（采矿工程专业论文）含铁散粒体的电磁加载方法研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 含铁散粒体的电磁加载方法研究 采矿工程 赵自豪( 签名) 伍永平( 签名) 摘要 垄! ! 整 匀佃豸l 中坪 在采矿、水利、岩土等研究领域内，相似材料模拟是一种很重要的实验方法。而在 采矿工程中，相似材料模拟的往往是层状模型，岩层的弯曲变形和断裂破坏是关键问题。 为最大限度地保证岩层抗弯强度和断裂强度的相似性，相似材料抗拉强度的测定尤为必 要。相似材料的抗压、抗剪强度的测量方法比较简单。但是，抗拉强度的测定一直是一 个难点。对于以铁粉或磁铁粉为骨料的相似材料，其中的铁或磁铁粉颗粒在非均匀磁场 中要受磁场力的作用。本文用亥姆霍兹线圈构建了一个均匀梯度磁场，将用含铁相似材 料制成的圆柱形试件放入其中，并采用a n s y s 有限元程序进行了数值模拟。通过对所 构建的实验模型采用控制变量法，研究了不同结构的亥姆霍兹线圈、不同试件密度、不 同线圈安匝数等条件下试件所受的电磁力的情况。得出了电磁力随线圈结构、安匝数和 试件密度的变化规律。在此基础上，提出了一种新的拉应力加载方法，并对该方法的应 用前景进行了展望。 关键词：a n s y s 有限元方法；散粒体；相似材料模拟：电磁加载方法： 均匀梯度磁场；亥姆霍兹线圈 研究类型：理论研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i cl o a d i n gm e t h o df o rf e r r i f e r o u s g r a n u l a rs o i l s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：z h a o z i h a o i n s t r u c t o r ：姗y o n g p i n g a 嚣s t r a c t s i m i l a rm a t e r i a l ss i m u l a t i o ni sav e r yi m p o r t a n te x p e r i m e n t a lm e t h o di nt h em i n i n g ， i r r i g a t i o nw o r k s ，g e o t e c h n i c a ls t u d i e sa n do t h e rf i e l d s i nm i n i n ge n g i n e e r i n g ，s t r a t am o d e l s a r eo f t e ns i m u l a t e db ys i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o nm o d e l ，r o c kb e n d i n gd e f o r m a t i o na n d f r a c t u r ed a m a g ei st h es e r i o u sp r o b l e m t oe n s u r ec o m p a r a b i l i t yo fb r e a k i n gs t r e n g t ha n d d i s t o r t i o ns t r e n g t h t h et e s t sf o rs i m i l a rm a t e r i a lt e n s i l es t r e n g t ha r eq u i t en e c e s s a r y t h e m e a s u r e m e n tm e t h o d st o rc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s h e a r e di n t e n s i t yo fs i m i l a rm a t e r i a la r e r e l a t i v e l ys i m p l e ，h o w e v e t h em e a s u r e m e n tf o rt e n s i l es t r e n g t hi sa l w a y sad i f f i c u l t y f o rt h e s i m i l a rm a t e r i a l sw h i c hi r o no rm a g n e t i t ep o w d e ri sa d o p t e da s a g g r e g a t et oi n c r e a s eb u l k d e n s i t y , t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hw i l lb ei m p o s e do nt h ei r o no rm a g n e t i t ep o w d e rp a r t i c l e s w h e nt h e ya r ei nan o n h o m o g e n e o u sm a