本發(fā)明涉及模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置及研究方法。

背景技術(shù)：

在對(duì)實(shí)際工程問題的科學(xué)研究中，經(jīng)常需要使用按照一定比例縮小的物理模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，從中揭示研究對(duì)象的內(nèi)部本質(zhì)和破壞機(jī)理，以期得到合理的解釋，對(duì)工程做出正確的預(yù)估判斷或選擇正確的方案。在巖土工程中，大型巖土體破壞主要是由于自重條件下其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)作用造成的。如果在正常重力狀態(tài)下對(duì)巖土體的小型模型進(jìn)行研究試驗(yàn)，由于模型尺寸縮小造成其內(nèi)部應(yīng)力的減小，會(huì)大大降低實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的精度及可信度。通過人為工作增加試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖灾貞?yīng)力，盡可能使實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到研究原型的同等應(yīng)力水平，土工離心機(jī)在試驗(yàn)中的應(yīng)用很好的解決了這一問題。根據(jù)離心力場(chǎng)和重力場(chǎng)等價(jià)的原理，把縮小n倍的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头旁趎g倍的離心力場(chǎng)中，促使模型和原型對(duì)應(yīng)處的應(yīng)力應(yīng)變接近、變形相似、破壞機(jī)理相同，通過再現(xiàn)原型的物理特性，為理論計(jì)算及數(shù)值模擬提供可信度高的參考數(shù)據(jù)。

1869年法國(guó)人E.phillips針對(duì)橫跨英吉利海峽的大橋進(jìn)行研究時(shí)，提出了離心機(jī)設(shè)計(jì)的一般原理，希望通過離心模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，但由于當(dāng)時(shí)的條件該設(shè)想并未實(shí)施。六十多年之后，美國(guó)和前蘇聯(lián)的一些學(xué)者分別把小型離心機(jī)應(yīng)用到礦山實(shí)驗(yàn)和邊坡穩(wěn)定問題的研究中，至此離心模型試驗(yàn)技術(shù)逐漸在工程研究領(lǐng)域得到推廣。二十世紀(jì)六十年代后期，英國(guó)、美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、丹麥、意大利等國(guó)陸續(xù)開始建造土工離心機(jī)，極大程度的促進(jìn)了離心模擬試驗(yàn)理論和技術(shù)的完善。八十年代以后，日本、中國(guó)、新加坡、印度等國(guó)結(jié)合現(xiàn)代化機(jī)械制造工藝，建造了一批新型離心機(jī)，其中一部分離心機(jī)開始逐漸向大容量方向發(fā)展。隨著土工離心機(jī)的發(fā)展，土工離心模型試驗(yàn)應(yīng)用的領(lǐng)域涵蓋了地下支擋結(jié)構(gòu)、軟土地基、土工合成材料加筋擋墻、海洋石油平臺(tái)、隧洞開挖、凍土工程、環(huán)境土力學(xué)、爆炸模擬、地震及液化模擬等諸多方面。

由于離心加速度是隨離心半徑而變化的，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力分布會(huì)與原型產(chǎn)生一定的誤差，但是這種誤差會(huì)隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度的增加而逐漸減小。另一方面，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s小比例尺n越小，即實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缭酱?、越接近研究原型，?shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和可信度越高。大型土工離心機(jī)因?yàn)橥瑫r(shí)具備以上兩點(diǎn)，能夠較為完整的還原研究原型的應(yīng)力狀態(tài)和破壞機(jī)理而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者青睞，當(dāng)前國(guó)內(nèi)研制大型土工離心機(jī)的熱潮方心未艾。但是，大型土工離心機(jī)的建造、使用以及后期維護(hù)需要資金的源源投入以及大批實(shí)驗(yàn)人員參與，這與實(shí)驗(yàn)精度要求不高的一般性小型研究實(shí)驗(yàn)并不匹配，造成資源的極大浪費(fèi)。與此同時(shí)，制作與大型土工離心機(jī)相匹配的大尺寸模型需要投入較多的人員和材料，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵淮涡允褂玫侵谱髦芷陂L(zhǎng)、造價(jià)高。因此，建造和小型實(shí)驗(yàn)相匹配的微型離心機(jī)，可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間、極大程度的降低實(shí)驗(yàn)成本、縮短模型制作和離心試驗(yàn)時(shí)間、減少實(shí)驗(yàn)研究人員和物力投入。

