專利名稱：用于落塔平臺的砂土流動模型試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域中的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是涉及一種可在落塔平臺使用的砂土流動的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微重力及其微重力研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)施落塔設(shè)備介紹
微重力是指一種顯著低于常規(guī)地球表面重力水平(lg = 980cm/s2)的受力環(huán)境。中科院力學(xué)所的國家微重力實(shí)驗(yàn)(NMLC)室百米落塔建成于2003年，由于微重力落塔設(shè)施能獲得幾秒的微重力時間，是進(jìn)行微重力科學(xué)研究最重要、最經(jīng)濟(jì)的地基微重力實(shí)驗(yàn)設(shè)施，也是我國進(jìn)行微重力研究的主要試驗(yàn)基地。落塔建筑總高為116m，實(shí)驗(yàn)過程中，落艙從83米釋放平臺自由下落，可獲得約3. 6秒的微重力時間。落塔設(shè)施主要包括落艙系統(tǒng)、提升釋放系統(tǒng)、回收系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。落艙分為雙艙、單艙兩種類型。單艙的微重力水平在IO-2^T3g之間，適用于對微重力水平要求不是非常高的試驗(yàn)。單艙艙體由導(dǎo)流罩、蓄電池、試驗(yàn)平臺、艙體以及被吸頭構(gòu)成，整個艙體為輕型、薄壁、受壓組合殼體結(jié)構(gòu)。最下方為錐形導(dǎo)流罩，內(nèi)置艙內(nèi)電源，其上部放置試驗(yàn)平臺，通過螺栓等與艙體固定。最上方的被吸頭通過與塔內(nèi)的電磁吸頭相吸進(jìn)行吊裝。圖1為單艙結(jié)構(gòu)示意圖。落塔系統(tǒng)采用電磁釋放裝置，通過電磁吸頭組件將落艙的被吸頭吸住，進(jìn)而由卷揚(yáng)機(jī)組件將落艙從地面提升至83m組裝平臺，由中心控制室控制操作平臺實(shí)現(xiàn)落艙的釋放。減速回收系統(tǒng)的核心組件為高強(qiáng)度編織網(wǎng)袋，輔助以其他的耗能制動組件，將高速下落的落艙動能轉(zhuǎn)換為電能 和彈性勢能，最終實(shí)現(xiàn)落艙的安全回收。落塔裝置因其可控性好，成本相對較低，因而發(fā)展較為成熟。隨著空間科學(xué)的發(fā)展，有關(guān)微重力環(huán)境下巖土顆粒流動的報道越來越多。由于微重力環(huán)境的作用，巖土顆粒的流動過程呈現(xiàn)出一系列與常規(guī)重力環(huán)境迥異的特征，如獨(dú)特的潰滑失穩(wěn)機(jī)理、超強(qiáng)的動力特性、大規(guī)模的高速遠(yuǎn)程運(yùn)動、大量物質(zhì)堆積等。這些現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們原有的認(rèn)識和知識范疇領(lǐng)域，已成為深空探索領(lǐng)域亟待進(jìn)一步研究和極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。然而目前國內(nèi)對此還缺乏有效的研究，具有一定的盲目性。為彌補(bǔ)此項研究的空白，發(fā)明一種可以在微重力環(huán)境下使用的砂土流動模擬試驗(yàn)系統(tǒng)就顯得很有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為現(xiàn)有技術(shù)公開一種能夠滿足落塔平臺的特殊微重力環(huán)境的砂土流動模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，針對當(dāng)前缺乏微重力環(huán)境下顆粒流動問題研究的現(xiàn)狀，以模型實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，基于模型試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬方法，進(jìn)行微重力環(huán)境下巖土顆粒材料的流動特性研究。本發(fā)明技術(shù)方案基于中國科學(xué)院力學(xué)研究所國家微重力實(shí)驗(yàn)室(NMLC)的百米自由落塔設(shè)施，設(shè)計開發(fā)了一套能夠適用于研究巖土顆粒流動特性的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，本發(fā)明系統(tǒng)不限于自由落塔設(shè)施，可應(yīng)用于一切類似的封閉環(huán)境內(nèi)。該模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括若干燈光、雙層架平臺及其兩個模型箱、高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，其中