g n e t i cf i e l d w eh a v ed e s i g n e dau n i f o r mg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l d 州t hh e l m h o l t zc o i l s p u t t i n gt h ec y l i n d r i c a ls a m p l ei nt h ef i e l d a n dn u m e r i c a l s i m u l a t ew i t ha n s y sf e m ， w eh a v es t u d i e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew h i c ht h es a m p l eb e a r e d i nd i f f e r e n th c l m h o l t zc o i lf o rd i f f e r e n td e n s i t i e ss a m p l e s ，d i f f e r e n ta m p e r e - t u r n se ta lb y c o n t r o l l i n gv a r i a b l ei nt h ee s t a b l i s h e de x p e r i m e n t a lm o d e l a n do b t a i n e dt h el a wo ft h e m a g n e t i cf o r c ec h a n g e dw i t ht h es t r u c t u r eo f t h eh e l m h o l t zc o i l s ，d e n s i t i e so f t h es a m p l e sa n d a m p e r e * t u r n se ta l ，b a s i so no u rs t u d i e s ，w ep r o p o s e daf l e w - m e t h o do fp u l l i n gs t r e s s ，a n d p r o s p e c tt h ea p p l i c a t i o no f t h i sn e w m e t h o d k e yw o r d s ：a n s y sf i n i t e de l e m e n tm e t h o dg r a n u l a rs o i l m i n e r a l l i k em a t e r i a l ss i m u l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cl o a d i n gm e t h o d u n i f o r mg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dh e l m h o l t zc o i l t h e s i s ：t h e o r ys t u d y ，r ， s u b j e c t ：r e s e a r c ho ne l e c t r o m a g n e t i c l o a d i n gm e t h o df o rf e r r i f e r o u s g r a n u l a rs o i l s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：z h a 0z i h a o i n s t r u c t o r ：w uy o n g p i n g a b s m m i l a rm a t e r i a l ss i m u l a t i o ni sav e r yi m p o r t a n t e x p e r i m e n t a lm e t l l o di nt h em i n i n g ， 1 r r i g a t l o nw o r k s ，g e o t e c h n i c a ls t u d i e sa n do t h e rf i e l d s i nm i n i n ge n g i n e e r i n g ，s t r a t am o d e l s a r eo n e ns i m u l a t e db ys i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o nm o d e l ，r o c kb e n d i n gd e f - o n i l a t i o na i l d 打a c n u ed a m a g ei st h es e r i o u sp r o b l e m t oe n s u r ec o m p a r a b i l i t yo fb r e a k i n gs t r e n g t ha n d d l s t o r t i o ns t r e n g t