三維打印技術(shù)是一種通過運(yùn)用可粘合材料逐層打印來構(gòu)造三維物體的快速成型技術(shù)，由于其可重復(fù)制造多個(gè)相同性狀的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，逐漸受到科研實(shí)驗(yàn)人員的重視，目前應(yīng)用在了工業(yè)設(shè)計(jì)、軍事工程、醫(yī)學(xué)治療、科學(xué)研究、食品制造、移動(dòng)通信、建筑、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域。

三維打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹圃煊兄鴺O大的優(yōu)勢(shì)：首先，三維打印作為一種快速成型技術(shù)縮短了模型制造周期，并且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢砸淮涡猿膳看蛴?，極大程度的節(jié)省了人員投入；其次，通過計(jì)算機(jī)控制打印，模型制作精度高，對(duì)于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?nèi)部結(jié)構(gòu)需要設(shè)定(比如說在模型內(nèi)部預(yù)制裂紋)的模型，三維打印模型與傳統(tǒng)模型制造相比有著根本技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)；第三點(diǎn)，通過三維打印技術(shù)制作的模型具有良好的均一性，可以減少其他無關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。三維打印技術(shù)憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)會(huì)在巖石力學(xué)領(lǐng)域的未來發(fā)展中具有更廣闊的前景。但是，三維打印技術(shù)因?yàn)槠淙毕菀蚕拗屏俗陨淼目焖俚陌l(fā)展。就巖石力學(xué)而言，儀器、材料的造價(jià)使得模型制作成本昂貴，很難使三維打印技術(shù)在巖石力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛普及。另外，由于模型尺寸受到打印機(jī)尺寸的限制、打印材料成本高，三維打印在大型模型制作方面很難突破自身的瓶頸。因此，將小型巖石力學(xué)試驗(yàn)和三維打印技術(shù)相結(jié)合，是目前國(guó)內(nèi)巖土領(lǐng)域?qū)W者的主要拓展方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于小型巖石力學(xué)試驗(yàn)且能夠精確有效獲取巖土材料破壞特性和相關(guān)數(shù)據(jù)的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置。

本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)的模型破壞規(guī)律研究方法。

為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，包括計(jì)算機(jī)、變頻控制器、異步電機(jī)和離心裝置；所述離心裝置和所述異步電機(jī)設(shè)置在一承臺(tái)上；所述異步電機(jī)通過所述變頻控制器與所述計(jì)算機(jī)連接。

所述離心裝置包括分離式實(shí)驗(yàn)腔體、分離式配重腔體和旋轉(zhuǎn)筒；所述旋轉(zhuǎn)筒中心設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸與所述異步電機(jī)的傳動(dòng)軸通過傳送帶連接，使所述異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)筒沿水平方向高速轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述分離式實(shí)驗(yàn)腔體和所述分離式配重腔體分別設(shè)置并固定在所述旋轉(zhuǎn)筒的內(nèi)壁上且對(duì)側(cè)設(shè)置。

所述分離式實(shí)驗(yàn)腔體包括數(shù)碼觀察分析室和用于容置實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪Ｐ头质?，所述模型分室套裝在所述數(shù)碼觀察分析室內(nèi)側(cè)且所述模型分室和所述數(shù)碼觀察分析室之間通過平行于所述旋轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)置的轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接，使所述模型分室在所述旋轉(zhuǎn)筒的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°；所述數(shù)碼觀察分析室的頂部設(shè)置有一可拆卸的數(shù)碼觀察分析室蓋體，所述數(shù)碼觀察分析室蓋體內(nèi)側(cè)設(shè)置有微型攝像機(jī)和LED燈源。