所述燈光作為光源，用于照明；
所述雙層架平臺采用艙內(nèi)現(xiàn)有的雙層艙架，以雙層架平臺的中心為中心對稱，在上下兩層同時安放兩個完全相同的模型箱，保持動態(tài)中整個艙體的質(zhì)心始終處于同一豎直線上；
所述模型箱，其材料為透明的有機(jī)玻璃板，模型箱底部設(shè)置一基座，用于墊高模型箱左側(cè)高度，模型箱上安裝擋板處于下垂?fàn)顟B(tài)后形成左側(cè)的內(nèi)接箱，是沙子的起始砂箱，擋板的旋轉(zhuǎn)由直流電機(jī)驅(qū)動；擋板一端固定于轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸搭接限位在模型箱頂上，所述直流電機(jī)通過電機(jī)座固定在模型箱的相應(yīng)位置，直流電機(jī)輸出軸連接于連軸器，連軸器輸出端連接于轉(zhuǎn)軸；在模型箱上還設(shè)置接觸限位開關(guān)，安裝于擋板旋轉(zhuǎn)的最大閾值位置，距離能與擋板碰觸；
所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)為一個高速攝像機(jī)，用于測定不同時刻巖土顆粒材料流動的幾何構(gòu)型與表面位移，在模型箱前側(cè)放置該高速攝像機(jī)以便清晰地攝錄顆粒材料流動過程中不同時刻的構(gòu)型；整個高速攝像機(jī)通過安裝板固定于雙層架平臺上，在相機(jī)相應(yīng)的電源開關(guān)處和錄像開關(guān)處分別設(shè)置電磁鐵，電磁鐵通過基座固定于相機(jī)上；
所述電路控制系統(tǒng)，包括控制室、艙內(nèi)接口模塊、各開關(guān)電路和光源，所述艙內(nèi)接口模塊是艙體內(nèi)現(xiàn)成的設(shè)備，所述控制室與艙內(nèi)接口模塊無線連接，所述各開關(guān)電路通過繼電器分別與艙內(nèi)接口模塊連接；所述開關(guān)電路分別包括由電機(jī)驅(qū)動電路、接觸限位開關(guān)和繼電器三者形成的閉合回路，還包括第一電磁鐵開關(guān)、相機(jī)電源開關(guān)、繼電器三者形成的閉合回路，還包括第二電磁鐵開關(guān)、相機(jī)錄相開關(guān)、繼電器三者形成的閉合回路；電機(jī)驅(qū)動電路、光源分別與艙內(nèi)接口模塊連接以獲得工作電源。進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)還包括另一個高速攝像機(jī)，在模型箱左上側(cè)同樣也放置一攝像設(shè)備從側(cè)面觀察砂土流動過程中表面形態(tài)的變化情況，由前側(cè)得到的流動構(gòu)型對流動的流體表面進(jìn)行數(shù)字化，同時左上側(cè)得到的構(gòu)型圖像可以對數(shù)字化結(jié)果進(jìn)行校對，提高準(zhǔn)確度。進(jìn)一步優(yōu)化方案，本發(fā)明系統(tǒng)增設(shè)監(jiān)控攝像頭，在多位點(diǎn)布置若干個監(jiān)控攝像頭，則監(jiān)控攝像頭也與艙內(nèi)接口模塊連接，接受控制室無線通訊以獲得控制室的操作指令，同時實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)的回傳。該模型箱系統(tǒng)的基本工作原理如下試驗(yàn)開始后，由控制室發(fā)出信號，接通直流電機(jī)電源，電機(jī)通電后帶動擋板轉(zhuǎn)動，此時砂箱內(nèi)的巖土顆粒材料在模型箱內(nèi)進(jìn)行自由的流態(tài)化運(yùn)動。同時，高速攝像裝置將記錄流動過程中不同時刻顆粒材料流動的幾何構(gòu)型與位移的動態(tài)實(shí)時變化，進(jìn)而分析顆粒材料流態(tài)運(yùn)動的流動范圍、流動速度等動力學(xué)特征。當(dāng)擋板轉(zhuǎn)置接觸開關(guān)后，自動切斷電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)可與落塔試驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行對接，并通過控制室的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)顆粒材料在模型箱內(nèi)的流動，借助視頻觀測系統(tǒng)，可清楚觀察顆粒材料運(yùn)動的整個過程，同時可以獲得流動構(gòu)型及持續(xù)時間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)新點(diǎn)1.巖土體在流動變形過程中產(chǎn)生的極大變形，采用傳統(tǒng)的固體力學(xué)理論在研究此類問題時將存在諸多缺點(diǎn)。本發(fā)明創(chuàng)新性的采用流體力學(xué)理論這一全新的思路進(jìn)行巖土體流動特性研究，克服了固體力學(xué)理論的研究缺陷。