h t h et e s t sf o rs i m i l a rm a t e r i a lt e n s i l es t r e n g t ha r e q u i t en e c e s s a r y t h e m e a s u r e m e n tm e t h o d s o rc o m p r e s s i v es t r e n g t h ，s h e a r e di n t e n s i t yo fs i m i l a rm a t e d a la r e r e l a t i v e l ys i m p l e h o w e v e r , t h em e a s u r e m e n tf o rt e n s i l es t r e n g t hi sa l w a y sa d i f f i c u l t y f o rt h e s l m i l a rm a t e r i a l sw h i c hi r o no rm a g n e t i t ep o w d e ri sa d o p t e da s a g g r e g a t et oi n c r e a s eb u l k d e n s i t y , t h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hw i l lb ei m p o s e do nt h ei r o no rm a g n e t i t ep o 、v d e rp a r t i c l e s w h e nt h e ya r ei na n o n 。h o m o g e n e o u sm a g n e t i cf i e l d w eh a v ed e s i g n e dau n i f o r mg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l dw i t hh e l m h o l t zc o i l s p u t t i n gt h ec y l i n d r i c a ls a m p l ei nt h ef i e l d ，a n dn u i l l e r i c a l s i m u l a t ew i t ha n s y sf e m ，w eh a v es t u d i e dt h e e l e c t r o m a g n e t i cf o r c ew h i c ht h es a m p l eb e a r e d i nd i f f e r e n th e l m h o l t zc o i lf o rd i f f e r e n td e n s i t i e ss a m p l e s ，d i f f e r e n ta m p e r e t u m se t a 1b y c o n t r o l l m gv a r i a b l ei nt h ee s t a b l i s h e de x p e r i m e n t a lm o d e l a n do b t a i n e dt h el a wo ft h e m a g n e t i cf o r c ec h a n g e dw i t ht h es t r u c t u r eo ft h eh e l m h o l t z c o i l s ，d e n s i t i e so ft h es 锄p l e sa n d a m p e r e - t u m se ta 1 b a s i so no u rs t u d i e s ，w ep r o p o s e dan e wm e t h o do f p u l l i n gs t r e s s ，a n d p r o s p e c tt h ea p p l i c a t i o no ft h i sn e wm e t h o d k e yw o r d s ：a n s y sf i n i t e de l e m e n tm e t h o d g r a n u l a rs o i l m i n e r a l - l i k em a t e r i a l ss i m u l a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cl o a d i n gm e t h o d u n i f o r mg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d h e l m h o l t zc o i l t h e s i s ：t h e o r ys t u d y 姿料技太肇 学位论文独创性说明 y9 2 3 0 0 z , 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名矗印乳日期：如厶鹤 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名老囱泰 指导教师 学位论文作者签名以，相i k指导教师 矿确 劳日 1 绪论 1 绪论 1 1 相似材料模拟怒一种重要的研究方法 我国7 0 以上的能源来自煤炭，这种能源结构特征在相当长的时期不会有大的变化。 