所述分離式配重腔體包括配重腔體；所述配重腔體外形形狀和大小與所述實(shí)驗(yàn)腔體(即數(shù)碼觀察分析室)的外形形狀和大小一致，且頂部配套有開拆卸的配重腔蓋體；所述配重腔體內(nèi)開設(shè)有多道間隔且平行排列的卡槽，每道所述卡槽內(nèi)均可按需要放置若干個(gè)配重片。

優(yōu)選，在所述旋轉(zhuǎn)筒外側(cè)套裝有一筒形保護(hù)罩，在所述保護(hù)罩頂部可拆卸蓋裝有一有機(jī)玻璃蓋板；所述保護(hù)罩固定在所述承臺(tái)上。

優(yōu)選，所述微型攝像機(jī)設(shè)置在所述數(shù)碼觀察分析室蓋體內(nèi)側(cè)板面中央；所述LED燈源為四個(gè)，分別設(shè)置在所述數(shù)碼觀察分析室蓋體內(nèi)側(cè)板面的四個(gè)頂角處。

優(yōu)選，所述微型攝像機(jī)至所述模型分室的垂直距離為75mm。

優(yōu)選，所述微型攝像機(jī)的圖像分辨率720p，其每秒能夠采集25幀圖像；每個(gè)所述LED燈的亮度為4w。

一種利用所述面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)巖土模型破壞規(guī)律研究方法，包括如下步驟：

S1、微型攝像機(jī)將采集到的照片傳送至計(jì)算機(jī)；其中，微型攝像機(jī)每秒能夠采集25幀圖像，即每隔0.04s進(jìn)行一次圖像采集，在實(shí)驗(yàn)過程中獲取到多張實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃沃疗茐牡恼掌?/p>

S2、對(duì)采集到的所有照片以每連續(xù)采集的兩張照片為一組進(jìn)行圖像處理：以前一張照片作為基準(zhǔn)，對(duì)連續(xù)兩張照片上的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過像素校核、比對(duì)和追蹤計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相關(guān)性，確定測(cè)量位置的位移；

S3、通過對(duì)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系亩鄠€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化進(jìn)行計(jì)算獲取模型破壞起點(diǎn)、模型變形至破環(huán)的時(shí)間周期、模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的破壞順序，從而獲得整個(gè)模型的變形數(shù)據(jù)。

優(yōu)選，在對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三維打印時(shí)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚撈茐狞c(diǎn)和/或隨機(jī)設(shè)定點(diǎn)列為模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并通過三維彩色打印對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不同顏色標(biāo)記，便于后續(xù)圖像處理過程中對(duì)不同照片中的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低，極大地降低了資金、實(shí)驗(yàn)人員和材料的投入且移動(dòng)搬運(yùn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地要求低；利用三維打印技術(shù)打印出巖土工程模型能夠?qū)⒊叽邕M(jìn)行合理等比例縮小，不僅適用于各類具有復(fù)雜內(nèi)、外結(jié)構(gòu)的模型，有效縮短模型制作周期，同時(shí)由于其“微型”的特點(diǎn)，在研究原型在重力作用下的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，微型離心機(jī)轉(zhuǎn)速要高于傳統(tǒng)土工離心機(jī)，模型所受向心力凸顯，相比較而言模型重力、摩擦力等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更加弱化，降低實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)工程做出正確的預(yù)估判斷、選擇正確的處理方案；和同類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂辛己玫木恍?，可以在?shí)驗(yàn)過程中避免其他無關(guān)因素(例如裂紋、孔隙、顆粒尺寸)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；另外通過數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)對(duì)采集圖片進(jìn)行分析獲取微型離心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖冃纹茐臄?shù)據(jù)，并用以驗(yàn)證數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞規(guī)律的研究，對(duì)研究原型在體應(yīng)力加載過程中的破壞形態(tài)給出理論結(jié)果預(yù)判。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的旋轉(zhuǎn)筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的分離式實(shí)驗(yàn)腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)腔體的數(shù)碼觀察分析室蓋體的內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)腔體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的分離式配重腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8為本發(fā)明的面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置的配重腔體的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但下述實(shí)施例絕非對(duì)本發(fā)明有任何限制。

