一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置及方法，其中裝置包括壓力箱體以及設置在壓力箱體內(nèi)的載物槽，在壓力箱體上設置有氣閥，在壓力箱體內(nèi)還設置有一加載架，載物槽設置在加載架內(nèi)，在加載架上端設置有一與電機動力裝置連接的在加載架上升降的沖擊裝置，在沖擊裝置的下端連接有一可作用在載物槽內(nèi)的沖擊物，在沖擊物上設置一測速傳感器；在載物槽的底面和側面設置有壓力傳感器，在加載架上設置有視頻采集儀和粒子動態(tài)掃描儀；在所述的加載架上還設置有止動塊，該止動塊位于所述加載裝置的正下方。本發(fā)明裝置能夠很好地測量沖擊過程中液體流-固轉化的臨街速度，并可對不同配方進行評價，對配比進行最優(yōu)化。
【專利說明】一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置及其方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明是能通過沖擊試驗對顆粒物質固-液轉化過程中基本力學行為進行研宄，了解固-液轉化過程中剪切流動與擠壓流動的作用貢獻率，揭示固-液轉化的內(nèi)在機理，從而為實際工程應用提供指導，因而廣泛應用于化工、紡織、交通、土建、醫(yī)療、國防等諸多【技術領域】。

【背景技術】
[0002]顆粒物質固-液相態(tài)間的轉化現(xiàn)象廣泛存在于工程地質、自然環(huán)境，工業(yè)生產(chǎn)和國防建設等諸多領域，其力學特性在相態(tài)轉化過程中會發(fā)生很大的變化，是目前顆粒物質力學研宄的熱點和難點。顆粒物質的固-液轉化過程可大體分為兩種，即阻塞與流動狀態(tài)的轉化，以及在流動過程中類固態(tài)與類液態(tài)力學行為的轉化。在剪切增稠液體中，這種現(xiàn)象尤其常見。
[0003]軍事上最新的科技成果“液體防彈衣”最能說明這種原理。英國科學家利用被戲稱為“防彈奶蛋糊”的物質，已經(jīng)制成一種液體防護衣，這種防護衣在受壓后會自動變硬，吸收撞擊在它表面的彈片產(chǎn)生的沖擊力。研宄人員把他們推導出來的一個秘密化學公式與傳統(tǒng)的凱芙拉纖維結合，制成這種“超級護甲”。當這種衣物的粘性物質與傳統(tǒng)的凱芙拉纖維粘貼在一起，可以吸收子彈產(chǎn)生的沖擊力，并通過變稠，對撞擊做出反應。他們希望利用這種物質，為前線的士兵制作更輕、韌性更好和更有效的防護背心。專家之所以會將這種液體稱作“防彈奶蛋糊”，是因為它的分子的結合方式和“變稠”方式，跟攪拌中的甜點奶蛋糊一樣。湯匙攪拌奶蛋糊時，會感覺湯匙受到阻力。當液體防護衣里的液體成分結合在一起時，也會感到明顯的阻力。攪拌的越快，奶蛋糊變地就越硬，因此當子彈高速撞上該材料時，它會迅速變硬，吸收因撞擊產(chǎn)生的沖擊力?！币后w防彈衣是由特殊液體制作而成的新型液體盔甲。該液體在受到子彈沖擊時會變硬從而起到阻擋子彈的作用。既能為士兵提供有效保護，同時又能保證他們自由靈活地運動，不再受到笨重的傳統(tǒng)防彈衣的限制。
[0004]現(xiàn)在還沒有一套實驗裝置能夠很好地用于測量沖擊過程中液體流-固轉化過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，而提供能夠很好地測量沖擊過程中液體流-固轉化的裝置和方法。