2 0 0 4 冬，我国潆炭产爨已这到1 9 + 5 亿遗。裰据专家蓣溅，为保证我餮国琵经济匏蚕常 发展，2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的原煤产基及占一次性能源的比重分别是2 1 亿吨、2 6 2 8 亿吨 及6 8 ，5 0 左右。可见，煤炭资源的合理开采利用事关国计民生h j 。 翳羲我国煤炭行蹙存在瓣逮题缀多，主要有： 击安全隐患大，事故率高。 o 开采中的采出率低，资源浪费。 6 繇壤l 弋羚大，造成严重豹琢壤跛坟吲。 所有这些，都要求加强采矿工程中的科学研究，增加开采中的科技含最。相似材料 禳叛试验自1 9 3 7 年在前苏联全苏矿山测量科学研究院首次应用于研究岩层与地表移动 淹逐以来，作为塞内磷究懿一融耋要手段，它具有獗究耀期短、残本低、镶暴形象壹褒 簿优点，特别是能对影响因素进行重复分析，已被广泛应用于矿山开采规律研究中，与 实施测量和理论研究稽结合，对攒导矿山开采发挥了重要的作用。醋前，该方法已被许 多毫等院校和科职院聪广泛的采爆，并在实黢中证实了它数可圣亍性期重要性。 相似模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象存在的相似 和类 眭等穗征来研究自然规律的一稃方法。它特嗣逶角予那些难以蠲理论分析的方法获 取研究成果的领域，尉时也是一耪用于对理论研究结果谶行分板和比较的有效手段p l 。 模拟研究有两种类型：比例增大的系统和比例缩小的系统。在矿山科研中，研究对 象懿尺寸缀大，逶常采瘸第二释类型，瞧就蹩减小掰究对象静绝对尺寸。刍然，穰型上 也不需要模拟原型的所有细节，需要模拟的是原型中最主要的和研究过程中最本质的特 征，而对实验结果没有影响戚影响相当小而殿不产生蝴蝶效应的因素可以不完全模拟 【4 删。 如何选择相似材料与制作相似模型，才能使模趔和原型之问满足相似条件悬相似本垂 料模拟实验技术中的非常重溪而又相当复杂的问题。这一问题的解决，主爱取决于以下 几个方瑟：耀经誊| 籽聚瓣赘选择；楣 矬奉孝料酝跑静麓定：糖铰謇孝辩密凄懿控制；程 鑫孝才 料的莽护，也就是温度、湿度、时间的控制；相似材料模型的设计；相似材料模型制作； 相似材料模型物理力学性质的确定；试验设备( 试验台) 的设计。 袁提 蛙接睾毒酝毙中，缀多配毙方案孛帮毽含铁残铁矿五成分，本文将针对这类瓣睾毒 的力学特性进行研究1 3 】。 1 西安辩鼓大学磋士学位论文 1 2 散粒体在相似材料模拟中的应用 许多由大量大致同样的单个颗粒所组成的物体( 砂土、砾石土、碎煤、水泥及冀它 粒妖藕粉状静毒芎耩) ，按镌瑷往震它髓分子固体稻液体之闻酌中闯状态，被称筠敬藏体 或简称散体。 散粒体与固体所不同的是：前者颗粒具有流动性，仅在一定的范围内能保持其形状， 其有瓣挡护覆产釜压力静缝餍。羝撬剪窃力兹憨力取决予俸群豹基力。液体与敬粒体所 不同的是：前者分子具有更大的流动性，没有固定的形状，抵抗剪切力的能力更小。 敝粒体颗粒的材料、大小和形状可以是阊样的藏不问样的。颗敉之间的间隙称为孔 藩，獒中霹装由空气、东或菜穆黢结蘩蔟繇壤充，掰戬，大多数类钕静教粒俸獒骞内聚 力，出此，能够有微弱的抵抗拉力的能力1 7 1 。 矿山相似材料模拟中，嫒常硝的材料就魑以砂子、铁粉、石膏、云母等材料配比而 残戆，著虽沙予郡选爨豹是鬏粒搀匀懿。鼓羧嚣餐矿由爨力耄点室躜箨戆试验来看，大 多数都采用了上述材料。配比好的材料旗有一定的流动性，所以经常会在拆架的时候发 生模型坍塌。从散粒体的定义和我们所实际应用的相似材料类比，我们可以看出：在矿 山提似耪孳莲摸拟孛历瘸的大部分糖料，实际上裁是露糕聚力款数粒钵 9 1 。 l - 3 图内羚敖粒体辑交的篷余翻存在的阚题 在1 7 世纪，与建筑积城陵阚题有关的教粒体力学开始萌芽。农这令氆纪寒，发表 了第一批关于散粒体力学方丽的研究成果。这些研究的目的是确定填料对挡墙产生的压 力。m 彪而歹 j ( 1 6 9 1 年) 静著作是这方面的第一批著作之一。箕中采甭了这样的假定： 当墙发生潜动的时候，菜部分数垃体是浍罄通过媸后下缘的囊然边坡露游动瓣。虽然 这种假定有明显的错谈，但方法本身却包含了合理的想法，包括关于墙的滑动，关于某 一部分散粒谇豹滑动和关于淆动平蟊等。 从十九世纪中期开始，隧着建筑技术、水利工程和公路工程等的发震，教敝体力学 的研究进入了飞速发展时期。这时候的研究主要集中在如下几个领域： l 、挡主墙、谷仓、尾矿淮溪等的瑟力闯题 2 、地爨埋深问题 3 、边城稳定性问题 掰形戏懿理论舂教粒体豹投袋平餐理论、教粒体囊力学瑾论黎接触瑾论。箕中蓊两 种理论是把数粒体看作为整体，以便在计算中正确地利用应力概念、平衡微分方程式和 变形连续条件。雨接触理论则是研究散粒体各个颗粒的结构及静力学方法对散粒体的应 嗣，擐寒臻定对教粒俸产生瓣压力和鼗粒俸交形之淹瓣关系。 但是同地学中的很多学科一样，迄今为止一直没有比较完蒋的理论。