如圖1所示，該面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置包括計(jì)算機(jī)1、變頻控制器2、異步電機(jī)6和離心裝置；

所述離心裝置和所述異步電機(jī)6設(shè)置在一承臺(tái)3上；

所述承臺(tái)3包括水平設(shè)置的支撐板和均布在所述支撐板底面上的用于支撐所述支撐板的支座4；

所述異步電機(jī)6用于提供離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能量；所述異步電機(jī)6內(nèi)設(shè)置有一傳動(dòng)軸601，所述傳動(dòng)軸601下部自所述異步電機(jī)6底面伸出并穿過所述支撐板上相應(yīng)位置上開設(shè)的通孔，使所述傳動(dòng)軸601底端伸出至所述支撐板的下方；

所述異步電機(jī)6通過所述變頻控制器2與所述計(jì)算機(jī)1連接，這是由于所述異步電機(jī)6轉(zhuǎn)速受到供電交流頻率的影響。比如我國(guó)的交流電為50Hz，要控制離心機(jī)的轉(zhuǎn)速就需要用到變頻控制器。變頻控制器可以達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速的有效調(diào)節(jié)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。通過變頻控制器調(diào)節(jié)輸入異步電機(jī)的交流電的頻率，從而達(dá)到控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)離心機(jī)施加在試樣上的離心力的控制。

所述離心裝置包括分離式實(shí)驗(yàn)腔體7、分離式配重腔體8、有機(jī)玻璃蓋板9、保護(hù)罩10和旋轉(zhuǎn)筒11；其中：

所述保護(hù)罩10為一兩端開口的筒體結(jié)構(gòu)，其固定在所述支撐板上；所述有機(jī)玻璃蓋板9蓋裝在所述保護(hù)罩10頂面上，封閉所述保護(hù)罩10的頂部開口處；

如圖2所示，所述旋轉(zhuǎn)筒11為一頂部開口的筒形結(jié)構(gòu)，其底部中心處設(shè)置有一轉(zhuǎn)動(dòng)軸12，所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸12貫穿所述旋轉(zhuǎn)筒11底面和所述支撐板相應(yīng)位置上通孔，使所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸12底端伸出至所述支撐板的下方；所述傳動(dòng)軸601和所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸12通過固定在底端的傳送帶5連接，使所述轉(zhuǎn)動(dòng)軸12驅(qū)動(dòng)所述傳動(dòng)軸601高速轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)筒11沿水平方向高速轉(zhuǎn)動(dòng)；該筒形旋轉(zhuǎn)筒可以減少實(shí)驗(yàn)中腔體的上下震動(dòng)搖晃，降低動(dòng)態(tài)誤差，提高裝置的穩(wěn)定性。

所述旋轉(zhuǎn)筒11設(shè)置在所述保護(hù)罩10內(nèi)，且所述保護(hù)罩10和所述旋轉(zhuǎn)筒11的中軸線位于同一軸線上；在所述旋轉(zhuǎn)筒11的對(duì)側(cè)側(cè)壁上各開設(shè)有四個(gè)均布的安裝孔1001，四個(gè)所述安裝孔1001依次連線構(gòu)成一菱形；

如圖3所示，所述分離式實(shí)驗(yàn)腔體7由一體成型的第一固定瓦片701和實(shí)驗(yàn)腔體702構(gòu)成；所述第一固定瓦片701為一塊弧度與所述旋轉(zhuǎn)筒11的內(nèi)壁弧度相適應(yīng)的弧形板，且在所述弧形板上開設(shè)有與所述旋轉(zhuǎn)筒11側(cè)壁上一一對(duì)應(yīng)的四個(gè)連接孔，使所述第一固定瓦片701通過插裝在所述連接孔和所述安裝孔1001內(nèi)的螺釘固定在所述旋轉(zhuǎn)筒11的內(nèi)壁上；