[0006]為解決現(xiàn)存技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置，包括壓力箱體以及設置在壓力箱體內(nèi)的載物槽，在所述的壓力箱體上設置有氣閥，其特征在于:在所述的壓力箱體內(nèi)還設置有一加載架，所述的載物槽設置在所述的加載架內(nèi)，在所述的加載架上端設置有一與電機動力裝置連接的在所述加載架上升降的沖擊裝置，在所述的沖擊裝置的下端連接有一可作用在所述載物槽內(nèi)的沖擊物，在所述沖擊物上設置一測速傳感器；在所述載物槽的底面和側面設置有壓力傳感器，在所述加載架上設置有視頻采集儀和粒子動態(tài)掃描儀，所述視頻采集儀和粒子動態(tài)掃描儀位于所述載物槽的沖擊液體表面之上；在所述的加載架上還設置有止動塊，該止動塊位于所述加載裝置的正下方。
[0008]所述的電機動力裝置包括電機以及與所述電機輸出軸連接的齒輪，在所述的沖擊裝置右側有齒槽，該齒槽與所述齒輪相接。
[0009]所述的沖擊物上端螺紋連接有一沖擊物底座，所述的測速傳感器設置在沖擊物底座內(nèi)。
[0010]所述沖擊物底座與沖擊裝置底座通過電磁鐵依靠磁力連接。
[0011]在所述的載物槽內(nèi)設置有振動棒。
[0012]所述的沖擊物下端面為球面或平面。
[0013]所述的平面為正方形或長方形。
[0014]本發(fā)明用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的方法，其特征在于包括以下步驟:
[0015]第一步、將壓力傳感器、測速傳感器、視頻采集儀、粒子動態(tài)掃描儀和電動機分別與電腦連接；
[0016]第二步、配置具有標記材料的顆粒懸浮液，裝入載物槽，并將載物槽放置于加載架下部的儲物室；
[0017]第三步、將沖擊裝置調(diào)節(jié)至初始位置，并將沖擊物連接在沖擊裝置下端；
[0018]第四步、整個沖擊裝置放置于壓力箱體內(nèi)，密封好壓力箱體，調(diào)節(jié)壓力箱體內(nèi)部壓強到需要大小；
[0019]第五步、通過電腦設定電動機轉速與轉數(shù)，以使其驅動沖擊裝置以一定速度或加速度向下沖擊，并在下降到達止降高度后沖擊裝置停止運動，通過電磁鐵使沖擊物從沖擊裝置上脫離并作用在載物槽內(nèi)的顆粒懸浮液表面；
[0020]第六步、沖擊物沖擊液體物料表面時，獲取載物槽底面和側面壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)、視頻采集儀記錄沖擊過程中物料表面形狀變化數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)掃描儀實時掃描物料內(nèi)部各個特征點處標記材料的特征粒子的運動形態(tài)、運動路徑及分布數(shù)據(jù)；
[0021]第七步、通過視頻采集儀采集到的視頻畫面確定懸浮液在不同沖擊物速度下液面的下降距離并作圖，圖中的第一轉折點對應速度為此種配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度。
[0022]通過對載物槽側面和底面壓力傳感器數(shù)據(jù)的分析，能夠得知顆粒懸浮液對沖擊物的支持力的作用是來源于懸浮液內(nèi)部顆粒流固轉化形成硬核，還是懸浮液顆粒將沖擊力傳遞到邊界上。如果瞬間沖擊前載物槽側面壓力傳感器數(shù)據(jù)無變化，則說明顆粒懸浮液對沖擊物的支持力的作用來源于懸浮液內(nèi)部顆粒流固轉化形成硬核；
[0023]借助掃描儀掃描到的顆粒運動情況，能夠得知懸浮液瞬間沖擊固化時的內(nèi)部顆粒作用機理。尤其能夠展示出沖擊物慢速沖擊時懸浮液顆粒是否存在聚集-突破現(xiàn)象。
[0024]通過視頻畫面的記錄能夠算出懸浮液液面下降距離。當懸浮液配方一定時，隨著沖擊物速度的線性增大，液面凹陷深度增大。隨著沖擊物速度的持續(xù)增大，液面凹陷深度將出現(xiàn)轉折，產(chǎn)生減小趨勢。而當沖擊物速度增大到一定程度后，懸浮液液面凹陷深度再次轉折，變的非常小且不再隨沖擊物沖擊速度變化。也就意味著在第一轉折點對應速度為此種配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度，而在第二轉折點對應速度時，此種配方下顆粒懸浮液完全表現(xiàn)出固體性質。對特定配方顆粒懸浮液臨界沖擊速度的研宄即是探宄顆粒物質流固轉化的關鍵所在。
