面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置及研究方法

技术领域

本发明涉及模拟实验技术领域，特别涉及一种面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置及研究方法。

背景技术

在对实际工程问题的科学研究中，经常需要使用按照一定比例缩小的物理模型进行模拟试验，从中揭示研究对象的内部本质和破坏机理，以期得到合理的解释，对工程做出正确的预估判断或选择正确的方案。在岩土工程中，大型岩土体破坏主要是由于自重条件下其内部应力场作用造成的。如果在正常重力状态下对岩土体的小型模型进行研究试验，由于模型尺寸缩小造成其内部应力的减小，会大大降低实验研究结果的精度及可信度。通过人为工作增加试验模型的自重应力，尽可能使实验模型达到研究原型的同等应力水平，土工离心机在试验中的应用很好的解决了这一问题。根据离心力场和重力场等价的原理，把缩小n倍的实验模型放在ng倍的离心力场中，促使模型和原型对应处的应力应变接近、变形相似、破坏机理相同，通过再现原型的物理特性，为理论计算及数值模拟提供可信度高的参考数据。

1869年法国人E.phillips针对横跨英吉利海峡的大桥进行研究时，提出了离心机设计的一般原理，希望通过离心模型试验进行验证，但由于当时的条件该设想并未实施。六十多年之后，美国和前苏联的一些学者分别把小型离心机应用到矿山实验和边坡稳定问题的研究中，至此离心模型试验技术逐渐在工程研究领域得到推广。二十世纪六十年代后期，英国、美国、日本、法国、德国、丹麦、意大利等国陆续开始建造土工离心机，极大程度的促进了离心模拟试验理论和技术的完善。八十年代以后，日本、中国、新加坡、印度等国结合现代化机械制造工艺，建造了一批新型离心机，其中一部分离心机开始逐渐向大容量方向发展。随着土工离心机的发展，土工离心模型试验应用的领域涵盖了地下支挡结构、软土地基、土工合成材料加筋挡墙、海洋石油平台、隧洞开挖、冻土工程、环境土力学、爆炸模拟、地震及液化模拟等诸多方面。

由于离心加速度是随离心半径而变化的，试验模型的应力分布会与原型产生一定的误差，但是这种误差会随着离心机转臂长度的增加而逐渐减小。另一方面，试验模型的缩小比例尺n越小，即实验模型的尺寸越大、越接近研究原型，实验结果的精度和可信度越高。大型土工离心机因为同时具备以上两点，能够较为完整的还原研究原型的应力状态和破坏机理而受到国内外学者青睐，当前国内研制大型土工离心机的热潮方心未艾。但是，大型土工离心机的建造、使用以及后期维护需要资金的源源投入以及大批实验人员参与，这与实验精度要求不高的一般性小型研究实验并不匹配，造成资源的极大浪费。与此同时，制作与大型土工离心机相匹配的大尺寸模型需要投入较多的人员和材料，实验模型一次性使用但是制作周期长、造价高。因此，建造和小型实验相匹配的微型离心机，可以节省实验空间、极大程度的降低实验成本、缩短模型制作和离心试验时间、减少实验研究人员和物力投入。

三维打印技术是一种通过运用可粘合材料逐层打印来构造三维物体的快速成型技术，由于其可重复制造多个相同性状的产品的优势，逐渐受到科研实验人员的重视，目前应用在了工业设计、军事工程、医学治疗、科学研究、食品制造、移动通信、建筑、航空航天等多个领域。

三维打印技术相较于传统实验模型的制造有着极大的优势：首先，三维打印作为一种快速成型技术缩短了模型制造周期，并且实验模型可以一次性成批量打印，极大程度的节省了人员投入；其次，通过计算机控制打印，模型制作精度高，对于外形结构复杂的实验模型、内部结构需要设定(比如说在模型内部预制裂纹)的模型，三维打印模型与传统模型制造相比有着根本技术上的优势；第三点，通过三维打印技术制作的模型具有良好的均一性，可以减少其他无关因素对实验结果的影响。三维打印技术凭借独特的优势会在岩石力学领域的未来发展中具有更广阔的前景。但是，三维打印技术因为其缺陷也限制了自身的快速的发展。就岩石力学而言，仪器、材料的造价使得模型制作成本昂贵，很难使三维打印技术在岩石力学领域得到广泛普及。另外，由于模型尺寸受到打印机尺寸的限制、打印材料成本高，三维打印在大型模型制作方面很难突破自身的瓶颈。因此，将小型岩石力学试验和三维打印技术相结合，是目前国内岩土领域学者的主要拓展方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于小型岩石力学试验且能够精确有效获取岩土材料破坏特性和相关数据的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置。

