[发明专利]砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置及方法

权利要求书

1.一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：其包括转矩施加装置、胶结区成形装置、粒子图像测速装置和数据采集及控制系统；

所述转矩施加装置包括转动轴杆、细线、应力计、施力杆和直线式超声电机，所述转动轴杆的一端设有螺孔，所述细线缠绕在转动轴杆上且与施力杆一端连接，施力杆的另一端连接直线式超声电机，所述应力计安装在施力杆上；

所述胶结区成形装置包括含有色颗粒硅溶胶水箱、球形颗粒、颗粒安装套杆、圆形截面有机玻璃套管和石英玻璃平板，所述含有色颗粒硅溶胶水箱中盛有纳米硅溶胶，所述纳米硅溶胶中分散着有色颗粒，所述颗粒安装套杆的一端有凹槽，所述凹槽用于与球形颗粒的小部分表面粘结，颗粒安装套杆的另一端有螺纹用于拧紧在转动轴杆一端的螺孔内；

所述粒子图像测速装置包括数码相机和光源；

所述数据采集及控制系统分别与载荷施加装置和粒子图像测速装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述球形颗粒直径取1mm，球形颗粒为二氧化硅颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述圆形截面有机玻璃套管的内径等于球形颗粒的直径。

4.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述应力计为光纤测力计。

5.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述细线为碳纤维细线。

6.根据权利要求1所述的一种砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置，其特征在于：所述含有色颗粒硅溶胶水箱中的有色颗粒为炭黑颗粒。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的砂颗粒纳米凝胶胶结区扭转强度和剪应变测试装置的测试方法，其特征在于：其包括下述步骤：

步骤1：将圆形截面有机玻璃套管浸入含有色颗粒硅溶胶水箱内，待硅溶胶填满有机玻璃套筒后，用镊子将球形颗粒推入圆形截面有机玻璃套管中；

步骤2：在含有色颗粒硅溶胶水箱内，将有机玻璃套管的端部圆截面放置在石英玻璃平板上，使有机玻璃套管中的球形颗粒与石英玻璃平板表面相接触，然后取出有机玻璃套管和石英玻璃平板，除保留球形颗粒、石英玻璃平板和有机玻璃套管围成区域内的硅溶胶外，吸除其他位置的硅溶胶，然后养护至凝胶将球形颗粒和石英玻璃平板粘结在一起；

步骤3:颗粒安装套杆一端的凹槽内涂上AB胶并抵至有机玻璃套管内的球形颗粒，然后褪出有机玻璃套管，然后将颗粒安装套杆的另一端的螺纹拧紧在转动轴杆一端的螺孔内，然后固定石英玻璃平板；

步骤4：提取扭转截面上的标志点：用光源照亮石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区，用数码相机拍摄纳米凝胶胶结区在石英玻璃平板上的截面，然后在数据采集及控制系统里记录这些标志点的初始坐标；

步骤5：启动直线式超声电机，直线式超声电机通过施力杆拉动缠绕在转动轴杆上的细线，细线为转动轴杆提供扭矩，此扭矩依次带动转动轴杆、颗粒安装套杆、球形颗粒和纳米凝胶胶结区，通过数据采集及控制系统记录应力计的数值，并计算作用在转动轴杆上的扭矩T(t)，记转动轴杆不与颗粒安装套杆连接时转动需要的的扭矩为T₀，T(t)-T₀即为纳米凝胶胶结区所受的扭矩，记录扭矩T(t)-T₀随时间的变化曲线，此曲线峰值为纳米凝胶胶结区的扭转强度；

步骤6：在直线式超声电机开动过程中，在时间点t₁,t₂,… ,t_i,t_i+1,… ,t_n时刻用数码相机拍摄石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面，由任意两个时刻t_i,t_i+1标志点的位置得到标志点的实时位移，在计算机中将石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面划分为四边形单元网格，然后将标志点上的位移拟合到四边形单元网格节点上，设其中一个四边形单元的节点编号为节点1、节点2、节点3、节点4，对应每个节点上的x坐标为x₁、x₂、x₃和x₄，y坐标为y₁、y₂、y₃和y₄，x方向位移为u₁、u₂、u₃和u₄，y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，引入插值函数N₁(r,s)、N₂(r,s)、N₃(r,s)、N₄(r,s)，插值得到这个四边形单元内任意一点x方向位移u(x,y)和y方向位移v(x,y)：

u(x,y)＝u₁N₁(r,s)+u₂N₂(r,s)+u₃N₃(r,s)+u₄N₄(r,s)

v(x,y)＝v₁N₁(r,s)+v₂N₂(r,s)+v₃N₃(r,s)+v₄N₄(r,s)

设四边形单元内任意一个标志点的插值位移为u(x_i,y_i)和v(x_i,y_i)，实测位移为u_i和v_i，取插值得到的标志点位移和实测位移差值累计之和最小：

Min∑(u(x_i,y_i)-u_i)²+(v(x_i,y_i)-v_i)²

通过优化算法寻优得到x方向位移u₁、u₂、u₃和u₄，以及y方向位移为v₁、v₂、v₃和v₄，将优化得到的节点位移代入应变公式可以得到四边形单元内任意一点的剪应变γ_xy(x,y)：

由不同时刻四边形单元内任意一点的剪应变γ_xy(x,y)，可以画出转矩加载过程中石英玻璃平板上的纳米凝胶胶结区截面的剪应变云图。