这主要是因为； 2 l 绪论 影嫡敬粒钵力学往凌豹嚣素缀多，懿颗粒静形状、尺寸、藐陈度、颓粒表面静糖糙浚、 颗粒的细观排列形式及接触形态等。由于以上参数的复杂、多样性，使雩导数粒体的力学 特性麓异狠大。散粒体力学胸研究，多数沿用岩土的连续介质理论，这本身就与散粒体 豹基本性痰程浮。贯乡 ，嚣翦对联粒理论计算公式中所含豹教粒钵力学捂定篷豹确定还 没有十分彤靠的实验方法1 7 “j 。 在近几十年来，描述散粒体力学特性的本构模型的研究有了很大的进展。在散体材 辩宏凝本构关系豹硬究孛弓| 入各释各样熬概念，翔双矮缀瑟、逸赛甏、各离异镶匏硬纯 规则、内蕴时间等等。近十多年来，还出现了以本构方程的张屣函数表示理论为框架的 亚弹性、亚塑性模型来描述散粒体的力学特饿。另外还商一些散粒体的细观力学研究， 有助予我们对教粒体交形撬淫懿深入瑾辫。尽管这些模羹戆形式差辩较大，毽冀主要嚣 的都是为了反映散粒体的主疆力学特性，如非线性、非弹性、剪胀性、硬化与软化特性 等。对有关文献的分析表明：散粒体的临界状态是散粒体的一个重要特征，常被引入副 本梭模型鳇研究孛；瞧器状态最先是由c a s a g r a d e ( 1 9 3 6 年) 提出，然轰蠹r o s c o e 等在1 9 5 8 年所发展，并联系到本构模型中。对散粒体临界状态下的变形或流动规律的研究与探讨， 有重要的理论意义和实际意义，它是散粒体临界状态理论的扩展，也是散粒体本构模疆 研究的内容之一。同时，峨爨状惑是教牲体驰一秽极限状态，它可佟为数粒俸黪一秘变 形关系，补充到极限平衡的分析中【lo j 。 1 4 散粒体试件应力应变的测试方法 l 。4 1 光学应变测量系统的研究现状 髓羞科学技术的不断发展，测量技术也随黄掰的物理原理、薪的技术成就的不断弓l 入而获得长足发殿。对机械摄的测量也由过去的机械式测量发展为光学式测量。 l 、工爨显徽镜法 试件在受力后将发生变形，为了研究变形大小。可以采用网格分柝法，即邋过研究 网格( 通常鼹圆形网格或者方形网格) 在变形前后几何量的变化，来确定试件的变形情况。 逐两确定试幸孛戆实际或力分布，疑瑟遴幸亍芏艺分析、对鸯陵元仿真模毅进行验程等。实 验室最常用的做法就是通过工具显微镜，测量圆形阚格变形前后直径的变化，来计算主 应变。 秘嚣l 。l 赝示，在使用读数显微缓对瀵 孛上掰菇疲交片上的撩鑫鼹格送 亍溅羹对，要 将试件位置调整到网格线最清晰为止，并要求视线骓直于被测椭圆的长轴戴短轴，同时 显微镜上的剡线也要垂直于被测椭圆的长轴或短轴并与被测椭圆的外边缘相切( 注意每 次提甥的状况要一致) 。整是技测糖瑟款长辘狂短袈| 实球上是令弧形，光学仪器耩测数 据是其投影长度。因两者相差甚微，故以投影长度代替真实长度。 1 西安葶辛技大学磺士学位论交 图1 1 工具显徽镜的使用方法 凌建可见，使翅工其显激镱进行测量诗癸痘变，嚣爨一定懿王作环境，速度馒，效 率低。 与此类似，在测量中广泛应用的全站仪在相似材料模拟实验中也应用广泛。西安料 技大学盔永乎漾题缝主持宠或懿菜辫天矿逮玻采动影稍试验孛蓉疲蕉过该纹器，取褥了 比较好的测量效果。但也存在一些缺点，主要有测量速度慢，人眼引起的测量误差比较 大等。 2 、二维静光学溺量软件 这些软件和系统主要用于金属魍性加工行业当中的应变应力测量，目前国内外均有 类似敕戏熬技术。其主要愿理如下； 二维的光学测量软件通过测量板材上印制的圆形阏格几何量的变化，谶而计算应变 值，绘制出成形极限曲线。这在一定程度上简化了计算分析的过程，提高了精度。与此同 对困该软 孛是皋矮一个c c d 透学霆像熬接挺，i 邈过程孛攀譬c c d 穆在零 孛表嚣移交，黻 找到最清晰的网格进行测屠；每个测量过程只能选定一个网格，并且在捕捉图像的过程 中出予光线的缘故，捕捉图像的时间可能会k 较长，因此这就降低了测量的效率。 这释软俘茅疆毙学铡璧设备在矿由穗酝奉| 黼中有实璃价值。在矿由稳钕耪籽模掇中， 模型的应变很多情况下是通过测量予贞先布好的测点位移得到的。溅者通俗的说是通过测 量插在实验模黧上静大头铮的位移褥至l 的。妇粱旋用上述跟踪系绫，则有黧杰珏快测定遮 度，撬高测定精度。 3 、三维在线光学应变测量系统 运震蘧方法，嚣采麓一令或多令c c d 稳壤对受载状态下熬试孛进行溅繁。蓄先，将 试件的表面处瑷成随机的成规则的图案，这然图案会与试件一起变形。在不同加载情况 下，采用c c d 相机记录变形。图像处理的第一步是在初始状态的图像中定义许多宏观小 面片。然后，程翱载的各个除段，采瑶摄影测量技术精确逾计算滋试 牛表稀上的这些小 面片的三维坐标值。根据测量得到的3 d 坐标值，可以精确地计算出试件表面的三维位移、 应变秘形状，并且具有极赢的分辨率。计算结果可用图形匏方式摄示，荠霹输出为t i f t 4 藏j p e g 格式豹文件。勇矫，数据也能班用户定义静a s c i i 格式输出，戳供迸一步处理”“。 4 、光搬衍射法应变传感器 图1 2 表示利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光 褥藕附在试样的表面，当单傀准童光束溱壹入射到线性港穰( 4 0 l i n e r i m l ) 平稀上时， 照亮了光樱乎蟊上鲍一个点，两在平行予光栅乎面豹屡上可观察到一组衍射光掰。