[0025]將不同材料的顆粒和液體按照不同的組份進行配比后形成不用的待測顆粒懸浮液，并通過本發(fā)明的測量裝置對不同的顆粒懸浮液的性能進行測試，從而得到材料在沖擊時液體流-固轉化過程中不同配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度，并找出最佳的配比及顆粒添加物；同時可對不同配方進行評價，對配比進行最優(yōu)化。
[0026]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0027]1、設計出了多種不同尺寸、不同形狀的沖擊物，速度控制裝置為可精確調(diào)節(jié)與控制的電動機，可以準確控制沖擊物向下沖擊時的速度、加速度，最大可能地滿足了模擬實際存在的沖擊現(xiàn)象的要求；
[0028]2、沖擊試驗中應用了多種傳感器，從不同方面、不同角度采集信息，加入了更多的科技元素，簡化了信息處理的方式，提高了信息處理的速度，并且極大地減小了信息采集與處理過程中產(chǎn)生的誤差；
[0029]3、載物槽中創(chuàng)新性的加入了振動裝置，讓更多尺度上研宄流-固轉化成為可能，能夠解決工程難題；
[0030]4、外部的壓力箱具有正負兩種壓力工作狀態(tài)，可以模擬材料在海底或太空中的工作狀態(tài)，擴大了本裝置與方法的應用領域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明測量裝置的結構示意圖；
[0032]圖2為沖擊裝置與沖擊物連接結構示意圖；
[0033]圖3為電機驅動的齒輪與沖擊裝置結合部位結構示意圖；
[0034]圖4為球型底面的沖擊物的結構示意圖；
[0035]圖5為正方形底面的沖擊物的結構示意圖；
[0036]圖6為長方形底面的沖擊物的結構示意圖。
[0037]其中，1、壓力箱蓋；2、壓力箱體；3、氣閥；4、加載架；5、支撐滑道；6、電機動力裝置；7、載物槽；8、壓力傳感器；9、粒子動態(tài)掃描儀；10、高頻視頻采集儀；11、沖擊液體表面；12、振動棒；13、止動塊；14、沖擊裝置；15、橡膠墊；16、電磁鐵；17、沖擊物；18、沖擊裝置側面齒槽；19、齒輪；20、沖擊物底座；21、不同形狀沖擊物；22、測速傳感器。

【具體實施方式】
[0038]下面結合附圖，對本發(fā)明作詳細說明。
[0039]如圖1所示，一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置，包括壓力箱體、加載架、沖擊裝置、電機動力裝置、各種傳感器、電磁鐵，不同形狀沖擊物、載物槽。傳感器包括高頻視頻采集儀10，粒子動態(tài)掃描儀9，壓力傳感器8和測速傳感器22。
[0040]所述的壓力箱體2與蓋子I閉合之后可密封，其上有氣閥3，可通過空氣壓縮機向箱體內(nèi)部充氣或抽氣，來達到加壓或減壓。
[0041]所述的沖擊裝置14右側有齒槽18，與電機的齒輪19相接；電機動力裝置6作為整套儀器的施力裝置，其主動齒輪19通過與齒槽18咬合帶動沖擊裝置14升降；高頻視頻采集儀10，粒子動態(tài)掃描儀9，壓力傳感器8和測速傳感器22均可通過有線/無線與電腦相連，其中高頻視頻采集儀10可以記錄沖擊過程中物料表面形態(tài)變化，粒子動態(tài)掃描儀9能夠實時掃描物料內(nèi)部各個特征點處用特殊材料標記過的特征粒子的運動形態(tài)、運動路徑及分布情況，壓力傳感器8可以實時觀測相應位置處的壓力，測速傳感器22可以觀測沖擊物運動速度及加速度；所述的載物槽7的槽底和四周壁上鑲嵌有壓力傳感器8。