本发明的另一目的是提供一种利用上述微型离心机实验装置实现的模型破坏规律研究方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置，包括计算机、变频控制器、异步电机和离心装置；所述离心装置和所述异步电机设置在一承台上；所述异步电机通过所述变频控制器与所述计算机连接。

所述离心装置包括分离式实验腔体、分离式配重腔体和旋转筒；所述旋转筒中心设有转动轴，所述转动轴与所述异步电机的传动轴通过传送带连接，使所述异步电机的转动轴驱动所述传动轴高速转动并带动所述旋转筒沿水平方向高速转动。

所述分离式实验腔体和所述分离式配重腔体分别设置并固定在所述旋转筒的内壁上且对侧设置。

所述分离式实验腔体包括数码观察分析室和用于容置实验模型的模型分室，所述模型分室套装在所述数码观察分析室内侧且所述模型分室和所述数码观察分析室之间通过平行于所述旋转筒转动方向设置的转轴活动连接，使所述模型分室在所述旋转筒的高速转动下沿转轴转动90°；所述数码观察分析室的顶部设置有一可拆卸的数码观察分析室盖体，所述数码观察分析室盖体内侧设置有微型摄像机和LED灯源。

所述分离式配重腔体包括配重腔体；所述配重腔体外形形状和大小与所述实验腔体(即数码观察分析室)的外形形状和大小一致，且顶部配套有开拆卸的配重腔盖体；所述配重腔体内开设有多道间隔且平行排列的卡槽，每道所述卡槽内均可按需要放置若干个配重片。

优选，在所述旋转筒外侧套装有一筒形保护罩，在所述保护罩顶部可拆卸盖装有一有机玻璃盖板；所述保护罩固定在所述承台上。

优选，所述微型摄像机设置在所述数码观察分析室盖体内侧板面中央；所述LED灯源为四个，分别设置在所述数码观察分析室盖体内侧板面的四个顶角处。

优选，所述微型摄像机至所述模型分室的垂直距离为75mm。

优选，所述微型摄像机的图像分辨率720p，其每秒能够采集25帧图像；每个所述LED灯的亮度为4w。

一种利用所述面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置实现岩土模型破坏规律研究方法，包括如下步骤：

S1、微型摄像机将采集到的照片传送至计算机；其中，微型摄像机每秒能够采集25帧图像，即每隔0.04s进行一次图像采集，在实验过程中获取到多张实验模型变形至破坏的照片；

S2、对采集到的所有照片以每连续采集的两张照片为一组进行图像处理：以前一张照片作为基准，对连续两张照片上的相同监测点通过像素校核、比对和追踪计算对应点的相关性，确定测量位置的位移；

S3、通过对布设在实验模型上的多个监测点的位移变化进行计算获取模型破坏起点、模型变形至破环的时间周期、模型各监测点的破坏顺序，从而获得整个模型的变形数据。

优选，在对实验模型进行三维打印时，将实验模型的理论破坏点和/或随机设定点列为模型监测点，并通过三维彩色打印对不同监测点进行不同颜色标记，便于后续图像处理过程中对不同照片中的相同监测点的确定。

