其特征为：所述多因素耦合模拟实验装置与控制室中控制设备实现数据通信以实现实验装置的远程控制；所述数据通信包括无线或有线通信；所述控制室包括主控计算机以及驱动柜；通过主控计算机控制驱动柜实现对所述实验装置中控制器的驱动控制。 [0034] 本发明还公开一种考虑降雨、温度、错动协同控制的多因素耦合模拟实验方法。 [0035] 有益效果 [0036] 本发明集降雨模拟、高低温控制、断层错动等功能于一体的高陡边坡振动台协同控制模型试验系统，形成基于地震动模拟试验平台的高陡边坡多因素耦合协同控制模型试验技术，能够实现剧烈内外动力作用下高陡边坡多场演化与失稳滑塌全过程物理模拟。附图说明 [0037] 图1为本发明模型箱主体和错动模块示意图； [0038] 图2为本发明温度调节模块示意图； [0039] 图3位本发明降雨调节模块示意图； [0040] 图4为本发明模型箱主体、错动模块零件图； [0041] 图5为本发明模型箱温度调节模块示意图； [0042] 图6为本发明模型箱温度调节模块零件图； [0043] 图7为本发明模型箱降雨调节模块零件图； [0044] 图8为本发明整体装配图； [0045] 图9为本发明测试系统布置示意图； [0046] 图10为本发明测试系统布置俯视图； [0047] 图11为本发明测试系统布置1‑1剖面图； [0048] 图12为本发明测试系统布置2‑2剖面图； [0049] 图13为本发明多功能环境模拟试验箱总体设计示意图； [0050] 其中：主体模块1、错动模块2、温度调节模块3、降雨调节模块四部分4、底座板5、底座6、固定端7、1号错动端8、2号错动端9、伺服液压缸10、错动导向块11、防水膜12、高温照射板13、制冷器14、鼓风机15、连接管道16； [0051] 图14为降雨模拟装置； [0052] 图15为降雨喷头。 具体实施方式[0053] 考虑多因素耦合的模拟断层错动实验装置，该实验装置主要用来评估某种材料或某个零部件受冻融循环、持续降雨以及剪切力的影响的装置。其结构主要包括模型箱主体模块(1)、模型箱错动模块(2)、温度调节模块(3)、降雨调节模块四部分(4)。整个实验装置均采用模块化设计，易于更换。 [0054] 模型箱主体模块(1)：控制错动模块、温度调节模块以及降雨调节模块协同作用，方便各模块更换。 [0055] 该模型箱主体模块主要由底座板(5)、底座(6)和固定端(7)三部分组成，其中固定端内尺寸为长宽高2000mm×2000mm×1200mm的除去错动模块的梯形箱体结构。固定端下焊接底座，底座下焊接底座板。底座和底座板的主要功能是支承。模型箱主体模块采用美国ANSYS和UGS\CAD\CAE\CAM三维软件进行有限元分析和优化设计，采用高强度钢板焊接而成，保证结构件强度。主要装配面采用大型龙门加工中心加工，保证产品装配精度。其零件图见附图4。 [0056] 模型箱错动模块(2)：在实验装置中与振动台联合使用，模拟断层蠕滑错动。 [0057] 所述的模型箱错动模块主要由1号错动端(8)、2号错动端(9)和伺服液压缸(10)组成。1号错动端与2号错动端之间通过对称的四块错动导向块(11)锁紧连接，2号错动端与模型箱主体模块之间通过对称的六块错动导向快锁紧连接，1、2号错动端和模型箱固定端三者共同构成了立方体的模型箱体结构作为被测试零部件的放置区域。1、2号错动端下由四根立柱和三个伺服液压缸组成，其中立柱上端自由，立柱下端与底座板焊接，伺服液压缸两端则与底座板上端和错动块下端通过铰接支座铰接。1、2号错动端对应的错动角度分别为75°、45°。错动端与伺服液压缸共同作用来为试验提供自定义的剪切力。