中等应变速率岩石动三轴实验系统及实验技术研究

Mechanical properties of rock material under moderate strain rates can not be obtained by SHBP and light gas gun, and it can not be precisely obtained by hydraulic driven testing system because of manual controlling. For this case, based on the modern mechanical productive technology, especially for the high frequency servo controlled technology,a servo-controlled triaxial dynamic compression experimental system for rock under moderate strain rate will be developed in this project. The designation for the loading, controlling and measure system of will be first presented, and the high stiffness and frequency response loading frame, the high stability confining pressure system, and the signal conditioning will be developed. The system can be used to accurately control the strain rate of rock sample during testing and precisely obtain the mechanical properties of rock material under different moderate strain rates.

现有的SHBP杆以及轻气炮等岩石动态力学特性实验装置不能进行中等应变率范围的岩石动态力学特性实验，少量的气液联动岩石高压动单轴和三轴仪由于采用手动控制不能精确获取中等应变速率条件下的实验数据。为此，基于当前精密机械制造技术、特别是高频伺服控制技术的发展，在对岩石等脆性材料的动态响应规律认知的基础上，提出实验系统中加载、控制和测量三个模块的合理设计、制造方法和技术指标，研发高刚度和高频响加载框架、快速轴向加载装置、高稳定性围压装置、高频响传输模块、多路不同类型传感信号的高频同步采集模块等，编制相应的实验控制和数据采集软件，集成一套能准确确定中等应变率范围岩石动态力学特性的伺服控制动三轴实验系统，弥补国内外中等应变速率范围岩石动态力学特性实验装置的不足，为更精确、全面和深入地研究岩石动态力学特性提供有效的工具。

准确认知中等应变速率范围岩石动态力学特性是进行地震和爆破荷载作用下岩体响应评价和安全控制的基础。现有的SHBP杆以及轻气炮等岩石动态力学特性实验装置不能进行中等应变率范围的岩石动态力学特性实验，少量的气液联动岩石高压动单轴和三轴仪由于采用手动控制不能精确获取中等应变速率条件下的实验数据。为此，本项目基于当前高频伺服控制技术的发展，研制能准确确定中等应变率范围岩石动态力学特性的伺服控制动三轴实验系统。.主要研究内容包括加载系统研究与开发、高频响实时伺服控制系统研究与开发、量测系统及分析软件研究与开发、系统集成与调试4个方面。.在项目的加载框架和加载系统研制中，选用高强度铸钢材料，对框架进行一次性铸造成型，保证框架刚度达到设计要求。在轴向加载装置研制中，基于岩石试样在不同围压和应变速率范围的强度等力学参数以及应变速率对应的加载时间(频率)分析，研究了轴向加载装置的出力范围以及频率响应(加载时间)特性，确定了轴向加载装置的具体实施方案。在高稳定性围压装置的研制中，采用伺服阀控制围压的方法避免围压的波动，并增加一个高响应蓄能器，进一步吸收围压的波动。在高频响实时伺服控制系统研究与开发中，选择了美国MOOG公司的D系列三级伺服阀，并根据实际需求对阀的指标进行了改进，与此同时，采用高度集成的方式缩短了液压通道、加粗了通道直径，把伺服阀、蓄能器都安装在集成块上，大大减小了液压通道的阻尼，有效的提高了液压系统的动态特性。在多路传感器信号的高频同步采集与系统控制以及伺服控制和数据采集核心软件研发中，根据应变速率的要求，确定了采集系统的最高采样频率和控制周期，采用了分布式控制方式，分散控制，集中管理的控制模式。.项目研究成果可以弥补国内外中等应变速率范围岩石动态力学特性实验装置的不足，为更精确、全面和深入地研究岩石动态力学特性提供有效的工具。