2.鑒于現(xiàn)有研究設(shè)備中沒有專門針對微重力環(huán)境進(jìn)行巖土顆粒材料流動的試驗(yàn)裝置，結(jié)合中科院百米自由落塔的性能參數(shù)，本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一套適用于進(jìn)行微重力落塔試驗(yàn)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過落塔控制室遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)過程，所用模型箱及攝像裝置清楚觀察并記錄巖土顆粒材料的流動過程。(2)不同于傳統(tǒng)研究中以常規(guī)的地表重力狀態(tài)為研究條件，本發(fā)明基于設(shè)計的模型試驗(yàn)系統(tǒng)，可以進(jìn)行常規(guī)重力及微重力環(huán)境下巖土顆粒材料的流動試驗(yàn)，獲得了流動過程中巖土體變形的發(fā)展過程及構(gòu)型變化。獲得微重力環(huán)境下巖土顆粒流動呈現(xiàn)出的新現(xiàn)象，新特征。重點(diǎn)分析了常規(guī)重力環(huán)境及微重力下顆粒材料流動過程的流動特點(diǎn)，進(jìn)一步認(rèn)識重力地質(zhì)作用的動力演化機(jī)理，為空間科技發(fā)展尤其是宇宙空間建設(shè)工程提供可靠、有力的科學(xué)依據(jù)。


圖1為單艙結(jié)構(gòu)示意圖(屬于現(xiàn)有技術(shù)，不是本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)部分)。圖2為模型箱裝置示意圖。圖3相機(jī)控制裝置示意圖。圖4為落塔中現(xiàn)有的雙層艙架立體圖，將之利用為本發(fā)明的雙層架平臺。圖5電路部分示意圖。圖6整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。標(biāo)記說明模型箱1、擋板11、內(nèi)接箱12、巖土顆粒(沙)13、基座14、直流電機(jī)21、電機(jī)座211、聯(lián)軸器22、轉(zhuǎn)軸23、接觸限位開關(guān)24、光源3、高速相機(jī)4、電磁鐵41及其鐵座42、相機(jī)安裝板43、監(jiān)控攝像頭5、被吸頭81、艙體82、艙內(nèi)試驗(yàn)平臺83、艙內(nèi)電源84、導(dǎo)流罩85。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步介紹。實(shí)施例
本發(fā)明在落塔平臺的基礎(chǔ)上，根據(jù)落塔試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，有針對性的設(shè)計開發(fā)了一套適用于進(jìn)行微重力落塔試驗(yàn)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)。落艙是進(jìn)行落塔試驗(yàn)的主要場所，與常規(guī)重力下的試驗(yàn)相比，在落塔中進(jìn)行微重力試驗(yàn)還需考慮落塔設(shè)備的特殊限制。本實(shí)施例采用單艙進(jìn)行微重力試驗(yàn)，艙內(nèi)載荷空間為直徑850_，高1000_的圓柱形空間，因此本發(fā)明系統(tǒng)整體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備必須適應(yīng)該空間限制，如圖1所示的單艙結(jié)構(gòu)示意圖，由上而下分別有被吸頭81、艙體82、艙內(nèi)試驗(yàn)平臺83、艙內(nèi)電源84、導(dǎo)流罩85。由于本實(shí)驗(yàn)中的巖土顆粒材料獲得初速度的方法為自然重力加速，即在試驗(yàn)的開始階段先讓其在常規(guī)重力下流動短暫時間，獲得初速度后，進(jìn)入微重力環(huán)境繼續(xù)流動，因此，所選用的材料的流動時間必須長到可以跨越兩個流動階段，本實(shí)施例采用普通巖土顆粒材料。另外，回收過載大于17g，試驗(yàn)系統(tǒng)的模型箱1、控制電路等各設(shè)備都必須堅固耐震。如圖6所示，本發(fā)明試驗(yàn)系統(tǒng)包括若干燈光、雙層架平臺及其兩個模型箱、高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，其中
所述燈光作為光源，用于照明，落塔裝置內(nèi)部是封閉黑暗的。