两个错动端的错动行程均为150mm；错动剪切力为180T。对于伺服液压缸，其液压系统由液压动力源、液压缸、伺服阀(力士乐10L/min×3)、管路、分配器等组成。控制子系统由力传感器(60T×3)、位移传感器(150mm×3)、伺服控制器、计算机组成。错动推力由三套液压伺服系统提供，液压伺服油缸可同步运动。在使用前，可通过调节伺服油缸底部的铰接支座的位置来调节错动角度。在使用过程中，可通过调节伺服油缸错动的设定距离来控制错动程度。对于错动导向块，采用非标定制的大型重载导轨，具有截面大，刚度强等特点，其导轨接触面采用一定厚度的特殊耐磨片保证错动结构平稳、安全、持久地运行。其零件图见附图4。 [0058] 温度调节模块(3)：在实验装置模拟冻融循环温度控制指标，控制模型箱体内部环境温度。 [0059] 所述的模型箱温度调节模块主要由防水膜(12)、高温照射板(13)、制冷器(14)、鼓风机(15)和连接管道(16)组成。模型箱内部设置乳胶囊防水膜，模型箱顶部的边框上设置防水膜，两者起到防泄漏以及延长钢板耐久性的作用。防水膜上方设置由计算机控制的高温照射板作为高温的来源，模型箱外设置的制冷器与鼓风机形成的制冷系统通过管道与模型箱顶端的高温照射板上的两个孔相连来为模型箱内部提供制冻效果，两个孔分别对应进气管和出气管来形成一个完整的空气循环系统。模型箱内部设置PT100型号的温度传感器来为计算机提供反馈调节。在冻融循环模拟试验中，该模块可模拟‑20℃—40℃的冻融温度。其零件图见附图5。 [0060] 降雨调节模块(4)：在实验装置中模拟降雨需要保障与原型降雨的三大指标，即雨滴粒径、降雨强度和降雨均匀性的等效，精确控制降雨强度和降雨历时。 [0061] 所述的模型箱降雨调节模块主要由防水膜和降雨喷头阵列(17)组成。模型箱内部同样设置乳胶囊防水膜，模型箱顶部边框设置防水膜，两者起到防泄漏以及延长钢板耐久性的作用。防水膜上设置降雨喷头阵列来模拟降雨，喷头数定为20个。外接水箱、计算机控制的水路流通管路、循环水处理系统等，其中水箱采用304不锈钢材料。此模块通过控制管道水压力及流量来模拟降雨强度>5mm/h、降雨历时>24/h的各种自定义工况。其零件图见附图7。 [0062] 实施例1： [0063] 1.模拟断层错动功能 [0064] 试验模型箱设计成双段柔性结构，两侧对称，墙体内尺寸为长2000mm，宽2000mm，高2000mm，中间由柔性机构链接而成。 [0065] 箱体采用Q345高强度钢材焊接而成，保证结构件强度，主要装配面采用大型龙门加工中心加工，保证产品装配精度。模型箱底部设有螺栓连接位，方便与震动台连接；模型箱底部两端设有排水孔；箱体四周顶侧开有长250mm，宽250mm的透明玻璃视窗8个；模型箱顶部法兰边开有安装孔，用于方便固定降雨模拟装置和冻融模拟装置；双段箱体结合部位采用柔性结构连接。 [0066] 柔性连接机构采用复合结构组合而成，复合机构由土工膜层、铠甲层、弹性橡胶模层、弹簧层、风琴罩五层结构组成，此5层结构依次排布，以上5种材料均为柔性材料，5种材质起到不同的作用。土工膜起到防止土颗粒进入错动空隙空间作用；铠甲层起到防止尖锐石头刺穿，同时提供一定的竖向支撑力，防止土体在两端结合部下沉或者外溢作用；弹性橡胶层起到防水密封作用；通过拉升弹簧，使得弹簧处于受拉张力状态，弹簧层起到主要提供竖向支撑土体下沉或外溢作用；风琴罩层进一步起到防水作用，同时防止外部灰尘进如柔性连接机构内部。 [0067] 由于双段模型箱采用柔性连接，因此在模型制样时，必须保持箱体位置的固定，同时为了使弹簧处于受拉张力状态，在模型箱两段之间安装气缸张拉机构。