与现有技术相比，该面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置体积小、质量轻、造价低，极大地降低了资金、实验人员和材料的投入且移动搬运，对实验场地要求低；利用三维打印技术打印出岩土工程模型能够将尺寸进行合理等比例缩小，不仅适用于各类具有复杂内、外结构的模型，有效缩短模型制作周期，同时由于其“微型”的特点，在研究原型在重力作用下的应力状态时，微型离心机转速要高于传统土工离心机，模型所受向心力凸显，相比较而言模型重力、摩擦力等对实验结果的影响更加弱化，降低实验误差，对工程做出正确的预估判断、选择正确的处理方案；和同类实验进行比较，微型离心机实验模型具有良好的均一性，可以在实验过程中避免其他无关因素(例如裂纹、孔隙、颗粒尺寸)对实验结果的影响；另外通过数字图像相关测量技术对采集图片进行分析获取微型离心实验模型的变形破坏数据，并用以验证数值模拟方法，实现了对岩土材料的细观结构破坏规律的研究，对研究原型在体应力加载过程中的破坏形态给出理论结果预判。

附图说明

图1为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的结构示意图；

图2为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的旋转筒的结构示意图；

图3为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的分离式实验腔体的结构示意图；

图4为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的实验腔体的结构示意图；

图5为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的实验腔体的数码观察分析室盖体的内侧结构示意图；

图6为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的实验腔体的俯视结构示意图；

图7为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的分离式配重腔体的结构示意图；

图8为本发明的面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置的配重腔体的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1所示，该面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置包括计算机1、变频控制器2、异步电机6和离心装置；

所述离心装置和所述异步电机6设置在一承台3上；

所述承台3包括水平设置的支撑板和均布在所述支撑板底面上的用于支撑所述支撑板的支座4；

所述异步电机6用于提供离心机的转动能量；所述异步电机6内设置有一传动轴601，所述传动轴601下部自所述异步电机6底面伸出并穿过所述支撑板上相应位置上开设的通孔，使所述传动轴601底端伸出至所述支撑板的下方；

所述异步电机6通过所述变频控制器2与所述计算机1连接，这是由于所述异步电机6转速受到供电交流频率的影响。比如我国的交流电为50Hz，要控制离心机的转速就需要用到变频控制器。变频控制器可以达到对转速的有效调节，提高了实验的准确性。通过变频控制器调节输入异步电机的交流电的频率，从而达到控制异步电机转速的目的，最终实现对离心机施加在试样上的离心力的控制。

所述离心装置包括分离式实验腔体7、分离式配重腔体8、有机玻璃盖板9、保护罩10和旋转筒11；其中：

所述保护罩10为一两端开口的筒体结构，其固定在所述支撑板上；所述有机玻璃盖板9盖装在所述保护罩10顶面上，封闭所述保护罩10的顶部开口处；

如图2所示，所述旋转筒11为一顶部开口的筒形结构，其底部中心处设置有一转动轴12，所述转动轴12贯穿所述旋转筒11底面和所述支撑板相应位置上通孔，使所述转动轴12底端伸出至所述支撑板的下方；所述传动轴601和所述转动轴12通过固定在底端的传送带5连接，使所述转动轴12驱动所述传动轴601高速转动并带动所述旋转筒11沿水平方向高速转动；该筒形旋转筒可以减少实验中腔体的上下震动摇晃，降低动态误差，提高装置的稳定性。

所述旋转筒11设置在所述保护罩10内，且所述保护罩10和所述旋转筒11的中轴线位于同一轴线上；在所述旋转筒11的对侧侧壁上各开设有四个均布的安装孔1001，四个所述安装孔1001依次连线构成一菱形；

如图3所示，所述分离式实验腔体7由一体成型的第一固定瓦片701和实验腔体702构成；所述第一固定瓦片701为一块弧度与所述旋转筒11的内壁弧度相适应的弧形板，且在所述弧形板上开设有与所述旋转筒11侧壁上一一对应的四个连接孔，使所述第一固定瓦片701通过插装在所述连接孔和所述安装孔1001内的螺钉固定在所述旋转筒11的内壁上；