由于本發(fā)明用于研究微重力環(huán)境下的巖土顆粒材料流動特性，在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)用的顆粒材料將在模型箱內(nèi)從左一端流動至另一端，而顆粒材料的流動造成的質(zhì)心變化超出了落塔試驗(yàn)規(guī)定的安全范圍，質(zhì)心會有發(fā)生水平方向偏移。本發(fā)明利用艙體內(nèi)現(xiàn)有雙層艙架的結(jié)構(gòu)，將之視為雙層架平臺，如圖4所示。以雙層架平臺的中心為中心對稱，在上下兩層同時安放兩個完全相同的模型箱，在同次試驗(yàn)、同一環(huán)境、同運(yùn)動狀態(tài)下，可以抵消單個模型箱試驗(yàn)中在水平方向產(chǎn)生的質(zhì)心變化，能保持整個艙體的質(zhì)心處于同一豎直線上，否則艙體將發(fā)生傾斜，給試驗(yàn)安全帶來隱患。所述模型箱，選擇能放入艙內(nèi)的較大尺寸的透明模型箱1，模型箱I所用材料均為厚度為5mm的透明的有機(jī)玻璃板，如圖2所示，模型箱底部設(shè)置一基座14，用于墊高模型箱左側(cè)高度，模型箱上安裝擋板11處于下垂?fàn)顟B(tài)后形成左側(cè)的內(nèi)接箱12，是沙子13 (圖2中未示)的起始砂箱，擋板11旋轉(zhuǎn)最終至水平狀態(tài)期間，沙子顆粒材料流動。在擋板的旋轉(zhuǎn)由直流電機(jī)21驅(qū)動(本實(shí)施例采用額定電壓24v,轉(zhuǎn)速60r/min)。擋板一端固定于轉(zhuǎn)軸23,轉(zhuǎn)軸搭接限位在模型箱I頂上，所述直流電機(jī)通過電機(jī)座211固定在模型箱的相應(yīng)位置，直流電機(jī)輸出軸連接于連軸器22，連軸器輸出端連接于轉(zhuǎn)軸，由此驅(qū)動擋板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在模型箱上還設(shè)置接觸限位開關(guān)24，安裝于擋板旋轉(zhuǎn)的最大閾值位置，距離能與擋板碰觸。所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)為一個高速攝像機(jī)4 (本實(shí)施例拍攝速度為420幀/秒的攝像機(jī))，用于測定不同時刻巖土顆粒材料流動的幾何構(gòu)型與表面位移，在模型箱前側(cè)放置數(shù)碼攝像設(shè)備以便清晰地攝錄顆粒材料流動過程中不同時刻的構(gòu)型。由于進(jìn)行落塔試驗(yàn)時，相機(jī)4處于落艙內(nèi)，將無法進(jìn)行手動操作。因此，必須設(shè)計出相應(yīng)的控制設(shè)備來遠(yuǎn)程控制相機(jī)的打開、錄制及保存動作。相機(jī)的控制開關(guān)及固定方式如圖3，整個相機(jī)4通過安裝板43固定于雙層架平臺上，在相機(jī)相應(yīng)的電源開關(guān)處和錄像開關(guān)處分別設(shè)置電磁鐵41，電磁鐵通過基座42固定于相機(jī)上。本實(shí)施例選用的電磁鐵均為額定電壓24v的直流電。進(jìn)一步優(yōu)化方案，所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)還包括另一個高速攝像機(jī)4，在模型箱左上側(cè)同樣也放置一攝像設(shè)備從側(cè)面觀察砂土流動過程中表面形態(tài)的變化情況，由前側(cè)得到的流動構(gòu)型對流動的流體表面進(jìn)行數(shù)字化，同時左上側(cè)得到的構(gòu)型圖像可以對數(shù)字化結(jié)果進(jìn)行校對，提聞準(zhǔn)確度。當(dāng)然，本實(shí)施例高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)不局限于一個或者兩個高速攝像機(jī)4，為了進(jìn)一步優(yōu)化，甚至還可以布置若干個監(jiān)控攝像頭。所述電路控制系統(tǒng)，如圖5所示，它包括控制室、艙內(nèi)接口模塊、各開關(guān)電路和光源，所述艙內(nèi)接口模塊是艙體內(nèi)現(xiàn)成的設(shè)備，艙內(nèi)接口模塊本身的結(jié)構(gòu)不是本發(fā)明的貢獻(xiàn)部分，本發(fā)明設(shè)計的模型試驗(yàn)系統(tǒng)必須與該落塔設(shè)施相對接，所述控制室與艙內(nèi)接口模塊無線連接，所述各開關(guān)電路通過繼電器分別與艙內(nèi)接口模塊連接；所述開關(guān)電路分別包括由電機(jī)驅(qū)動電路、接觸限位開關(guān)和繼電器三者形成的閉合回路，還包括第一電磁鐵開關(guān)、相機(jī)電源開關(guān)(圖中未示)、繼電器三者形成的閉合回路，還包括第二電磁鐵開關(guān)、相機(jī)錄相開關(guān)(圖中未示)、繼電器三者形成的閉合回路。