一种测量圆柱形试件体积应变的实验装置及测量方法

1.本发明涉及岩石力学实验设备技术领域，特别涉及一种测量圆柱形试件在单轴压缩条件下，利用应变片与位移杆测量圆柱形试件体积应变的实验装置。

背景技术：

2.在岩石力学实验过程中，对圆柱形试样的体积应变的精准测量要求较高，难度较大。当前岩石力学试验机在测量体积应变时采用在试件中部位置布置环向引伸计，在轴向位置布置轴向引伸计，然后通过公式计算获得试件的体积应变。而通过这种方式存在一定的误差，当试样的变形发生在非布置区时，实验结果与实际结果将会有误差，降低实验结果的精确度。

技术实现要素：

3.为了解决上述实验过程中的技术难题，本发明提供了一种操作简便、精确度高、将实验过程可视化的圆柱形试件单轴压缩条件下的体积应变实验装置。4.本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于应变片的测量圆柱形试件体积应变实验装置，其装置包括：装置包括位移杆、柔性电路板，外壳，数据接口组成。其中位移杆包括弹性杆、应变片、接触针脚、应变片引脚组成。此实验装置通过数据线与电脑主机及电脑显示器连接。5.上述测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其测量原理：将实验装置放置岩石力学实验仪器的工作平面上，使用已知尺寸的标准圆柱试件放置在测量装置中央进行校正。6.上述测量圆柱形试件体积应变的实验装置，圆柱形试件放置在测量装置中央位置，保证位移杆1与圆柱形试件的接触。7.上述测量圆柱形试件体积应变的实验装置，圆柱形试件上方需放置一个端面与试件大小相等的刚性圆柱形垫块，刚性圆柱形垫块下端面与试件上端面接触，刚性圆柱形垫块上端面与岩石力学实验仪器施加压力的压头接触。8.上述测量圆柱形试件体积应变的实验装置，装置增加应变杆的数量，来降低应变杆轴向膨胀带来的误差。9.上述测量圆柱形试件体积应变的实验装置，当圆柱形试件受压扩容时，位移杆1发生变形，位移杆1获取的数据通过柔性电路板2与数据接口4传输到电脑上，经过数据处理，可以获取试件在受压是侧表面的实时变形，并绘制呈三维图像。10.与现有技术相比，本发明的有益之处是：11.本发明针对岩石力学实验机在做单轴实验时，提供一种利用应变片和位移杆来测量体积应变的实验装置，此方法解决了传统的利用引伸计来测量体积应变时，对破坏面有要求的缺陷，提高了可操作性、精确度，同时通过软件可以在电脑上形成三维模拟，将应变过程可视化。提高实验过程的精确性，具有精度高、操作方便等优点。附图说明12.图1是本发明实施例的结构示意图。13.图2是本发明的剖面图。14.图3是位移杆的细节图。15.图4是本发明位移杆的空间布置示意图。具体实施方式16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。17.如图1-4，一种测量圆柱形试件体积应变实验装置。包括位移杆1、柔性电路板2、外壳 3、数据接口4、刚性圆柱垫块5、标准圆柱形试样6。18.所述位移杆1中，11为弹性杆、12为应变片、13为接触针脚、14为应变片引脚。19.试验开始前，将实验装置放置岩石力学实验仪器的工作平面上，并对所使用的标准试样 6进行测量，将已知尺寸的标准圆柱试件放置在测量装置中央进行校正。然后将需要测量的试件放置在测量装置中央位置，保证位移杆1与试件的接触，测量此时试件的体积为v1，在试件上方放置一个端面与试件大小相等的刚性圆柱形垫块5，刚性圆柱形垫块下端面与试件上端面接触，刚性圆柱形垫块上端面与岩石力学实验仪器施加压力的压头接触，此时测量的体积为v2。当试件受压扩容时，位移杆1发生变形，位移杆1获取的数据通过fpc柔性电路板2与数据接口4传输到电脑上，经过数据处理，可以获取试件在受压是侧表面的实时变形，并绘制呈三维图像。20.以试验机压头向下位移距离为d时为例，试件此时体积应变计算公式：[0021]v3＝v2-v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(1)[0022]v3＇＝v3+2πrdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(2)[0023]v1＇＝v2＇-v3＇ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(3)[0024][0025]式中：[0026]v3为实验开始前刚性圆柱形垫块被测量的体积；[0027]v3＇为试验机压向位移距离为d时，刚性圆柱形垫块被测量的体积；[0028]v2＇为试验机压头向下位移距离为d时，装置测出的总体积；[0029]v1＇为试验机压头向下位移距离为d时，试件的体积；[0030]r刚性圆柱形垫块半径；[0031]同一高度弹性杆个数为n个，弹性杆共布置m层，总高度为h。根据弹性杆数据计算体积公式为：[0032][0033]v＝∑viꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(6)[0034]式中：[0035]vi为由单个位移杆数据所计算出的体积；[0036]xi为单个位移杆所测得的位移；[0037]v为根据所有位移杆计算出来的总体。