如图4、图5和图6所示，所述实验腔体702包括数码观察分析室7021和套装在所述数码观察分析室7021内部的模型分室7022；所述模型分室7022的对侧侧壁上各设置有一个转轴7026，使所述数码观察分析室7021和所述模型分室7022之间通过转轴7026活动连接，且位于对侧的两个所述转轴7026位于同一条直线上，所述转轴7026的轴向方向与旋转筒转动方向平行；具体地，所述数码观察分析室7021和所述模型分室7022均为顶部开口的中空的方形框筒结构，所述模型分室7022的高度低于所述数码观察分析室7021的高度；如图5所示，在所述数码观察分析室7021的顶部设置有一数码观察分析室盖体7023，所述数码观察分析室盖体7023内侧板面中央设置并固定有一台内部设有蓄电池的微型摄像机7024，在所述数码观察分析室盖体7023内侧板面的四个顶角处设置并固定有四个自带电源的LED灯7025；所述数码观察分析室盖体7023通过固定在四个顶角上的螺丝与所述数码观察分析室7021可拆卸地连接固定；

其中，所述微型摄像机7024采用恒思安(HOSION)生产的微型摄像头X9(wifi版)32g卡，摄像机尺寸为62×35×15mm，每秒能够采集25帧图像，图像分辨率720p；每个所述LED灯7025的亮度4w；所述微型摄像机7024至所述模型分室7022的垂直距离为50～90mm；

所述模型分室7022用于容置三维打印的实验模型，其中，所述模型分室7022的四个侧壁中与所述旋转筒11内壁邻近且位于对侧的侧壁采用有机玻璃制成；当所述旋转筒11高速转动时，随着离心力场的逐渐增加，所述实验腔体702的数码观察分析室7021随之转动，所述模型分室7022带动实验模型在转轴7026作用下转动90°，采用有机玻璃制成的侧壁经过90°转动至位于所述数码观察分析室盖体7023内侧面对侧，既满足了微型摄像机拍摄需要，又能够防止模型甩出对摄像机构成破坏；

所述分离式实验腔体7和所述分离式配重腔体8位于所述旋转筒11的对侧内壁上；所述分离式配重腔体8用于平衡所述分离式实验腔体7带来的不平衡力；

如图7所示，所述分离式配重腔体8包括一体成型的第二固定瓦片801和配重腔体802；所述第二固定瓦片801为一块弧度与所述旋转筒11的内壁弧度相适应的弧形板，且在所述弧形板上开设有与所述旋转筒11侧壁上一一对应的四个连接孔，使所述第二固定瓦片801通过插装在所述连接孔和所述安装孔1001内的螺钉固定在所述旋转筒11的内壁上；

如图8所示，所述配重腔体802的外形形状和大小与所述实验腔体702(即数码观察分析室)7021的外形形状和大小一致，所述配重腔体802顶部盖装有配重腔盖体，所述配重腔盖体通过固定在四个顶角上的螺丝与所述配重腔体802开拆卸地连接固定；所述配重腔体802内开设有多道间隔且平行排列的卡槽803，每道所述卡槽803内均可按需要放置若干个配重片804，通过在卡槽803中增减组合配重片实现离心机的力学平衡。

三维打印作为一种快速成型技术缩短了模型制作时间，并且实验模型可以一次性成批量打印，所以面向三维打印岩土模型的微型离心机实验周期远远小于传统离心机模型实验。因此，使用该面向三维打印岩土模型的微型离心机实验装置可以将研究原型通过三维打印技术打印成缩小至一定比例的微型岩土工程模型，再通过该实验装置模拟重力场进行模拟实验，从而获得岩土工程中大型岩土体破坏的内部本质和破坏机理，为工程实施做出正确的预估判断或方案选择。

使用三维打印机打印实验模型时，首先需要在计算机的三维绘图软件(如AutoCAD)中把实验模型画出，生成三维打印机可识别文件(如stl文件)，然后将文件传送到打印机附带的软件中。在计算机中设置好粉末和胶水的比例，打印机开始工作。下面以天津大学岩土所配置的三维打印机为例进行介绍：打印机腔体尺寸为254×381×203mm，模型试样在腔体尺寸范围内都能够被一次性打印。为了减少打印时间，设定实验模型排列在腔体底部位置，打印的方向自下而上。打印初始阶段，打印机先在腔体底部铺设几层粉末作为底板，打印过程中，打印机以每层铺设0.1mm粉末的厚度向上递增直至打印结束。虽然三维打印过程中，成批量打印多个实验模型比单独打印一个模型耗费时间，但相较于将多个模型分别打印仍节约了大量时间。打印完成后，实验模型需要留在打印机腔体内至少一个半小时进行晾干。模型取出后，其附着的粉末可以通过空气枪进行清理，打印机腔体内未被利用的粉末可使用打印机自带的回收装置进行回收。模型表面粉末清理后，再经过特殊液体的浸润固化作用，晾干后即可作为理想的岩石力学实验研究材料。