[0042]所述的外部壓力箱體蓋子I有氣閥3，在需要向內(nèi)充氣或向外吸氣時可打開，完成工作后關閉氣閥3，以保持箱體2內(nèi)壓強穩(wěn)定；所述的壓力箱體2上部是蓋子I可打開，打開后可將整個沖擊裝置至于其內(nèi)部；沖擊物21可以是不同形狀，包括具有球面的底部和正方形平面以及長方形平面的底部，見圖4、圖5和圖6所示。沖擊物21底部有螺紋，通過螺栓與沖擊物底座20相連接，沖擊物底座中空，內(nèi)部置有測速傳感器22 ;所述的沖擊物底座20與沖擊裝置14底座通過電磁鐵16依靠磁力連接；所述的沖擊裝置14帶動沖擊物17向下運動，當沖擊裝置14最下部碰觸到止動塊13時，沖擊裝置14停止運動，電磁鐵16線路斷開，沖擊物17脫離沖擊裝置14自由向下沖擊。
[0043]本發(fā)明裝置的使用方法如下:
[0044]第一步、將各個傳感器和電動機與電腦連接，開啟各個傳感器和電動機，并調(diào)節(jié)至正常工作狀態(tài)；
[0045]第二步、配置物料:將不同顆粒組分的剪切增稠液體材料(液體內(nèi)的顆粒材料可以包括任何類型，一個或任何多個塑料或聚合物粒子的組合，小的、單個的固體顆?；蚬任?，咖啡澄、玉米淀粉、磨砂玻璃、沙子、大米、鋸末、碎堅果殼，燕麥，燕麥片，金屬顆粒，干燥的玉米表皮、鹽、種子、地面橡膠、巖石，和其他已知的材料的顆粒)裝入載物槽，并將載物槽穩(wěn)妥的放置于加載架下部的儲物室；
[0046]第三步、將沖擊裝置調(diào)節(jié)至初始位置，并將沖擊物連接在沖擊裝置下端；
[0047]第四步、整個沖擊裝置放置于壓力箱體內(nèi)，蓋好蓋子，調(diào)節(jié)內(nèi)部壓強到需要大小；
[0048]第五步、通過電腦設定電動機轉速與轉數(shù)，以使其驅動沖擊裝置以一定速度或加速度向下沖擊，并在下降到達止降高度后停止運動；
[0049]第六步、沖擊物沖擊液體物料表面時，獲取載物槽底面和側面壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)、視頻采集儀記錄沖擊過程中物料表面形狀變化數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)掃描儀實時掃描物料內(nèi)部各個特征點處標記材料的特征粒子的運動形態(tài)、運動路徑及分布數(shù)據(jù)；
[0050]第七步、通過視頻采集儀采集到的視頻畫面確定顆粒懸浮液在不同沖擊物速度下液面的下降距離并作圖，圖中的第一轉折點對應速度為此種配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度。
[0051]本發(fā)明測量方法通過對容器壁上的壓力傳感器數(shù)據(jù)的分析，能夠得知顆粒懸浮液對沖擊物的支持力的作用是來源于懸浮液內(nèi)部顆粒流-固轉化形成硬核，還是懸浮液顆粒將沖擊力傳遞到邊界上。如果瞬間沖擊前后容器壁上壓力傳感器數(shù)據(jù)無變化，則說明顆粒懸浮液對沖擊物的支持力的作用來源于懸浮液內(nèi)部顆粒流-固轉化形成硬核。
[0052]借助掃描儀掃描到的附著有標記材料的顆粒運動情況，能夠得知懸浮液瞬間沖擊固化時的內(nèi)部顆粒作用機理。尤其能夠展示出沖擊物慢速沖擊時懸浮液顆粒是否存在聚集-突破現(xiàn)象。
[0053]通過視頻畫面的記錄能夠算出懸浮液液面下降距離。當懸浮液配方一定時，隨著沖擊物速度的線性增大，液面凹陷深度增大。隨著沖擊物速度的持續(xù)增大，液面凹陷深度將出現(xiàn)轉折，產(chǎn)生減小趨勢。而當沖擊物速度增大到一定程度后，懸浮液液面凹陷深度再次轉折，變的非常小且不再隨沖擊物沖擊速度變化。也就意味著在第一轉折點對應速度為此種配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度，而在第二轉折點對應速度時，此種配方下顆粒懸浮液完全表現(xiàn)出固體性質。對特定配方顆粒懸浮液臨界沖擊速度的研宄即是探宄顆粒物質流固轉化的關鍵所在。