在网 1 2 中，激光束垂赢于试样表面入射到反射型衍射光栅上。对于高频衍射光栅只能观察 弼实际髑予应交测量酶圭1 衍射级盼衍射光束。这种衍= 鸯| 光束由难光稀l 静高分辨率敏 位探测器接收。当光栅跟随试样形变时，平面内的彤变积平面外沿光束入魁方向的位移 将引起衍射光束的移动。通过测量衍射光束移动的大小，根据特定公式就可以反推出试 件应瓷的大小。 试洋 图1 , 2 利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测缀原理 。4 。2 声学测量方法的研究琨跌 声学溅基强兹在壤学鞭域卷瓣戆毒援静，一静是声势测量，主要裂熙了声教瑟渡原 理。声表面波是英国物理学家瑞利在1 9 世纪8 0 年代在地震波研究过程中偶尔发现的一 种能餐集中于施表面传播的声波。在对声表面波的研究过程中，人们发现外界因索( 如温 度、愿力、磁场、电场等 对声表恧波豹捷撵特性会造成一定影睫，进恧识究了这些雒 界因索对声表面波传播影响关系。根据这些影响函数设计了一些所需结构，制成声表面波 传感器，用于铡羹一些化学的、秘理的被测参数。 西安科技太学硕士学位论史 声袈面渡器件本身楚无源静，加上声表面波在压电纂片表面传播，不涉及内部电子酌 迁移，抗干扰能力强。这使在一然电子线路无法工e 常工作的场合进行参数的测量成为可 憩。声袭覆渡测量系统豹工作频率楚蔫，无线涮爨静距鬻筵远，系绞匏嚣爨精凄也越嵩。 并且具有高精度、高灵敏度、易数字化、易大规模生产、低功耗和适用环境广等优点。 这秘测量方法基蓉在渥凝、链抒、鞋及冀宅连续瞧耪对较荮戆毒考瓣应力测藿孛取 得了比较好的效果【1 5 q ”。 另梦 一秘蹩声发冀量，这秘方法露声袭委波秘跑，主要是没鸯应霉声波发生器。瑟楚 通过研究采集到的围岩内部发生断裂等活动时产生的声波，分析其峰值、幅度、频率等 耀关参数，从恧摧叛出爨岩内部发生的活动。这秘方法在采矿镁域应用魄较多，衷】大 学唐春发教授，西安科技大学来兴平教授等在多篇文章中对声发射的机理、规律以及数 据处理等方面遴幸亍了详尽的论述 1 8 电8 1 。 1 5 本课题研究的内容和方法 对采矿领域而言，在相似材料模扳试验中，模叛静往往是艨状模型，岩层的弯曲交 形和断裂破坏是关键问蹶，这两点既是实验要得到的结论，又是对整个实验结粜产生重 大影嫡豹主要因素。耩强必须最大限度蠢亟保证者层抗弯强度和断裂强度豹稻议後。由车手 料力学w 知，这两个强度与抗挝强度密切相关p j 。 数糖薅懿抗往强度怒菲常微，j 、瑟，瓣蓠熬载掰强翡方法主癸有嚣荻法，套繇法，劈 裂法等。前两种是直接法，但是产生的力非常难以控制，因为散糍体的抗拉强度太小了， 掰敷攘多 主嚣下，蹋剐秀戆裁按叛了，逐没寒缮及读数藏者压投藏读不滋数，劳显容易 产生表面拉断。也就是力仅仅作用在了少数表面上的散体颗粒，而没有作用到模型本身。 矮考是粥的岩石力学量露的方法，本矮上进是一葶孛基于洋毪连续薅豹阉接方法，韪不黪 用于散糨体还值得商榷e 。 本文试图邋过研究一秘特殊的散粒体( 相似糕料模拟中经鬻用到的以铁力学料的增 加容重的相似材料) 来给出一种新的散较体抗于立强度测试方法。 磁铁能吸引铁屑的物理现象每个人都有亲身体验。焱物理学上，我们进一步认识至， 那是因为磁铁黥在其斌丽空间产生一个磁场，并且这种磁场是不均匀的，磁力线是闭合 的。在这种不均匀磁场中，铁屑就会受到磁场力的作用。同样，电磁铁如果产生的磁场 楚菲均匀的，氇会产生豢 敛现象。受这种现象窟发，我们如果将含铁葙似材料( 含铁散 粒体) 放入非均匀磁场中，相似材料中的铁颗粒必然受到力的作用，从而进一步挤压与 簇有接触点静冀它鬏粒( 如沙子，云母簿) ，产生一个籀囱教较体外部的拉力。运至l 了 给散粒体施加拉力的目的【3 l 】。 目睇，由矿耱学我们酝道，穰多矿戆霹棒憝够在 筠匀磁场中受力，并显邈在稳像 材料模拟中应用广泛，比如磁铁矿。所以，本文既论述了铁的情况，也论述了磁铁矿等 6 1 绪论 强磁怒矿镌豹祷嚣。著晨联透豹铁、磁铁矿赘添况是蓠誊稳遂豹，不菇逐注鞠器2 1 。 1 5 ，l 本课题的主要研究内容 综合以上分析，确定本课题的研究内容为： ( 1 ) 建立一耪瑟瑟鑫含铁毅越传皴或的试锋撬艇缎力豹壤谂摸墼 ( 2 ) 采用有限元电磁分析方法，在计算机内构建数字模型并进行康拟试验。 ( 3 ) 系统分析赝褥结果，憨结出农不同安匝数、不同含铁密度豹试傅、不屈线爨 结构下试件的受力情况 ( 4 ) 同现行文献中提供的落通散粒体抗挝强度进覃亍比对，确定这葶申方法所提供披 力的大小是否越以满足需求。 ( 5 ) 在理论分析的基础场，对这种方法可能具各的应用前景作初步的方案设计。 1 5 2 本课题的研究方法 穰瓣初步蘧论诗彝，要怒遮到合适豹蕊载效果，搿濡要的磁场是嚣常强豹。丽要建 造这样一个产生强均匀梯度磁场的线圈，需要的投资比较大，所以本文主要进行了数值 模叛。 7 1 绪论 1 绪论 1 1 相似材料模拟怒一种重要的研究方法 我国7 0 以上的能源来自煤炭，这种能源结构特征在相当长的时期不会有大的变化。 2 0 0 4 冬，我国潆炭产爨已这到1 9 + 5 亿遗。