[发明专利]一种真三轴刚性试验机峰后加载过程伺服控制系统及方法

说明书

本发明提出一种真三轴刚性试验机峰后加载过程伺服控制系统及方法，属于岩石真三轴试验机伺服控制领域，系统包括：真三轴压力试验机、力和位移传感器、AI智能识别模块、前馈环节、PID控制器、内外伺服驱动器和计算机；本发明提出一种更加真实，更加稳定的反映深部岩体渐进破裂行为的真三轴试验峰后控制技术，该技术采用AI智能识别和前馈反馈控制系统，控制算法将前馈控制作用和反馈控制作用相结合，结合深部硬岩渐进破裂行为的特点，液压响应更加及时，控制更加稳定，解决了因液压响应不及时导致峰后应力反复调整的问题，新技术更能真实地反映深部硬岩峰后渐进多阶段破裂行为。

技术领域

本发明属于岩石真三轴试验机伺服控制领域，具体涉及一种真三轴刚性试验机峰后加载过程伺服控制系统及方法。

背景技术

地壳岩石多处于真三轴应力状态，即：最大主应力(σ1)≥中间主应力(σ2)≥最小主应力(σ3)。许多大型深部工程，如：深部矿床开采、深埋隧道和洞室群(涉及水利水电、交通和国防工程等)、地下储库(涉及高放核废料、CO2和原油)、深部新能源开发(干热岩和页岩气，大都建于深部硬岩之中。开展室内真三轴试验能够获得更符合实际应力环境下的力学参数，同时再现工程岩体的破裂行为，而常规三轴试验机仅能模拟最大主应力(σ1)≥中间主应力(σ2)＝最小主应力(σ3)的应力状态，具有明显局限性。可见，真三轴试验可为工程中出现的岩体失稳破坏现象提供更加科学的解释和预防维护建议。岩石超过峰值强度后发生破坏，内部出现破裂并导致其承载能力下降，但并没有降至零，仍然具有一定的强度，特别是在真三轴应力状态下，工程现场即是如此，因而破坏时不能突然崩解；再者，工程岩体本身在历史过程中就是经历过破坏的岩体，所以研究岩石峰值强度破坏后的特征对于岩石工程本身具有重要的意义。

为了得到岩石峰前峰后的全应力应变曲线，通常有多种控制方式可以采用，例如：单一应力控制、环向变形控制以及应力-变形联合控制方式等。岩石类材料的全应力应变曲线主要有两种：I类曲线和II类曲线，国际岩石力学学会ISRM建议试验方法：单轴压缩下完整岩石的全应力-应变曲线，其中应变单调增加的为I类曲线，应变非单调增加的为II类曲线。岩石脆性程度较高时，其峰后曲线形态类型通常为II类曲线，经过试验研究发现：深部硬岩峰后脆性破坏存在渐进(多阶段)破裂行为。简单地讲，从峰后曲线形态来看，硬岩破裂的峰后曲线形态明显可以分为多个阶段，直至破裂行为终止，而不是一条从试验起始至结束的光滑平整曲线。硬脆性岩石的峰后裂纹扩展具有突发性和间断性，此时对于试验机的伺服控制系统要求就比较高，当裂纹迅速扩展时，伺服控制系统应该能够及时收集信号并将反馈控制命令迅速准确的发送到试验机并执行，起到实时控制功能。

为了得到岩石类材料的全应力-应变曲线，利用传统常规三轴试验机和一些真三轴试验机进行硬脆性岩石的加载试验时，一般对岩石峰值强度之后采用变形控，配合试验机伺服控制系统得到全应力-应变曲线，如附图6所示。

轴向应变表明该岩石峰后脆性破坏显示出多阶段行为，这符合现场硬脆性岩石渐进破坏的特征。但是，每一阶段发生应力降时，应力都会迅速降低至某一数值，应力降量值大小因情况而异，然后又会出现应力攀升的现象，这归因于试验机控制技术方面的缺陷和液压响应不及时。这种应力降低又攀升的现象不能够真实反映硬脆性岩石的破裂行为，容易使研究人员产生误解。可见，急需一种能够克服这种因参数不匹配和液压响应不及时导致的硬脆性岩石峰后多阶段破裂行为中应力降低又攀升现象的控制技术，能够更加真实地反映硬脆性岩石的峰后渐进破裂行为，以促进岩石力学科研事业方面的蓬勃发展。

发明内容

基于以上技术问题，本申请提出了一种真三轴刚性试验机峰后加载过程伺服控制系统及方法，其中具体一种真三轴刚性试验机峰后加载过程伺服控制系统包括：真三轴压力试验机、力和位移传感器、AI智能识别模块、前馈环节、PID控制器、内外伺服驱动器和计算机；