[發明專利]一種電磁式巖土工程超重力模擬裝置及操作方法

在審

• 申請號: 202010526504.2
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111855745A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 李洪江;劉松玉;童立元;車鴻博;閆鑫
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 薛雨妍

1.一種電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：包括電磁式超重力場發生機（1）、供電系統（2）和數控操作系統（3）；電磁式超重力場發生機（1）固定在剛性支撐架（12）上；所述電磁式超重力場發生機（1）主構件為兩個對稱等大的上、下電磁鐵（4、5），可在上、下電磁鐵（4、5）空間域產生集中分布、場強均勻的磁場；所述上、下磁鐵（4、5）的表面分別繞制上、下線圈（7、8）；所述上、下電磁鐵（4、5）上設有內部鐵芯（6）；磁場強度由供電系統（2）的供電電流大小及上、下線圈（7、8）繞線的匝數控制；所述上、下電磁鐵（4、5）的外層分別包裹有一層上磁屏蔽殼（10）和下磁屏蔽殼（11）；所述數控操作系統（3）包括計算機和顯示器；計算機通過高斯計（14）所測量的磁場大小來控制上、下電磁鐵（4、5）的輸入電流大小；試驗操作臺（9）位于上、下電磁鐵（4、5）形成的勻強磁場中，試驗操作臺上采用土樣配摻磁粉的方式，在磁粉被飽和磁化后獲得基于電磁場梯度磁力加載的超重力模擬效果。

2.根據權利要求1所述的電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：所述上、下電磁鐵（4、5）的規格可依據不同巖土工程試驗需求、樣品測試尺度進行選擇。

3.根據權利要求1所述的電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：其中每個所述內部鐵芯（6）的規格及對應的上、下線圈（7、8）導線繞線匝數完全一致，上、下線圈（7、8）通過供電系統（2）支配可以實現串聯供電，也可獨立供電。

4.根據權利要求1所述的電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：所述上、下電磁鐵（4、5）的內部鐵芯（6）選擇軟鐵材料，電磁鐵通電時產生磁場，斷電后磁力消失。

5.根據權利要求1所述的電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：所述上電磁鐵（4）的頂部與軸承（13）連接固定；其中軸承（13）的另一端穿過所述剛性支撐架（12）的頂部與電動馬達（15）連接固定；其中數控操作系統（3）通過電動馬達（15）來控制軸承（13）轉動從而調節上電磁鐵（4）高度，在保證磁場均勻性強度條件下充分適應不同的試驗操作臺（9）高度。

6.根據權利要求1所述的電磁式巖土工程超重力模擬裝置，其特征在于：所述供電系統（2）利用整流器將交流電轉換為直流電。

7.一種電磁式巖土工程超重力模擬裝置的操作方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟（1）：依據測試需求，預先制備土樣，土樣中摻入一定量磁粉并攪拌均勻，將制備好的試樣置入試驗操作臺上；

步驟（2）：開啟供電系統電源，通過數控操作系統控制軸承轉動調節上部電磁鐵的高度，待上、下電磁鐵間距滿足試驗條件后，鎖定上電磁鐵高度；

步驟（3）：采用上、下電磁鐵串聯供電模式，且上、下線圈供電電流方向相同，由此在試驗操作臺區域產生均勻NS磁場強度；通過高斯計測量磁場強度并反饋給數控操作系統內的計算機，計算機進而控制線圈輸入電流的大小獲得目標場強；在足夠長的通電時間下，直至試驗操作臺上的磁粉達到飽和磁化；

步驟（4）：改換成上、下電磁鐵獨立供電模式，通過控制供電電流大小，可以形成不同的磁場模式：

上大下小模式： 上部電磁鐵場強大而下部電磁鐵場強小；

或者上小下大模式：上部電磁鐵場強小而下部電磁鐵場強大；

或者動態模式：上、下電磁鐵場強動態線性變化的場強模式；

根據試驗需要，通過變換繞線線圈的電流方向，上、下電磁鐵的磁場方向也可獲得改變；以上場強的梯度變化會對試樣磁粉產生不同的磁場力，從而模擬不同的受力模式，附加的磁力施加到試樣上可以達到Ng超重力模擬效果（1g為常重力環境，N1為超重力，N1為反重力）；

步驟（5）：在試驗操作平臺上開展試驗測試內容，按常規操作完成小比尺試樣在超重力環境下的巖土體穩定性或者巖土體-結構體相互作用模擬試驗，根據相似原理即可獲得原型尺寸下的試驗結果；

由于是開放試驗操作平臺，試驗過程中可以人工干預時時調整試驗設計；

步驟（6）：測試結束，清理試驗操作平臺，并依次關閉數控操作系統和供電系統電源，保持電磁式超重力場發生機的整潔干凈。

8.根據權利要求7所述的一種電磁式巖土工程超重力模擬裝置的操作方法，其特征在于：所述步驟（1）中磁粉摻入比由試驗需求而定，不低于20%。