技术特征：1.一种测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其装置包括：装置包括位移杆、fpc柔性电路板，外壳，数据接口。位移杆包括弹性杆、应变片、接触针脚、应变片引脚组成，装置通过数据线与电脑主机及电脑显示器连接。2.根据权利要求1所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其特征在于：位移杆底部布置有接触针脚，接触针脚形状为半球形，圆锥底面与弹性杆下端面相同，采用刚性材料，用于减少位移杆与试件表面的接触，减少应变杆对试件状态的影响，提高测量精度。3.根据权利要求1所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其特征在于：弹性杆采用低弹性系数材料，减少由于弹性变形产生的弹力对试件表面施加的力，减少实验误差。应变片将弹性杆包裹住，应变片的长度与弹性杆的长度相等，提高测量位移的精度。应变片引脚布置在位移杆上端。4.根据权利要求1所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其特征在于：位移杆在实验过程中受压产生侧向膨胀，挤压相邻位移杆造成误差，增加位移杆杆长，减少轴向形变的影响，提高精度。5.根据权利要求1所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其特征在于：位移杆固定在fpc柔性电路板上，应变片引脚焊接在fpc柔性电路板上，fpc柔性电路板设置为圆环形，固定在外壳上，外壳也设置为圆环形，留有数据接口。6.根据权利要求1所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，其特征在于：位移杆上端固定在fpc柔性电路板上，下端朝向圆环形fpc柔性电路板圆心。7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置，包括以下步骤：(1)试验开始前，将实验装置放置岩石力学实验仪器的工作平面上，并对所使用的标准试样6进行测量，将已知尺寸的标准圆柱试件放置在测量装置中央进行校正。(2)将需要测量的试件放置在测量装置中央位置，保证位移杆与试件的接触，测量此时试件的体积。(3)在试件上方放置一个端面与试件大小相等的刚性圆柱形垫块，刚性圆柱形垫块下端面与试件上端面接触，刚性圆柱形垫块上端面与岩石力学实验仪器施加压力的压头接触,此时测量的体积。(4)当试件受压扩容时，位移杆发生变形，位移杆获取的数据通过fpc柔性电路板与数据接口传输到电脑上，经过数据处理，可以获取试件在受压是侧表面的实时变形，并绘制呈三维图像。8.根据权利要求7所述的测量圆柱形试件体积应变的实验装置的实验方法，其特征在于：试件体积应变计算公式如下：v3＝v 2-v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ (1)v3＇＝v3+2πrd ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ (2)v1＇＝v＇ 2-v＇3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ (3) v＝∑v i ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ (6)式中v3为实验开始前刚性圆柱形垫块被测量的体积；v3＇为试验机压向位移距离为d时，刚性圆柱形垫块被测量的体积；v2＇为试验机压头向下位移距离为d时，装置测出的总体积；v1＇为试验机压头向下位移距离为d时，试件的体积；r刚性圆柱形垫块半径；v i 为由单个位移杆数据所计算出的体积；x i 为单个位移杆所测得的位移；v为根据所有位移杆计算出来的总体积。

技术总结本发明公开了一种测量圆柱形试件体积应变的实验装置以及测量方法，本装置包括装置包括位移杆、FPC柔性电路板、外壳、数据接口，其中位移杆包括弹性杆、应变片、接触针脚、应变片引脚。本测量实验装置中，将位移杆底部布置有半球形接触针脚，并采用刚性材料。弹性杆采用低弹性系数材料。应变片将弹性杆包裹住，应变片的长度与弹性杆的长度相等，提高测量位移的精度。本装置通过位移杆的应变，位移杆发生变形，位移杆获取的数据通过柔性电路板与数据接口传输到电脑上，经过数据处理，可以获取试件在受压是侧表面的实时变形，并绘制呈三维图像。本发明能较为精确地反映单轴压缩受力情况过程，具有效率高、精度高、操作简便的优点。操作简便的优点。操作简便的优点。

技术研发人员：薛东杰 海那尔受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）技术研发日：2022.08.16技术公布日：2022/11/2