電機(jī)驅(qū)動電路、光源分別與艙內(nèi)接口模塊連接以獲得工作電源。本發(fā)明系統(tǒng)增設(shè)監(jiān)控攝像頭，則監(jiān)控攝像頭也與艙內(nèi)接口模塊連接，接受控制室無線通訊以獲得控制室的操作指令，同時實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)的回傳。出于保護(hù)落塔平臺的電路控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)時通過控制繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對電磁鐵和電機(jī)的控制。所述繼電器為市售的電磁繼電器，它由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的，其基本原理為線圈兩端施加電壓后，線圈中產(chǎn)生電流，通過電磁效應(yīng)將內(nèi)部銜鐵吸向鐵芯，從而實(shí)現(xiàn)電路打開或閉合的功能。繼電器本身不是本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)部分。基于上述電路控制系統(tǒng)，1.模型箱系統(tǒng)的基本工作原理試驗(yàn)開始后，由控制室發(fā)出信號，接通直流電機(jī)電源，電機(jī)通電后帶動擋板轉(zhuǎn)動，此時砂箱內(nèi)的巖土顆粒材料在模型箱內(nèi)進(jìn)行自由的流態(tài)化運(yùn)動。同時，高速攝像裝置將記錄流動過程中不同時刻顆粒材料流動的幾何構(gòu)型與位移的動態(tài)實(shí)時變化，進(jìn)而分析顆粒材料流態(tài)運(yùn)動的流動范圍、流動速度等動力學(xué)特征。當(dāng)擋板轉(zhuǎn)置接觸開關(guān)后，自動切斷電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。2.拍攝系統(tǒng)工作原理試驗(yàn)前，通過控制室打開電源開關(guān)，通電后電磁鐵的鐵芯向前運(yùn)動觸碰相機(jī)按鈕后將相機(jī)電源打開，繼而接通第二個電磁鐵電源(圖中未示)，其鐵芯向前運(yùn)動，此時相機(jī)將進(jìn)入錄像狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后同樣通過電磁鐵關(guān)閉相機(jī)，使得整個過程中相機(jī)的開通時間較短，保證了相機(jī)電池的續(xù)航能力及存儲能力均能符合試驗(yàn)要求。模型箱可滿足試驗(yàn)用的巖土顆粒材料的大范圍流動，通過控制電機(jī)的供電實(shí)現(xiàn)模型箱內(nèi)接箱擋板的開啟，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)操作的遠(yuǎn)程控制。采用攝像機(jī)和監(jiān)控相機(jī)相結(jié)合的圖像采集裝置，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程巖土顆粒材料流動的全程記錄，滿足了顆粒材料變形流動的觀測要求。通過更換木質(zhì)基座14角度，可方便的實(shí)現(xiàn)模型箱角度的變化，以便觀測不同角度下的試驗(yàn)結(jié)果。模型試驗(yàn)系統(tǒng)可以充分利用了計算技術(shù)、數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展成果，將計算機(jī)技術(shù)、攝像與圖像分析量測技術(shù)融于一體(該部分不是本發(fā)明技術(shù)方案任務(wù))，可以得到巖土顆粒材料流動后的流動構(gòu)型和流動范圍等信息，為微重力環(huán)境下巖土顆粒材料的流動特性研究提供依據(jù)。本發(fā)明設(shè)計的模型試驗(yàn)系統(tǒng)與落塔設(shè)施相對接，進(jìn)行微重力環(huán)境下巖土顆粒的流動特性研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，重力場減弱后使得巖土顆粒材料的流動速度降低的更加緩慢。在提供初始速度的情況下，巖土顆粒材料在微重力環(huán)境中流動持續(xù)時間更長，流動范圍更大。測試結(jié)果表明，該模型試驗(yàn)系統(tǒng)可清晰觀測巖土顆粒材料流動的整個過程，并獲得其流動的流動構(gòu)型和流動范圍等信息。
權(quán)利要求