裰据专家蓣溅，为保证我餮国琵经济匏蚕常 发展，2 0 2 0 年、2 0 5 0 年的原煤产基及占一次性能源的比重分别是2 1 亿吨、2 6 2 8 亿吨 及6 8 ，5 0 左右。可见，煤炭资源的合理开采利用事关国计民生h j 。 翳羲我国煤炭行蹙存在瓣逮题缀多，主要有： 击安全隐患大，事故率高。 o 开采中的采出率低，资源浪费。 6 繇壤l 弋羚大，造成严重豹琢壤跛坟吲。 所有这些，都要求加强采矿工程中的科学研究，增加开采中的科技含最。相似材料 禳叛试验自1 9 3 7 年在前苏联全苏矿山测量科学研究院首次应用于研究岩层与地表移动 淹逐以来，作为塞内磷究懿一融耋要手段，它具有獗究耀期短、残本低、镶暴形象壹褒 簿优点，特别是能对影响因素进行重复分析，已被广泛应用于矿山开采规律研究中，与 实施测量和理论研究稽结合，对攒导矿山开采发挥了重要的作用。醋前，该方法已被许 多毫等院校和科职院聪广泛的采爆，并在实黢中证实了它数可圣亍性期重要性。 相似模拟试验是以相似理论为基础的模型试验技术，是利用事物或现象存在的相似 和类 眭等穗征来研究自然规律的一稃方法。它特嗣逶角予那些难以蠲理论分析的方法获 取研究成果的领域，尉时也是一耪用于对理论研究结果谶行分板和比较的有效手段p l 。 模拟研究有两种类型：比例增大的系统和比例缩小的系统。在矿山科研中，研究对 象懿尺寸缀大，逶常采瘸第二释类型，瞧就蹩减小掰究对象静绝对尺寸。刍然，穰型上 也不需要模拟原型的所有细节，需要模拟的是原型中最主要的和研究过程中最本质的特 征，而对实验结果没有影响戚影响相当小而殿不产生蝴蝶效应的因素可以不完全模拟 【4 删。 如何选择相似材料与制作相似模型，才能使模趔和原型之问满足相似条件悬相似本垂 料模拟实验技术中的非常重溪而又相当复杂的问题。这一问题的解决，主爱取决于以下 几个方瑟：耀经誊| 籽聚瓣赘选择；楣 矬奉孝料酝跑静麓定：糖铰謇孝辩密凄懿控制；程 鑫孝才 料的莽护，也就是温度、湿度、时间的控制；相似材料模型的设计；相似材料模型制作； 相似材料模型物理力学性质的确定；试验设备( 试验台) 的设计。 袁提 蛙接睾毒酝毙中，缀多配毙方案孛帮毽含铁残铁矿五成分，本文将针对这类瓣睾毒 的力学特性进行研究1 3 】。 1 西安辩鼓大学磋士学位论文 1 2 散粒体在相似材料模拟中的应用 许多由大量大致同样的单个颗粒所组成的物体( 砂土、砾石土、碎煤、水泥及冀它 粒妖藕粉状静毒芎耩) ，按镌瑷往震它髓分子固体稻液体之闻酌中闯状态，被称筠敬藏体 或简称散体。 散粒体与固体所不同的是：前者颗粒具有流动性，仅在一定的范围内能保持其形状， 其有瓣挡护覆产釜压力静缝餍。羝撬剪窃力兹憨力取决予俸群豹基力。液体与敬粒体所 不同的是：前者分子具有更大的流动性，没有固定的形状，抵抗剪切力的能力更小。 敝粒体颗粒的材料、大小和形状可以是阊样的藏不问样的。颗敉之间的间隙称为孔 藩，獒中霹装由空气、东或菜穆黢结蘩蔟繇壤充，掰戬，大多数类钕静教粒俸獒骞内聚 力，出此，能够有微弱的抵抗拉力的能力1 7 1 。 矿山相似材料模拟中，嫒常硝的材料就魑以砂子、铁粉、石膏、云母等材料配比而 残戆，著虽沙予郡选爨豹是鬏粒搀匀懿。鼓羧嚣餐矿由爨力耄点室躜箨戆试验来看，大 多数都采用了上述材料。配比好的材料旗有一定的流动性，所以经常会在拆架的时候发 生模型坍塌。从散粒体的定义和我们所实际应用的相似材料类比，我们可以看出：在矿 山提似耪孳莲摸拟孛历瘸的大部分糖料，实际上裁是露糕聚力款数粒钵 9 1 。 l - 3 图内羚敖粒体辑交的篷余翻存在的阚题 在1 7 世纪，与建筑积城陵阚题有关的教粒体力学开始萌芽。农这令氆纪寒，发表 了第一批关于散粒体力学方丽的研究成果。这些研究的目的是确定填料对挡墙产生的压 力。m 彪而歹 j ( 1 6 9 1 年) 静著作是这方面的第一批著作之一。箕中采甭了这样的假定： 当墙发生潜动的时候，菜部分数垃体是浍罄通过媸后下缘的囊然边坡露游动瓣。虽然 这种假定有明显的错谈，但方法本身却包含了合理的想法，包括关于墙的滑动，关于某 一部分散粒谇豹滑动和关于淆动平蟊等。 从十九世纪中期开始，隧着建筑技术、水利工程和公路工程等的发震，教敝体力学 的研究进入了飞速发展时期。这时候的研究主要集中在如下几个领域： l 、挡主墙、谷仓、尾矿淮溪等的瑟力闯题 2 、地爨埋深问题 3 、边城稳定性问题 掰形戏懿理论舂教粒体豹投袋平餐理论、教粒体囊力学瑾论黎接触瑾论。箕中蓊两 种理论是把数粒体看作为整体，以便在计算中正确地利用应力概念、平衡微分方程式和 变形连续条件。雨接触理论则是研究散粒体各个颗粒的结构及静力学方法对散粒体的应 嗣，擐寒臻定对教粒俸产生瓣压力和鼗粒俸交形之淹瓣关系。 但是同地学中的很多学科一样，迄今为止一直没有比较完蒋的理论。这主要是因为； 2 l 绪论 影嫡敬粒钵力学往凌豹嚣素缀多，懿颗粒静形状、尺寸、藐陈度、颓粒表面静糖糙浚、 颗粒的细观排列形式及接触形态等。由于以上参数的复杂、多样性，使雩导数粒体的力学 特性麓异狠大。散粒体力学胸研究，多数沿用岩土的连续介质理论，这本身就与散粒体 豹基本性痰程浮。贯乡 ，嚣翦对联粒理论计算公式中所含豹教粒钵力学捂定篷豹确定还 没有十分彤靠的实验方法1 7 “j 。 在近几十年来，描述散粒体力学特性的本构模型的研究有了很大的进展。在散体材 辩宏凝本构关系豹硬究孛弓| 入各释各样熬概念，翔双矮缀瑟、逸赛甏、各离异镶匏硬纯 规则、内蕴时间等等。