行星全球收缩构造物理模拟装置及模拟方法

本发明属于构造地质学及行星科学物理模拟实验，尤其涉及一种行星全球收缩构造物理模拟装置及模拟方法。

背景技术：

1、在行星科学与地质学研究中，天体的热演化历史常伴随全球性的体积变化。例如水星或月球因内部冷却导致的全球性收缩，是形成表面逆断层、皱脊等构造特征的关键动力学机制。深入理解这一过程对于揭示类地行星的地质演化规律至关重要。

2、目前，针对全球性构造运动的研究多依赖于遥感解译与数值模拟。然而，数值模拟的边界条件设定与理论模型仍需物理实验进行验证。现有的构造物理模拟装置多侧重于局部挤压（造山带模拟）或拉张（裂谷模拟）环境，或者是针对特定断裂带的线性模拟。对于“全球尺度、曲率背景、各向同性”的均匀收缩过程，现有的平板式挤压装置无法复现球面几何效应带来的应力分布特征，且难以保证边界受力的均匀性。

3、因此，亟需研发一种能够精确控制、重复性好且能模拟曲面各向同性均匀收缩环境的实验装置及配套方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种行星全球收缩构造物理模拟装置及模拟方法，通过机械结构的创新设计，将线性的驱动输入转化为作用于曲面弹性体上的各向同性均匀拉力，从而在实验室尺度物理模拟全球收缩的地质过程。

2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

3、一种行星全球收缩构造物理模拟装置，包括：

4、支撑与导向结构，其包括底座、垂直固定于底座中心的导向立柱、以及固定于导向立柱顶端的支撑座；支撑座的侧壁为平滑过渡的弧形曲面；

5、弹性薄膜，其覆盖于支撑座的上方，弹性薄膜的周缘设有均匀分布的受力连接点；

6、各向同性施力机构，包括套设在导向立柱上并沿导向立柱轴向滑动的中间移动层、以及连接中间移动层与弹性薄膜的受力连接点的传动连接件；

7、驱动机构，包括设置于底座上的换向组件、柔性牵引件和以导向立柱为对称轴对称设置的动力源；柔性牵引件的一端与动力源连接，柔性牵引件的另一端经过换向组件导向后与中间移动层连接；

8、观测设备，用于记录弹性薄膜表面的应变特征、褶皱形成或断裂构造形变纹理。

9、进一步的，支撑座呈圆台状结构或球冠状结构，支撑座的顶面直径小于底面直径，侧壁为外凸的光滑圆弧面。

10、进一步的，中间移动层为中心开孔的圆形板体，其顶面与底面沿周缘分别设有均匀分布的上挂点和下挂点；传动连接件的两端分别连接弹性薄膜的受力连接点与中间移动层的上挂点，形成伞状牵引结构；柔性牵引件与中间移动层的下挂点连接。

11、进一步的，弹性薄膜由橡胶或硅胶材料制成，受力连接点为设置在弹性薄膜周缘的金属孔环。

12、进一步的，上挂点与下挂点为带座吊环，传动连接件为s形金属挂钩。

13、进一步的，动力源为步进电机或伺服电机。

14、进一步的，换向组件为定滑轮。

15、进一步的，柔性牵引件为钢丝绳。

16、一种行星全球收缩构造物理模拟方法，利用上述的行星全球收缩构造物理模拟装置实现，包括如下步骤：

17、s1：将弹性薄膜覆盖于支撑座的上表面，通过传动连接件将弹性薄膜周缘的受力连接点与中间移动层连接，确保弹性薄膜处于自然松弛状态或微张状态；

18、s2：启动动力源进行正转，通过对柔性牵引件施加牵引力，带动中间移动层沿导向立柱向下运动，中间移动层通过传动连接件牵引弹性薄膜沿支撑座的弧形曲面侧壁向下延展，使弹性薄膜在支撑座的上表面产生各向同性的均匀拉伸应力；

19、s3：当弹性薄膜达到预设的拉伸量时，控制动力源进行反转，按预设速率反向释放牵引力，使中间移动层在弹性薄膜的回弹力作用下向上复位，弹性薄膜依靠自身的弹性势能向中心回缩；同时，利用观测设备记录弹性薄膜表面的应变特征、褶皱形成或断裂构造形变纹理。

20、进一步的，在步骤s3中，预设速率为线性匀速速率或非线性变速速率。

21、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：

22、1、本发明支撑座的侧壁采用弧形曲面结构设计，配合弹性薄膜沿弧形曲面侧壁的延展与回缩运动，使弹性薄膜在曲面边界条件下发生形变，有效消除传统平板实验的边界效应，真实复现全球曲率背景下的各向同性应力场。

23、2、本发明的支撑与导向结构以导向立柱为核心，中间移动层沿导向立柱轴向滑动，具有自定心功能，配合对称布置的动力源，有效避免偏载导致的受力不均问题；各部件采用标准化机械连接，实验参数可精确记录与复现，确保了实验结果的高重复性和可对比性，满足科学研究对实验数据可靠性的要求。

24、3、本发明利用中间移动层的自定心功能与周缘均布的传动连接件形成伞状牵引结构，将单一垂直方向的线性驱动力均匀分解为作用于弹性薄膜周缘的径向拉力，确保弹性薄膜在各个方向上受力大小一致、方向对称，从而在弹性薄膜表面形成各向同性的均匀张力场，准确模拟全球收缩过程中应力场各向同性的本质特征。

25、4、本发明采用步进电机或伺服电机作为动力源，通过精确控制牵引力，实现对弹性薄膜回缩量级（应变）和回缩速率（应变率）的数字化调控，可分别模拟线性匀速冷却或非线性变速冷却等不同热演化历史下的行星收缩过程，为对比研究不同冷却速率对构造特征形成的影响提供实验手段。

1.一种行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，支撑座呈圆台状结构或球冠状结构，支撑座的顶面直径小于底面直径，侧壁为外凸的光滑圆弧面。

3.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，中间移动层为中心开孔的圆形板体，其顶面与底面沿周缘分别设有均匀分布的上挂点和下挂点；传动连接件的两端分别连接弹性薄膜的受力连接点与中间移动层的上挂点，形成伞状牵引结构；柔性牵引件与中间移动层的下挂点连接。

4.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，弹性薄膜由橡胶或硅胶材料制成，受力连接点为设置在弹性薄膜周缘的金属孔环。

5.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，传动连接件为s形金属挂钩。

6.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，动力源为步进电机或伺服电机。

7.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，换向组件为定滑轮。

8.根据权利要求1所述的行星全球收缩构造物理模拟装置，其特征在于，柔性牵引件为钢丝绳。

9.一种行星全球收缩构造物理模拟方法，利用上述权利要求1~8中任一项所述的行星全球收缩构造物理模拟装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的行星全球收缩构造物理模拟方法，其特征在于，在步骤s3中，预设速率为线性匀速速率或非线性变速速率。