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真三軸試驗(yàn)儀是如何實(shí)現(xiàn)多維度力學(xué)性能檢測(cè)的?

更新時(shí)間:2025-03-11      點(diǎn)擊次數(shù):108
  真三軸試驗(yàn)儀通過其設(shè)計(jì)和復(fù)雜的加載系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料多維度力學(xué)性能的精準(zhǔn)檢測(cè)。以下是真三軸試驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)多維度力學(xué)性能檢測(cè)的具體方式:
  一、獨(dú)*的加載系統(tǒng)
  1.三個(gè)主應(yīng)力方向獨(dú)立加載
  σ1、σ2、σ3方向加載:試驗(yàn)儀具備三個(gè)相互垂直的加載方向,分別對(duì)應(yīng)三個(gè)主應(yīng)力σ1、σ2、σ3。這三個(gè)方向的加載系統(tǒng)是獨(dú)立工作的,能夠精確地施加不同大小和路徑的力。例如,在研究巖石類材料時(shí),可以模擬不同地層深度下的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),其中σ1可能是垂直方向的應(yīng)力(由上覆巖層重量引起),σ2和σ3則是水平方向的應(yīng)力(由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素產(chǎn)生)。
  伺服控制加載:每個(gè)加載方向通常采用伺服控制的液壓或機(jī)械加載裝置。伺服控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的加載方案,精確地控制加載力的大小和加載速率。比如,在對(duì)一種新型復(fù)合材料進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)時(shí),可以通過伺服系統(tǒng)按照一定的應(yīng)變速率(如0.01/s)同步施加三個(gè)方向的載荷,并且能夠根據(jù)材料的變形情況實(shí)時(shí)調(diào)整加載力,以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。
  2.多種加載路徑模擬
  線性與非線性加載路徑:真三軸試驗(yàn)儀可以實(shí)現(xiàn)線性和非線性的加載路徑。線性加載路徑是指三個(gè)主應(yīng)力按照固定的比例同時(shí)增加或減少,這種加載方式常用于模擬簡(jiǎn)單的均勻受壓或受拉的情況。而非線性加載路徑則更加復(fù)雜,能夠模擬實(shí)際工程中復(fù)雜的應(yīng)力變化情況。例如,在模擬地下隧道開挖過程中周圍土體的應(yīng)力變化時(shí),由于開挖過程的不對(duì)稱性和土體性質(zhì)的各向異性,需要采用非線性加載路徑來更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。
  自定義加載程序:試驗(yàn)人員可以根據(jù)具體的研究需求自定義加載程序。比如,在研究混凝土材料在地震作用下的力學(xué)性能時(shí),可以先在σ1方向施加一個(gè)較大的初始應(yīng)力,然后在σ2和σ3方向按照正弦波形變化施加循環(huán)載荷,以模擬地震波對(duì)建筑物基礎(chǔ)的作用。這種自定義加載程序的功能使得試驗(yàn)儀能夠適應(yīng)各種不同的復(fù)雜工況模擬。
  二、高精度的測(cè)量系統(tǒng)
  1.應(yīng)力測(cè)量
  壓力傳感器布置:在三個(gè)加載方向上分別布置高精度的壓力傳感器。這些壓力傳感器能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量施加在試件上的力,并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。壓力傳感器的精度非常高,通??梢赃_(dá)到滿量程的±0.5%以內(nèi)。例如,在對(duì)金屬材料進(jìn)行高應(yīng)力三軸試驗(yàn)時(shí),壓力傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量出數(shù)千甚至上萬(wàn)牛頓的力。
  應(yīng)力計(jì)算與補(bǔ)償:真三軸試驗(yàn)儀的控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)壓力傳感器的測(cè)量值,結(jié)合試件的尺寸信息,精確地計(jì)算出三個(gè)主應(yīng)力的大小。同時(shí),為了消除加載裝置本身的重量、摩擦力等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)力補(bǔ)償。比如,在液壓加載系統(tǒng)中,需要考慮液壓油的壓力損失和活塞與缸壁之間的摩擦力對(duì)實(shí)際施加應(yīng)力的影響,通過補(bǔ)償算法可以確保測(cè)量得到的應(yīng)力是真實(shí)作用在試件上的應(yīng)力。
  2.應(yīng)變測(cè)量
  位移傳感器與應(yīng)變片結(jié)合:試驗(yàn)儀采用多種應(yīng)變測(cè)量方法相結(jié)合的方式。一方面,在加載裝置的活塞等部位安裝位移傳感器,可以直接測(cè)量試件在三個(gè)方向上的位移變化。另一方面,在試件表面粘貼應(yīng)變片,用于測(cè)量試件表面的應(yīng)變。應(yīng)變片可以感知試件在不同方向上的微小變形,將其轉(zhuǎn)換為電阻變化,進(jìn)而通過電橋電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到應(yīng)變值。例如,在對(duì)塑料材料進(jìn)行三軸拉伸試驗(yàn)時(shí),位移傳感器可以測(cè)量試件整體的伸長(zhǎng)量,而應(yīng)變片則可以更精細(xì)地測(cè)量試件表面局部的應(yīng)變分布情況。
  三維數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(可選):一些先進(jìn)的真三軸試驗(yàn)儀還配備了三維數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)系統(tǒng)。這種非接觸式的測(cè)量方法通過在試件表面噴涂散斑圖案,利用高速相機(jī)從不同角度拍攝試件在加載過程中的圖像。通過對(duì)圖像中的散斑進(jìn)行分析和匹配,可以得到試件表面的三維位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。DIC技術(shù)具有空間分辨率高、全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),能夠提供更豐富的應(yīng)變信息,尤其適用于對(duì)變形復(fù)雜的材料(如生物組織、軟質(zhì)復(fù)合材料等)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。
 

 

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