如圖4、圖5和圖6所示，所述實(shí)驗(yàn)腔體702包括數(shù)碼觀察分析室7021和套裝在所述數(shù)碼觀察分析室7021內(nèi)部的模型分室7022；所述模型分室7022的對(duì)側(cè)側(cè)壁上各設(shè)置有一個(gè)轉(zhuǎn)軸7026，使所述數(shù)碼觀察分析室7021和所述模型分室7022之間通過轉(zhuǎn)軸7026活動(dòng)連接，且位于對(duì)側(cè)的兩個(gè)所述轉(zhuǎn)軸7026位于同一條直線上，所述轉(zhuǎn)軸7026的軸向方向與旋轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向平行；具體地，所述數(shù)碼觀察分析室7021和所述模型分室7022均為頂部開口的中空的方形框筒結(jié)構(gòu)，所述模型分室7022的高度低于所述數(shù)碼觀察分析室7021的高度；如圖5所示，在所述數(shù)碼觀察分析室7021的頂部設(shè)置有一數(shù)碼觀察分析室蓋體7023，所述數(shù)碼觀察分析室蓋體7023內(nèi)側(cè)板面中央設(shè)置并固定有一臺(tái)內(nèi)部設(shè)有蓄電池的微型攝像機(jī)7024，在所述數(shù)碼觀察分析室蓋體7023內(nèi)側(cè)板面的四個(gè)頂角處設(shè)置并固定有四個(gè)自帶電源的LED燈7025；所述數(shù)碼觀察分析室蓋體7023通過固定在四個(gè)頂角上的螺絲與所述數(shù)碼觀察分析室7021可拆卸地連接固定；

其中，所述微型攝像機(jī)7024采用恒思安(HOSION)生產(chǎn)的微型攝像頭X9(wifi版)32g卡，攝像機(jī)尺寸為62×35×15mm，每秒能夠采集25幀圖像，圖像分辨率720p；每個(gè)所述LED燈7025的亮度4w；所述微型攝像機(jī)7024至所述模型分室7022的垂直距離為50～90mm；

所述模型分室7022用于容置三維打印的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲?，所述模型分?022的四個(gè)側(cè)壁中與所述旋轉(zhuǎn)筒11內(nèi)壁鄰近且位于對(duì)側(cè)的側(cè)壁采用有機(jī)玻璃制成；當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)筒11高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，隨著離心力場(chǎng)的逐漸增加，所述實(shí)驗(yàn)腔體702的數(shù)碼觀察分析室7021隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，所述模型分室7022帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谵D(zhuǎn)軸7026作用下轉(zhuǎn)動(dòng)90°，采用有機(jī)玻璃制成的側(cè)壁經(jīng)過90°轉(zhuǎn)動(dòng)至位于所述數(shù)碼觀察分析室蓋體7023內(nèi)側(cè)面對(duì)側(cè)，既滿足了微型攝像機(jī)拍攝需要，又能夠防止模型甩出對(duì)攝像機(jī)構(gòu)成破壞；

所述分離式實(shí)驗(yàn)腔體7和所述分離式配重腔體8位于所述旋轉(zhuǎn)筒11的對(duì)側(cè)內(nèi)壁上；所述分離式配重腔體8用于平衡所述分離式實(shí)驗(yàn)腔體7帶來的不平衡力；