【權利要求】
1.一種用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的裝置，包括壓力箱體以及設置在壓力箱體內(nèi)的載物槽，在所述的壓力箱體上設置有氣閥，其特征在于:在所述的壓力箱體內(nèi)還設置有一加載架，所述的載物槽設置在所述的加載架內(nèi)，在所述的加載架上端設置有一與電機動力裝置連接的在所述加載架上升降的沖擊裝置，在所述的沖擊裝置的下端連接有一可作用在所述載物槽內(nèi)的沖擊物，在所述沖擊物上設置一測速傳感器；在所述載物槽的底面和側面設置有壓力傳感器，在所述加載架上設置有視頻采集儀和粒子動態(tài)掃描儀，所述視頻采集儀和粒子動態(tài)掃描儀位于所述載物槽的沖擊液體表面之上；在所述的加載架上還設置有止動塊，該止動塊位于所述加載裝置的正下方。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的電機動機裝置包括電機以及與所述電機輸出軸連接的齒輪，在所述的沖擊裝置右側有齒槽，該齒槽與所述齒輪相接。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的沖擊物上端螺紋連接有一沖擊物底座，所述的測速傳感器設置在沖擊物底座內(nèi)。
4.根據(jù)權利要求3所述的裝置，其特征在于:所述沖擊物底座與沖擊裝置底座通過電磁鐵依靠磁力連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:在所述的載物槽內(nèi)設置有振動棒。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于:所述的沖擊物下端面為球面或平面。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于:所述的平面為正方形或長方形。
8.一種基于權利要求1所述裝置用于測量沖擊過程中液體流-固轉化機理的方法，其特征在于包括以下步驟: 第一步、將壓力傳感器、測速傳感器、視頻采集儀、粒子動態(tài)掃描儀和電動機分別與電腦連接； 第二步、配置具有標記材料的顆粒懸浮液，裝入載物槽，并將載物槽放置于加載架下部的儲物室； 第三步、將沖擊裝置調(diào)節(jié)至初始位置，并將沖擊物連接在沖擊裝置下端； 第四步、整個沖擊裝置放置于壓力箱體內(nèi)，密封好壓力箱體，調(diào)節(jié)壓力箱體內(nèi)部壓強到需要大??； 第五步、通過電腦設定電動機轉速與轉數(shù)，以使其驅動沖擊裝置以一定速度或加速度向下沖擊，并在下降到達止降高度后沖擊裝置停止運動，通過電磁鐵使沖擊物從沖擊裝置上脫離并作用在載物槽內(nèi)的顆粒懸浮液表面； 第六步、沖擊物沖擊液體物料表面時，獲取載物槽底面和側面壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)、視頻采集儀記錄沖擊過程中物料表面形狀變化數(shù)據(jù)和粒子動態(tài)掃描儀實時掃描物料內(nèi)部各個特征點處標記材料的特征粒子的運動形態(tài)、運動路徑及分布數(shù)據(jù)； 第七步、通過視頻采集儀采集到的視頻畫面確定懸浮液在不同沖擊物速度下液面的下降距離并作圖，圖中的第一轉折點對應速度為此種配方下顆粒懸浮液的流-固轉化臨界速度。
【文檔編號】G01N15/00GK104515721SQ201410805973
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權日:2014年12月22日
【發(fā)明者】李強, 殷德順, 周超 申請人:河海大學