一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置及方法

本申请涉及材料力学测试，特别是涉及一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置及方法。

背景技术：

1、分离式霍普金森压杆（split hopkinson pressure bar，shpb）实验是研究岩石等多种材料在高应变率下动态力学性能和损伤机制的核心试验平台。随着深部资源开采、高放射性物地质处置和地下空间利用等工程的推进，地下工程围岩常常处于“高地应力-高地温-高应变率”耦合的地质环境中，且地下工程开挖卸荷后应力场和温度场具有明显的空间非均匀性。因此，在实验室条件下准确模拟非均匀应力场与非均匀温度场耦合条件下岩体的动态破坏过程，是揭示深部围岩真实力学行为的关键科学问题之一。

2、然而在常规的shpb实验中，常采用“整体式”围压腔结构，通过液压油或高压气体对试件施加均匀环向压力，同时温度场也常采用整体式施加，无法沿试件的高度方向的不同区段施加差异化应力场与温度场。因此当前使用的整体式加载方式无法真实再现深部地层中随埋深变化的非均匀的应力场和温度场特征，造成非均匀应力-温度场下的岩体动态破坏机理不清。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的之一在于提供一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，以解决当今的实验装置无法实现霍普金森压杆围压场与温度场梯度调整的问题。本发明目的之二在于提供一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合实验方法，实现在梯度应力场和温度场作用下的试样的动态力学特性的精确测试。

2、为实现目的之一，本发明第一方面提供了一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，所采用的技术方案是：

3、一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，装置包括实验总成、热力施加总成和热力控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样；其中，

4、所述热力施加总成包括：

5、试样套，用于装填所述试样；

6、外部金属环，套设在所述试样套的外周，并与所述试样套内的所述试样同轴；其中，所述外部金属环沿轴向间隔开设有至少两个环形腔；

7、多根热力管，每根所述热力管对应压填在每个所述环形腔内；

8、其中，所述热力控制总成与多根所述热力管连通，用于向多根所述热力管分别输送不同温度和不同容量的围压介质，以向所述试样沿轴向的不同位置施加差异化的应力场与温度场。

9、可选地，所述热力施加总成还包括：

10、内部柔性环，套接在所述外部金属环和所述试样套之间；

11、其中，所述内部柔性环朝向所述外部金属环的一侧开设有多个环形槽，且多个所述环形槽的位置与多个所述环形腔的位置相对；

12、每根所述热力管对应压填在每个所述环形腔与每个所述环形槽围合形成的管腔内。

13、可选地，所述热力控制总成包括：

14、储液容器，内部容纳有所述围压介质；

15、多根输液软管和多根出液软管，每根所述输液软管和每根所述出液软管均对应连通于每根所述热力管和所述储液容器之间；

16、其中，每根所述输液软管上设置有液压油泵和温控器。

17、可选地，所述热力控制总成还包括：

18、转接头，包括多个第一转接头和多个第二转接头；其中，

19、每个所述第一转接头贯穿所述外部金属环，并将每根所述热力管与每根所述输液软管连通；每个所述第二转接头贯穿所述外部金属环，并将每根所述热力管与每根所述出液软管连通；

20、多个电磁阀，分别设置在每个所述第一转接头和每个所述第二转接头上。

21、可选地，所述环形腔与所述环形槽围合所形成的管腔的纵向截面呈圆形，所述热力管的外缘轮廓呈圆形，所述热力管与所述管腔紧贴。

22、可选地，所述内部柔性环包括多个沿轴向间隔设置的环形橡胶环，每个所述环形橡胶环独立设置有每个所述环形槽；

23、其中，所述外部金属环的端部沿径向延伸出多个限位支柱，多个所述限位支柱分别嵌设在相邻两个所述环形橡胶环之间的缝隙内。

24、可选地，所述环形腔的纵向截面呈矩形，所述热力管的外缘轮廓呈矩形，所述热力管与所述环形腔紧贴；

25、其中，所述环形腔的内环边缘为开口状，以使所述热力管与所述试样套贴合。

26、可选地，所述环形腔的腔壁面覆盖有陶瓷隔温层。

27、可选地，所述实验总成还包括：

28、底座，支撑着所述热力施加总成，并用于调整所述热力施加总成的高度，以使所述试样套中的所述试样与杆体同轴。

29、第二方面，本发明还提供了一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合实验方法，依赖于本发明第一方面所提供的基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置进行试样的动态力学特性测试，方法包括：

30、将试样装填于试样套内后放入外部金属环中，并调整底座的高度直至试样与杆体同轴；

31、控制电磁阀的工作参数以及温控器的加热参数，通过多根输液软管向多根热力管内输送不同温度和不同容量的围压介质，保持一段时间使试样的内部形成预设的梯度围压-温度场；

32、关闭电磁阀，利用动力发生机构撞击入射杆产生作用到试样上的动载压缩波，通过采集入射杆和透射杆的脉冲信号，完成试样在梯度围压-温度场下的动态力学特性的测试；

33、打开电磁阀，控制液压油泵将每根热力管内的围压介质通过每根出液软管抽回储液容器，并回收试样，以备下一次动态力学特性测试。

34、与现有技术相比，本申请包括以下优点：

35、相比于传统shpb试验只能施加均匀的围压和温度，本发明实施例提供的装置通过在试样外周设置沿轴向间隔分布的多个环形腔，并使每个环形腔分别与独立的热力管及热力控制回路连通，从结构上将试样沿高度方向划分为多个相互独立的围压-温度加载区段。因此本发明首次实现了在取芯后的试样轴向（高度）方向上同时独立控制围压和温度的梯度分布。这使得实验环境能够精准模拟地下深部岩体所处的真实非均匀应力-温度耦合场，克服了现有技术无法复现地层中应力、温度随深度或位置变化的“均匀假设”局限性，极大提升了实验数据的真实性与可靠性。

36、所述方法与上述装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

1.一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，装置包括实验总成、热力施加总成和热力控制总成，所述实验总成包括动力发生机构、入射杆和透射杆，所述入射杆和所述透射杆之间用于放置试样；其中，

2.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述热力施加总成还包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述热力控制总成包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述热力控制总成还包括：

5.根据权利要求2所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述环形腔与所述环形槽围合所形成的管腔的纵向截面呈圆形，所述热力管的外缘轮廓呈圆形，所述热力管与所述管腔紧贴。

6.根据权利要求2所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述内部柔性环包括多个沿轴向间隔设置的环形橡胶环，每个所述环形橡胶环独立设置有每个所述环形槽；

7.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述环形腔的纵向截面呈矩形，所述热力管的外缘轮廓呈矩形，所述热力管与所述环形腔紧贴；

8.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述环形腔的腔壁面覆盖有陶瓷隔温层。

9.根据权利要求1所述的一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置，其特征在于，所述实验总成还包括：

10.一种基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合实验方法，其特征在于，依赖于权利要求1-9任意一项所述的基于霍普金森压杆的梯度围压-温度耦合装置进行试样的动态力学特性测试，方法包括：