1.一種用于落塔平臺的砂土流動模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，該模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括若干燈光、雙層架平臺及其兩個模型箱、高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)，其中所述燈光作為光源，用于照明；所述雙層架平臺采用艙內(nèi)現(xiàn)有的雙層艙架，以雙層架平臺的中心為中心對稱，在上下兩層同時安放兩個完全相同的模型箱，保持動態(tài)中整個艙體的質(zhì)心始終處于同一豎直線上；所述模型箱，其材料為透明的有機(jī)玻璃板，模型箱底部設(shè)置一基座，用于墊高模型箱左側(cè)高度，模型箱上安裝擋板處于下垂?fàn)顟B(tài)后形成左側(cè)的內(nèi)接箱，是沙子的起始砂箱，擋板的旋轉(zhuǎn)由直流電機(jī)驅(qū)動；擋板一端固定于轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸搭接限位在模型箱頂上，所述直流電機(jī)通過電機(jī)座固定在模型箱的相應(yīng)位置，直流電機(jī)輸出軸連接于連軸器，連軸器輸出端連接于轉(zhuǎn)軸；在模型箱上還設(shè)置接觸限位開關(guān)，安裝于擋板旋轉(zhuǎn)的最大閾值位置，距離能與擋板碰觸；所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)為一個高速攝像機(jī)，用于測定不同時刻巖土顆粒材料流動的幾何構(gòu)型與表面位移，在模型箱前側(cè)放置該高速攝像機(jī)以便清晰地攝錄顆粒材料流動過程中不同時刻的構(gòu)型；整個高速攝像機(jī)通過安裝板固定于雙層架平臺上，在相機(jī)相應(yīng)的電源開關(guān)處和錄像開關(guān)處分別設(shè)置電磁鐵，電磁鐵通過基座固定于相機(jī)上；所述電路控制系統(tǒng)，包括控制室、艙內(nèi)接口模塊、各開關(guān)電路和光源，所述艙內(nèi)接口模塊是艙體內(nèi)現(xiàn)成的設(shè)備，所述控制室與艙內(nèi)接口模塊無線連接，所述各開關(guān)電路通過繼電器分別與艙內(nèi)接口模塊連接；所述開關(guān)電路分別包括由電機(jī)驅(qū)動電路、接觸限位開關(guān)和繼電器三者形成的閉合回路，還包括第一電磁鐵開關(guān)、相機(jī)電源開關(guān)、繼電器三者形成的閉合回路，還包括第二電磁鐵開關(guān)、相機(jī)錄相開關(guān)、繼電器三者形成的閉合回路；電機(jī)驅(qū)動電路、 光源分別與艙內(nèi)接口模塊連接以獲得工作電源。
2.如權(quán)利要求1所述的用于落塔平臺的砂土流動模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)還包括另一個高速攝像機(jī)，在模型箱左上側(cè)同樣也放置一高速攝像機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的用于落塔平臺的砂土流動模型試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)還包括在多位點(diǎn)布置若干個監(jiān)控攝像頭，則監(jiān)控攝像頭也與艙內(nèi)接口模塊連接，接受控制室無線通訊以獲得控制室的操作指令，同時實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像數(shù)據(jù)的回傳。
全文摘要
本發(fā)明涉及工程地質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域中的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于落塔平臺的砂土流動模型試驗(yàn)系統(tǒng)。該模型試驗(yàn)系統(tǒng)包括若干燈光、雙層架平臺及其兩個模型箱、高速攝像監(jiān)控系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)。試驗(yàn)開始后，由控制室發(fā)出信號，接通直流電機(jī)電源，電機(jī)通電后帶動擋板轉(zhuǎn)動，此時砂箱內(nèi)的巖土顆粒材料在模型箱內(nèi)進(jìn)行自由的流態(tài)化運(yùn)動。該系統(tǒng)可與落塔試驗(yàn)平臺的控制系統(tǒng)進(jìn)行對接，并通過控制室的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)顆粒材料在模型箱內(nèi)的流動，借助視頻觀測系統(tǒng)，可清楚觀察顆粒材料運(yùn)動的整個過程，同時可以獲得流動構(gòu)型及持續(xù)時間。
文檔編號G01N11/00GK103048241SQ201210557859
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者黃雨, 王冬, 毛無衛(wèi) 申請人:同濟(jì)大學(xué)