在制样时，张拉机构工作，顶开两个箱体，同时安装箱体间固定夹板，保证箱体的可靠连接，制样完成后，整体吊装至振动台台面固定，最后拆卸固定夹板，释放气缸。 [0068] 为减小振动台工作时震动波形的反射，模型箱体内安装吸能机构，减小震动反射对模型试验的影响。 [0070] 特点： [0071] (1)柔性连接机构采用弹簧、柔性防水层、防穿刺层、风琴罩等复合结构，既满足错动需要，又起到防水、防土体沉降的作用； [0072] (2)模型箱体外壁采用隔热材料包裹，减少冻融循环时的热量损耗； [0073] (3)箱体外壳采用钣金结构蒙皮，整体美观整洁； [0074] (4)模型箱顶部开设有机玻璃视窗，方便模型观测； [0075] (5)箱体内测采用，吸波材料，减少振动波反射。 [0076] 2.环境温度模拟功能 [0077] 储气箱是一只内尺寸为长1米、宽1米、高1米的不锈钢箱体，箱体外侧做保温处理，箱体内集成制冷设备和加热设备。箱体顶部开有通风口，箱体前方底部开有回风口，在出风口和回风口分别安装鼓风机，保障储气箱和模型箱内空气充分热交换。 [0078] 多功能环境试验箱顶部盖板上，布置反馈温度传感器，温度信号反馈传递至计算机。通过计算机设置温度，当需要降温时，开启制冷设备，关闭加热设备，并打开气体循环，直至温度达到目标温度并保持稳定；当需要升温时，则关闭制冷设备，开启加热设备，开启气体循环，直至温度达到目标温度并保持稳定。 [0079] 特点： [0080] (1)进出风口增加轴流风机，使得温控储气箱内与模型内部充分热交换； [0081] (2)计算机控制系统实时调节温度控制系统，保持温度稳定。 [0082] 3.模拟降雨功能 [0083] 降雨板分为对称的两部分，分别安装在多功能环境试验箱两段箱体顶部，顶部连接部位采用柔性连接。降雨喷头均匀分布在降雨板的底面，每个喷头由管路统一连接在一起作为进水口，喷头气体管路也统一连接在一起作为进气口。喷头由喷嘴、进水口、进气口组成。进水口连接自来水或者压力容器，通过计算机调节气体压力大小可以调节降雨强度。进水口安装流量计用于检测实时降雨量，通过计算机可以设定降雨量，当达到预设降雨量时，可以自动关闭降雨进水口。由于降雨装置和冻融循环装置共用盖板，因此在降雨盖板顶部安装有保温材料，并做好防护美观壳体进行防护。 [0084] 特点： [0085] (1)降雨控制系统可通过传感器测量降雨流量及流速，并实时存储显示； [0086] (2)降雨控制系统可根据用户需求自动调节降雨强度。 [0087] 4.多模块协同 [0088] 为满足系统设计需求，如下图所示，模型箱体设计为双段柔性结构，柔性连接机构采用复合结构组合而成，既满足柔性错动需求，又保证模型错动时的密封防水；模型箱顶布置了降雨喷洒板，喷洒板通过降雨控制系统精确控制降雨强度和降雨历时；模型箱顶部喷洒板开有进出风口，通过温控箱产生制冷或制热气体从而达到控制模型箱体内部环境温度的目标，为减少箱体与外界的热传递在箱体内外布置了隔热保温层；通过控制器精确测量降雨流量和模型箱体内环境温度，计算机发出目标指令实时调节降雨强度和温度环境高低。 [0089] 针对现存的两个振动台模型试验问题，本发明不仅能够实现高烈度地震、高强暴雨、环境温度变化及断层蠕滑错动单方面模拟，还能够实现降雨与地震，断层错动与降雨、冻融协同控制模拟。本发明集降雨模拟、高低温控制、断层错动等功能于一体的高陡边坡振动台协同控制模型试验系统，能真实还原原型的各项物理参数，实现剧烈内外动力作用下高陡边坡多场演化与失稳滑塌全过程物理模拟。 |
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