[發明專利]研究類CFRP約束熱損傷煤樣蠕變-沖擊耦合試驗系統及方法

有效

• 申請號: 202010777349.1
• 申請日: 2020-08-05
• 公開（公告）號: CN111896399B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 李慶文;黃筱;董芳紅;楊浩;曹行
• 申請（專利權）人: 遼寧工業大學
• 主分類號: G01N3/36
• 分類號: G01N3/36;G01N1/28
• 代理公司: 北京中睿智恒知識產權代理事務所(普通合伙) 16025
• 代理人: 黃莉

1.一種研究類CFRP約束熱損傷煤樣力學性能的方法，其特征在于，

采用蠕變-沖擊耦合試驗系統實現研究類CFRP約束熱損傷煤樣力學性能的方法；

系統包括：頂板、平衡錘、重錘、砝碼、砝碼盤、支撐鋼柱、液壓千斤頂、荷載傳感器、荷載采集器、底板、卷揚機、應變片、應變采集儀和計算機；

所述支撐鋼柱上帶有滑槽，平衡錘的三個端部上帶有滑塊，平衡錘上的滑塊與支撐鋼柱上的滑槽滑動連接；

所述重錘和卷揚機通過固定在頂板上的中心滑輪和鋼繩連接；所述砝碼盤和平衡錘通過固定在頂板上的三個小滑輪和大滑輪用鋼繩連接，通過在砝碼盤上增減砝碼的數量控制平衡錘對試件施加壓力；

所述三個小滑輪成正三角形分布在中心滑輪四周，與平衡錘的三個端部相對應，大滑輪固定在頂板上與砝碼盤對應的位置；大滑輪與卷揚機在中心滑輪的異側，中心滑輪、三個小滑輪中的一個小滑輪和大滑輪按順序排布在一條直線的位置上；為避免線間交叉，在平面上卷揚機與中心滑輪連線不經過小滑輪；

所述應變采集儀控制應變片實時采集應變數據，并將數據傳輸給計算機；所述計算機通過分析應變數據給卷揚機發送控制指令，由卷揚機帶動重錘給平衡錘施加沖擊擾動；

所述平衡錘中部為半球形凹槽，便于試件受到均勻的沖擊；

所述荷載傳感器設置在液壓千斤頂上部，在荷載傳感器上放置待檢測試件；所述荷載采集器控制荷載傳感器采集試件所受的荷載，并將荷載數據傳輸給計算機，用于模擬不同階段的工況；

方法包括如下步驟：

步驟1：采集并制作不同熱損傷下的煤樣，對不同熱損傷下的煤樣進行不同程度的加固處理，其中，所述步驟1的過程如下：

步驟1.1：從深部礦井采集煤塊，先將煤塊打磨至標準煤樣，且煤樣需打磨光滑，確保表面干凈無污，其中，所述標準煤樣為長寬高比為1:1:2的標準長方體；

步驟1.2：將煤樣分成若干組，每組的數量一致，以溫度遞增的形式對不同組的煤樣進行加熱，其中，選取密度相近的煤樣進行分組，設置高溫加固組、高溫不加固組、常溫加固組和常溫不加固組，按溫度設置多個高溫加固組和高溫不加固組，按條帶層數設置高溫加固組和常溫加固組，每組至少7個煤樣，取高溫加固組和高溫不加固組中煤樣進行加熱處理，試件采用電阻爐加熱，按溫度分組分次將煤樣放入爐內后，開啟電源，調整溫度控制到對應溫度值，待升溫到設置溫度后再恒溫4h，在爐內自然冷卻至室溫，加熱的溫度范圍為100℃～500℃；

步驟1.3：靜置加熱過的煤樣至常溫后，分別在每組煤樣的外表面粘貼不同層數的CFRP條帶用以加固；

步驟2：從各組取一個相同CFRP層數的煤樣，對其縱向施加壓力至破壞，實測得到各組煤樣的應力-應變曲線并獲得該曲線上的峰值強度σ_p；

步驟3：為模擬不同階段的工況情況，在應力-應變曲線上選取三個小于峰值強度σ_p的點，記為應力強度σ_A、σ_B和σ_C，其中，σ_A＝50％σ_p，σ_B＝70％σ_p，σ_C＝90％σ_p，對選取的應力大小以及每級蠕變應力大小與砝碼重量進行對應換算，換算通過以下公式確定：

mg＝σ×πr²

其中，m為對應加載應力所對應的砝碼質量，σ為加載應力，π取3.14，半徑r為0.025m，g取9.8m/s²；

步驟4：在煤樣上粘貼應變片并放置在蠕變-沖擊耦合試驗系統的荷載傳感器上，在步驟3得到的應力強度σ_A下，進行逐級加載蠕變試驗，同時在相應的每級蠕變的等速蠕變階段施加頻率為f的n次循環沖擊擾動，直到經過若干個蠕變階段后煤樣發生失穩破壞為止，記錄煤樣失穩破壞時施加的蠕變-沖擊擾動強度；

所述步驟4的過程如下：

步驟4.1：在煤樣的CFRP條帶外豎向和環向粘貼若干個應變片，并將煤樣放置在荷載傳感器上，通過液壓千斤頂將煤樣升至輕觸平衡錘底部位置，避免煤樣在試驗前受到荷載出現細微破損的情況；

步驟4.2：減少砝碼盤上的砝碼，使平衡錘對煤樣加壓，荷載采集器控制荷載傳感器采集煤樣所受的荷載，并將荷載數據傳輸給計算機，同時調整砝碼數量使煤樣上的加載值控制在應力σ_A；

步驟4.3：應變采集儀控制應變片實時采集煤樣的應變數據，并將數據傳輸給計算機，由計算機分析應變數據；

步驟4.4：當應變滿足等速蠕變條件時，由計算機給卷揚機發送控制指令，并由卷揚機帶動重錘給平衡錘施加頻率為f的n次循環沖擊擾動，其中，所述滿足等速蠕變條件為滿足dε/dt＝Ω，ε為應變值，t為時間，dε/dt為單位時間的應變值，Ω為常數；

步驟4.5：每級蠕變完成后繼續加載，每次加載后過相同時間，在等速蠕變階段施加頻率為f的n次循環沖擊擾動；

步驟5：重復步驟4得到不同組內即不同熱損傷下，相同CFRP層數煤樣分別在應力強度σ_A、σ_B和σ_C下的應力-應變圖及失穩破壞時施加的蠕變-沖擊擾動強度；

步驟6：重復步驟2至步驟5直到得到同組內即同熱損傷程度下、不同CFRP層數下的煤樣的應力-應變圖及失穩破壞時施加的蠕變-沖擊擾動強度；

步驟7：對比同組內即同熱損傷程度下及同加載應力下，不同CFRP層數煤樣的應力-應變圖及失穩破壞時施加的蠕變-沖擊擾動強度，根據不同加固層數對試件強度提升的增量得到最優抵抗蠕變-沖擊擾動的CFRP包裹層數，并分析熱損傷對煤樣抵抗蠕變-沖擊擾動的力學性能的影響。