如圖7所示，所述分離式配重腔體8包括一體成型的第二固定瓦片801和配重腔體802；所述第二固定瓦片801為一塊弧度與所述旋轉(zhuǎn)筒11的內(nèi)壁弧度相適應(yīng)的弧形板，且在所述弧形板上開設(shè)有與所述旋轉(zhuǎn)筒11側(cè)壁上一一對(duì)應(yīng)的四個(gè)連接孔，使所述第二固定瓦片801通過插裝在所述連接孔和所述安裝孔1001內(nèi)的螺釘固定在所述旋轉(zhuǎn)筒11的內(nèi)壁上；

如圖8所示，所述配重腔體802的外形形狀和大小與所述實(shí)驗(yàn)腔體702(即數(shù)碼觀察分析室)7021的外形形狀和大小一致，所述配重腔體802頂部蓋裝有配重腔蓋體，所述配重腔蓋體通過固定在四個(gè)頂角上的螺絲與所述配重腔體802開拆卸地連接固定；所述配重腔體802內(nèi)開設(shè)有多道間隔且平行排列的卡槽803，每道所述卡槽803內(nèi)均可按需要放置若干個(gè)配重片804，通過在卡槽803中增減組合配重片實(shí)現(xiàn)離心機(jī)的力學(xué)平衡。

三維打印作為一種快速成型技術(shù)縮短了模型制作時(shí)間，并且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢砸淮涡猿膳看蛴?，所以面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)離心機(jī)模型實(shí)驗(yàn)。因此，使用該面向三維打印巖土模型的微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置可以將研究原型通過三維打印技術(shù)打印成縮小至一定比例的微型巖土工程模型，再通過該實(shí)驗(yàn)裝置模擬重力場(chǎng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，從而獲得巖土工程中大型巖土體破壞的內(nèi)部本質(zhì)和破壞機(jī)理，為工程實(shí)施做出正確的預(yù)估判斷或方案選擇。

使用三維打印機(jī)打印實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，首先需要在計(jì)算機(jī)的三維繪圖軟件(如AutoCAD)中把實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤嫵?，生成三維打印機(jī)可識(shí)別文件(如stl文件)，然后將文件傳送到打印機(jī)附帶的軟件中。在計(jì)算機(jī)中設(shè)置好粉末和膠水的比例，打印機(jī)開始工作。下面以天津大學(xué)巖土所配置的三維打印機(jī)為例進(jìn)行介紹：打印機(jī)腔體尺寸為254×381×203mm，模型試樣在腔體尺寸范圍內(nèi)都能夠被一次性打印。為了減少打印時(shí)間，設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团帕性谇惑w底部位置，打印的方向自下而上。打印初始階段，打印機(jī)先在腔體底部鋪設(shè)幾層粉末作為底板，打印過程中，打印機(jī)以每層鋪設(shè)0.1mm粉末的厚度向上遞增直至打印結(jié)束。雖然三維打印過程中，成批量打印多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅葐为?dú)打印一個(gè)模型耗費(fèi)時(shí)間，但相較于將多個(gè)模型分別打印仍節(jié)約了大量時(shí)間。打印完成后，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰粼诖蛴C(jī)腔體內(nèi)至少一個(gè)半小時(shí)進(jìn)行晾干。模型取出后，其附著的粉末可以通過空氣槍進(jìn)行清理，打印機(jī)腔體內(nèi)未被利用的粉末可使用打印機(jī)自帶的回收裝置進(jìn)行回收。模型表面粉末清理后，再經(jīng)過特殊液體的浸潤(rùn)固化作用，晾干后即可作為理想的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究材料。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，過電腦控制三維打印機(jī)打印模型，對(duì)于外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型很容易就能實(shí)現(xiàn)，可以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的研究原型；此外，利用三維打印機(jī)打印模型，模型制作精度高，參數(shù)精確，可以達(dá)到理論計(jì)算的要求，對(duì)工程做出正確的預(yù)估判斷、選擇正確的處理方案。其中，在具體實(shí)踐過程中，還能夠利用三維打印機(jī)的彩色打印功能，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。比如給定一個(gè)打印模型試樣，打印機(jī)可在其表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)外圍打印具有醒目顏色的圓圈。這個(gè)功能對(duì)于發(fā)生變形及破壞的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)據(jù)采集十分便利。