与传统实验模型相比，过电脑控制三维打印机打印模型，对于外观和内部结构复杂的模型很容易就能实现，可以适应不同结构的研究原型；此外，利用三维打印机打印模型，模型制作精度高，参数精确，可以达到理论计算的要求，对工程做出正确的预估判断、选择正确的处理方案。其中，在具体实践过程中，还能够利用三维打印机的彩色打印功能，对实验模型的监测点进行标记。比如给定一个打印模型试样，打印机可在其表面监测点外围打印具有醒目颜色的圆圈。这个功能对于发生变形及破坏的实验模型的数据采集十分便利。

在实验过程中，实验模型放置在模型分室7022内，当模型分室7022在所述旋转筒11的转动带动下沿转轴转动至水平方向时，实验模型处在一个离心力场中，以模拟研究原型在重力场中所受应力。由于在离心机试验中根据离心模型的相似比原理，尺寸缩小n倍的实验模型置于ng倍的离心力场中，模型因为离心力场而受到的应力与研究原型在重力场中所受应力等效。虽然实验模型还受到1×g的重力作用，但是因为模型尺寸较小，其重力所带来的应力应变基本可以忽略不计。

此时，模型所受加速度可以简化为：

a＝ng＝w²r

式中，w为离心机旋转角速度，r为实验模型有效旋转半径。

重力加速度g为定值；在微型离心机中，有效旋转半径r是定值；当实验模型的缩小比例n确定时，通过调节离心机的转动角速度w使等式ng＝w²r成立。即在此旋转角速度下实验模型因为离心力场产生的应力与原型在重力场中的产生的应力等效。

由于实验模型尺寸小，为了达到研究原型在重力作用下的应力状态，微型离心机转速要高于传统土工离心机，模型所受向心力凸显，相比较而言模型重力、摩擦力等对实验结果的影响更加弱化，降低实验误差；相对于大型离心机的建造使用以及后期维护需要源源不断的投入资金和人员，该微型离心机实验装置体积小、质量轻、造价低，极大地降低了资金、实验人员和材料的投入。

在模拟实验过程中，微型摄像机对实验模型进行全程连续图像采集，获取实验模型在整个实验过程中逐渐模型变形破坏的过程，以提供研究数据，并通过“数字图像相关测量技术”(DIC)对于变形破坏的数据进行分析。由于图像采集装置和实验模型一起做离心运动、相对静止，和传统数据采集方式相比，有效减少了在数据传输过程中因为离心运动对数据传输的干扰。

后期图像处理的具体方法，包括如下步骤：

S1、微型摄像机7024将采集到的照片传送至计算机1；其中，微型摄像机7024每秒能够采集25帧图像，即每隔0.04s进行一次图像采集，在实验过程中获取到多张实验模型变形至破坏的照片；

S2、对采集到的所有照片以每连续采集的两张照片为一组进行图像处理：以前一张照片作为基准，对连续两张照片上的相同监测点通过像素校核、比对和追踪计算对应点的相关性，确定测量位置的位移；

S3、通过对布设在实验模型上的多个监测点的位移变化进行计算获取模型破坏起点、模型变形至破环的时间周期、模型各监测点的破坏顺序，从而获得整个模型的变形数据。

其中，离心实验前，在对实验模型进行三维打印时，将实验模型的理论破坏点和/或随机设定点列为模型监测点，并通过三维彩色打印对不同监测点进行不同颜色标记，便于后续图像处理过程中对不同照片中的相同监测点的确定。