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原文传递测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法

专利名称：	测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法
摘要：	一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置和方法，属于岩石力学室内实验测试领域。该装置的底座和外壳连接，第一剪切盒和第二剪切盒镜像相对设置，放置岩样一侧设置有透明盖体；第一剪切盒一侧竖直设置有导向结构，第一剪切盒上方设置有加载座；PIV测速系统的相机设置在透明盖体一侧，相机和计算机电联接；第一压力传感器设置在和加载座相连接的液压系统上，并且和计算机电联接，位移传感器设置在第一剪切盒和加载座之间，并与计算机电联接。用该装置进行测试，得到载荷‑位移曲线，计算得到岩石Ⅱ型断裂能，通过PIV测速系统能够观测岩石表面速度场，该装置还能适用多种材料的Ⅱ型断裂能测定和材料表面速度场的描述。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	辽宁工程技术大学
发明人：	芦伟男
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910307356.2
公开号：	CN110057681A
代理机构：	沈阳东大知识产权代理有限公司
代理人：	马海芳
分类号：	G01N3/12(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	123000 辽宁省阜新市细河区中华路47号
主权项：	1.一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，该测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置包括岩样加载系统、液压系统、PIV测速系统和数据采集器；所述的岩样加载系统包括底座、外壳、透明盖体、第一剪切盒、第二剪切盒、加载座和导向结构；所述的PIV测速系统包括相机；所述的数据采集器包括第一压力传感器、位移传感器和计算机；所述的计算机上设置有数据分析系统；所述的液压系统和加载座连接，用于向加载座上施加压力；所述的底座和外壳连接，形成岩样测试腔体；所述的第一剪切盒、第二剪切盒、加载座、导向结构均设置在岩样测试腔体内；所述的第一剪切盒和第二剪切盒镜像相对设置，形成岩样放置腔；岩样放置腔的一侧设置有透明盖体；第一剪切盒远离岩样放置腔的一侧竖直设置有导向结构，第一剪切盒上方水平设置有加载座，第二剪切盒嵌入外壳中，和外壳固定连接；所述的PIV测速系统的相机设置在岩样放置腔设置有透明盖体的一侧，用于对岩样表面进行拍照；所述的相机和计算机电联接；所述的第一压力传感器设置在和加载座相连接的液压系统上，并且第一压力传感器和计算机电联接，所述的第一压力传感器用于检测施加在加载座上的载荷，并将施加在加载座上的载荷传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理；所述的位移传感器设置在第一剪切盒和加载座之间，并与计算机电联接；所述的位移传感器用于检测岩样加载的位移，并将岩样加载的位移传输至计算机，通过计算机中的数据分析系统进行处理。 2.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的PIV测速系统，用于采集岩样表面的形貌变化，所述的PIV测速系统的相机，其拍摄速度为15～20张/s。 3.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的液压系统包括推杆、液压缸、液压油箱和伺服液压机；所述的外壳上对应加载座位置设置一个通孔，液压系统的推杆通过通孔和加载座连接，推杆和通孔之间设置有套筒，推杆设置在液压缸内，液压缸和液压油箱连接，液压油箱和伺服液压机连接。 4.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的第一压力传感器设置在液压系统的液压缸上；所述的数据采集器，还包括第二压力传感器，第二压力传感器设置在液压油箱上，并且和计算机电联接，用于检测压力是否稳定。 5.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的推杆一侧设置有橡胶垫。 6.如权利要求1所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的导向结构为滚动结构或滑动结构；所述的滚动结构包括多个凹型槽和相应的滚动轮，滚动轮设置在凹型槽中，第一剪切盒靠近滚动结构一侧设置有和滚动轮相配合的滚槽，所述的滚动轮用于第一剪切盒的上下移动；所述的移动结构为滑槽，在第一剪切盒靠近滑槽一侧设置有和滑槽相配合的滑轨，滑槽和滑轨相互配合，实现第一剪切盒的上下移动。 7.如权利要求3所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，液压缸和液压油箱通过导管连接，液压油箱和伺服液压机通过导管连接；所述的导管分为进油导管、出油导管和稳压油管，其中，连接液压缸和液压油箱的导管为进油导管、出油导管，进油导管上设置有第一阀门，出油导管上设置有第二阀门，进油导管连接液压油箱的一端设置有第一油嘴，出油导管连接液压油箱的一端设置有第二油嘴；其中，连接液压油箱和伺服液压机的导管为稳压油管，稳压油管连接液压油箱的一端设置有第三油嘴，稳压油管连接伺服液压机的一端设置有第四油嘴。 8.如权利要求7所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的装置，其特征在于，所述的油嘴，其包括油嘴主体、油嘴阀门、内部油封、外部油封，在设置有油嘴的导管环向套装有油嘴主体，油嘴主体和导管之间的孔隙处设置有内部油封，用于密封油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧设置有油嘴阀门，用于固定油嘴主体和导管，在油嘴主体外侧未设置有内部油封部分设置有外部油封。 9.一种测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，其特征在于，采用权利要求1～8任意一项所述的装置，包括以下步骤：步骤一：根据第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔的尺寸，制备岩样，并在岩样的纵向中心轴位置，上、下相对预制2条裂缝，并将预制有裂缝的岩样涂成白色，得到待测岩样；步骤二：将装置中仪器校准；步骤三：将待测岩样放入第一剪切盒和第二剪切盒形成的岩样放置腔中，盖上透明盖体，将相机放置在支架上，调整相机与待测岩样位置，使得相机镜头的轴线和待测岩样的轴线重合；步骤四：打开液压系统中的油嘴和阀门，使液压油箱的液压油流入液压缸；步骤五：启动伺服液压机，提供并控制压力，压力通过液压油箱缓冲后，使得液压缸内压力稳定，压力通过推杆传递至加载座，当加载座下移至和第一剪切盒接触后，停止伺服液压机；步骤六：调整液压系统中的油嘴，调整压力至预定值；步骤七：启动相机，对待测岩样进行拍摄，将拍摄的图片传入计算机，通过图片中显示的岩样表面裂缝的分布，通过计算机处理得到岩样表面裂缝扩展的速度；步骤八：启动伺服液压机，对待测岩样进行施压，加载座推动第一剪切盒沿导向结构向下移动，直至待测岩样沿纵向轴线被剪裂成两部分，通过第一压力传感器检测得到的压力和位移传感器检测的位移传输至计算机，通过计算机内置的数据分析系统处理，得到载荷-位移曲线；步骤九：停止伺服液压机，关闭相机，将液压缸内液压油压入液压油箱，关闭各个阀门和油嘴；步骤十：采用计算机中编写的计算程序，根据载荷-位移曲线，计算得到岩样的II型断裂能；其中，计算程序的计算过程为： (1)通过载荷-位移曲线，得到伺服液压机所做的功，计算公式如下：式中，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对应的载荷，y为位移； (2)通过位移传感器，得到的位移计算岩样自重所做的功，计算公式如下：式中，Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度，δ为位移传感器得到的位移； (3)计算得到岩样的II型断裂能，计算公式为：式中，为岩样的Ⅱ型断裂能，A为岩样的断裂面的面积，W为伺服液压机所做的功，δ为位移传感器得到的位移，F(y)为载荷-位移曲线中，该位移对于的载荷，y为位移；Wg为岩样自重所做的功，ρ为岩样的密度，V为岩样的体积，g为重力加速度。 10.如权利要求9所述的测定岩石Ⅱ型断裂能和观测岩石表面速度场的方法，其特征在于，所述的步骤六中，所述的预定值，为施加在加载座和第一剪切盒的压力的最低值。
所属类别：	发明专利