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖迷谀Ｐ头质?022內(nèi)，當(dāng)模型分室7022在所述旋轉(zhuǎn)筒11的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下沿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)至水平方向時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞幵谝粋€(gè)離心力場(chǎng)中，以模擬研究原型在重力場(chǎng)中所受應(yīng)力。由于在離心機(jī)試驗(yàn)中根據(jù)離心模型的相似比原理，尺寸縮小n倍的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜趎g倍的離心力場(chǎng)中，模型因?yàn)殡x心力場(chǎng)而受到的應(yīng)力與研究原型在重力場(chǎng)中所受應(yīng)力等效。雖然實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€受到1×g的重力作用，但是因?yàn)槟Ｐ统叽巛^小，其重力所帶來的應(yīng)力應(yīng)變基本可以忽略不計(jì)。

此時(shí)，模型所受加速度可以簡(jiǎn)化為：

a＝ng＝w²r

式中，w為離心機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度，r為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀行D(zhuǎn)半徑。

重力加速度g為定值；在微型離心機(jī)中，有效旋轉(zhuǎn)半徑r是定值；當(dāng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s小比例n確定時(shí)，通過調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度w使等式ng＝w²r成立。即在此旋轉(zhuǎn)角速度下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵驗(yàn)殡x心力場(chǎng)產(chǎn)生的應(yīng)力與原型在重力場(chǎng)中的產(chǎn)生的應(yīng)力等效。

由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缧?，為了達(dá)到研究原型在重力作用下的應(yīng)力狀態(tài)，微型離心機(jī)轉(zhuǎn)速要高于傳統(tǒng)土工離心機(jī)，模型所受向心力凸顯，相比較而言模型重力、摩擦力等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更加弱化，降低實(shí)驗(yàn)誤差；相對(duì)于大型離心機(jī)的建造使用以及后期維護(hù)需要源源不斷的投入資金和人員，該微型離心機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置體積小、質(zhì)量輕、造價(jià)低，極大地降低了資金、實(shí)驗(yàn)人員和材料的投入。

在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，微型攝像機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行全程連續(xù)圖像采集，獲取實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中逐漸模型變形破壞的過程，以提供研究數(shù)據(jù)，并通過“數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)”(DIC)對(duì)于變形破壞的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于圖像采集裝置和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵黄鹱鲭x心運(yùn)動(dòng)、相對(duì)靜止，和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式相比，有效減少了在數(shù)據(jù)傳輸過程中因?yàn)殡x心運(yùn)動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。

后期圖像處理的具體方法，包括如下步驟：

S1、微型攝像機(jī)7024將采集到的照片傳送至計(jì)算機(jī)1；其中，微型攝像機(jī)7024每秒能夠采集25幀圖像，即每隔0.04s進(jìn)行一次圖像采集，在實(shí)驗(yàn)過程中獲取到多張實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃沃疗茐牡恼掌?/p>

S2、對(duì)采集到的所有照片以每連續(xù)采集的兩張照片為一組進(jìn)行圖像處理：以前一張照片作為基準(zhǔn)，對(duì)連續(xù)兩張照片上的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過像素校核、比對(duì)和追蹤計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的相關(guān)性，確定測(cè)量位置的位移；

S3、通過對(duì)布設(shè)在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系亩鄠€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化進(jìn)行計(jì)算獲取模型破壞起點(diǎn)、模型變形至破環(huán)的時(shí)間周期、模型各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的破壞順序，從而獲得整個(gè)模型的變形數(shù)據(jù)。

其中，離心實(shí)驗(yàn)前，在對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行三維打印時(shí)，將實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷睦碚撈茐狞c(diǎn)和/或隨機(jī)設(shè)定點(diǎn)列為模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并通過三維彩色打印對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不同顏色標(biāo)記，便于后續(xù)圖像處理過程中對(duì)不同照片中的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定。