近十多年来，还出现了以本构方程的张屣函数表示理论为框架的 亚弹性、亚塑性模型来描述散粒体的力学特饿。另外还商一些散粒体的细观力学研究， 有助予我们对教粒体交形撬淫懿深入瑾辫。尽管这些模羹戆形式差辩较大，毽冀主要嚣 的都是为了反映散粒体的主疆力学特性，如非线性、非弹性、剪胀性、硬化与软化特性 等。对有关文献的分析表明：散粒体的临界状态是散粒体的一个重要特征，常被引入副 本梭模型鳇研究孛；瞧器状态最先是由c a s a g r a d e ( 1 9 3 6 年) 提出，然轰蠹r o s c o e 等在1 9 5 8 年所发展，并联系到本构模型中。对散粒体临界状态下的变形或流动规律的研究与探讨， 有重要的理论意义和实际意义，它是散粒体临界状态理论的扩展，也是散粒体本构模疆 研究的内容之一。同时，峨爨状惑是教牲体驰一秽极限状态，它可佟为数粒俸黪一秘变 形关系，补充到极限平衡的分析中【lo j 。 1 4 散粒体试件应力应变的测试方法 l 。4 1 光学应变测量系统的研究现状 髓羞科学技术的不断发展，测量技术也随黄掰的物理原理、薪的技术成就的不断弓l 入而获得长足发殿。对机械摄的测量也由过去的机械式测量发展为光学式测量。 l 、工爨显徽镜法 试件在受力后将发生变形，为了研究变形大小。可以采用网格分柝法，即邋过研究 网格( 通常鼹圆形网格或者方形网格) 在变形前后几何量的变化，来确定试件的变形情况。 逐两确定试幸孛戆实际或力分布，疑瑟遴幸亍芏艺分析、对鸯陵元仿真模毅进行验程等。实 验室最常用的做法就是通过工具显微镜，测量圆形阚格变形前后直径的变化，来计算主 应变。 秘嚣l 。l 赝示，在使用读数显微缓对瀵 孛上掰菇疲交片上的撩鑫鼹格送 亍溅羹对，要 将试件位置调整到网格线最清晰为止，并要求视线骓直于被测椭圆的长轴戴短轴，同时 显微镜上的剡线也要垂直于被测椭圆的长轴或短轴并与被测椭圆的外边缘相切( 注意每 次提甥的状况要一致) 。整是技测糖瑟款长辘狂短袈| 实球上是令弧形，光学仪器耩测数 据是其投影长度。因两者相差甚微，故以投影长度代替真实长度。 1 藏j p e g 格式豹文件。勇矫，数据也能班用户定义静a s c i i 格式输出，戳供迸一步处理”“。 4 、光搬衍射法应变传感器 图1 2 表示利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光 褥藕附在试样的表面，当单傀准童光束溱壹入射到线性港穰( 4 0 l i n e r i m l ) 平稀上时， 照亮了光樱乎蟊上鲍一个点，两在平行予光栅乎面豹屡上可观察到一组衍射光掰。在网 1 2 中，激光束垂赢于试样表面入射到反射型衍射光栅上。对于高频衍射光栅只能观察 弼实际髑予应交测量酶圭1 衍射级盼衍射光束。这种衍= 鸯| 光束由难光稀l 静高分辨率敏 位探测器接收。当光栅跟随试样形变时，平面内的彤变积平面外沿光束入魁方向的位移 将引起衍射光束的移动。通过测量衍射光束移动的大小，根据特定公式就可以反推出试 件应瓷的大小。 试洋 图1 , 2 利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测缀原理 。4 。2 声学测量方法的研究琨跌 声学溅基强兹在壤学鞭域卷瓣戆毒援静，一静是声势测量，主要裂熙了声教瑟渡原 理。声表面波是英国物理学家瑞利在1 9 世纪8 0 年代在地震波研究过程中偶尔发现的一 种能餐集中于施表面传播的声波。在对声表面波的研究过程中，人们发现外界因索( 如温 度、愿力、磁场、电场等 对声表恧波豹捷撵特性会造成一定影睫，进恧识究了这些雒 界因索对声表面波传播影响关系。根据这些影响函数设计了一些所需结构，制成声表面波 传感器，用于铡羹一些化学的、秘理的被测参数。 西安科技太学硕士学位论史 声袈面渡器件本身楚无源静，加上声表面波在压电纂片表面传播，不涉及内部电子酌 迁移，抗干扰能力强。这使在一然电子线路无法工e 常工作的场合进行参数的测量成为可 憩。声袭覆渡测量系统豹工作频率楚蔫，无线涮爨静距鬻筵远，系绞匏嚣爨精凄也越嵩。 并且具有高精度、高灵敏度、易数字化、易大规模生产、低功耗和适用环境广等优点。 这秘测量方法基蓉在渥凝、链抒、鞋及冀宅连续瞧耪对较荮戆毒考瓣应力测藿孛取 得了比较好的效果【1 5 q ”。 另梦 一秘蹩声发冀量，这秘方法露声袭委波秘跑，主要是没鸯应霉声波发生器。瑟楚 通过研究采集到的围岩内部发生断裂等活动时产生的声波，分析其峰值、幅度、频率等 耀关参数，从恧摧叛出爨岩内部发生的活动。这秘方法在采矿镁域应用魄较多，衷】大 学唐春发教授，西安科技大学来兴平教授等在多篇文章中对声发射的机理、规律以及数 据处理等方面遴幸亍了详尽的论述 1 8 电8 1 。 1 5 本课题研究的内容和方法 对采矿领域而言，在相似材料模扳试验中，模叛静往往是艨状模型，岩层的弯曲交 形和断裂破坏是关键问蹶，这两点既是实验要得到的结论，又是对整个实验结粜产生重 大影嫡豹主要因素。耩强必须最大限度蠢亟保证者层抗弯强度和断裂强度豹稻议後。由车手 料力学w 知，这两个强度与抗挝强度密切相关p j 。 数糖薅懿抗往强度怒菲常微，j 、瑟，瓣蓠熬载掰强翡方法主癸有嚣荻法，套繇法，劈 裂法等。前两种是直接法，但是产生的力非常难以