Устройство для моделирования сложного напряженного состояния горных пород Советский патент 1990 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному д4лу5 а именно к механике горных пород, и может быть использовано для исследования механических характе-рис- тик горных пород в условиях стати- ч(ского и динамического объемного сзсатия и растяжения,

Цапь изобретения - повьшение точ- нйсти и расширеьше диапазона нагруже™ ния при моделировании путем обеспечения возможности имитации деформа1;1ион HIJDC свойств горных Пород по. трем взаимно перпендикулярным направленн- ,

; Нгч фиг,1 предстаапена структ фная устройства для моделирования CJ:oжнoгo напряженного состояния гор- ньрс пород; на фиг, 2 - схема моделирс

вания одноосного напряженного состсяния горной породы; на фиг.З - схе- MS для расчета деформации сжатия гор- нс|й породы по оси Z.

Устройство содержит три прямоуголь- Hbjix рамки 1-35 установленные в нап р4вляющих 4-6 Рамки 1-3 расположе- Htji под углом 120 одна к другой вдоль Xj 5 Z и соединены соответст- BffcHHO с Kpafits im шapниpa ш А, В С шарнирного трехзненника 7

В точках К, L, М, протиБопатож- нщх точкам AS В, С, рамки 1-3 шарнир- нф соединены с механическими моделя- Mis 8-10 (в данном случае - среда Бюр ri№) , им1тирующими свойства горных пфрод при одноосном нагружении. Мо- д(и 8 10 В1 1полнены в виде комбина- lUjiH упругих 11 и 12 и вязких 13 и 14 .eMeHTOBs моделирующих упругие вяз- К ретс: н пластические свойства горных пород Упругий элемент 11 характеризует мгновенные деформахщи породы при к|затковременном приложении нагрузки, упругий элемент 12 характеризует свой0

5

0

5

0

5

ства запаздывающей зтгругости, вязкий-- элемент 13 отражает свойства вязкой текзг ести, а вязкий элемент 14 характеризует динамическую вязкость, обус-- хсовливающуто развитие деформации во вр емени.

Модели 8-10 свободными концами прикреплены соответственно к неподвижным точкам Pj, Q, S, положение которых в пространстве не изменяется ни при каких деформациях.

С целью моделирования изотропных ппк анизотропных сред модели 8-10 могут быть однотипными или разнотипными, в них могут также различаться параметры таругости и вязкости по абсолютной величине. Значения упругих, вязких и пластичных цараметров каж- дои из моделей 8-10 предварительно определяются в лаборатории по стандартной методике при одноосном нагружении .

Устройство работает следующим образом.

К рамкам 1-3 в,точках К, L и М прилагаются растягиваницие или сжимаю- Бдие усилия i, пропорциональные напряже- нням, действующим по осям X, Y и Z. При этом фиксируются в каждый момент време -ш деформации по всем трем направлениям. Абсолютньр И значениями деформаций является перемещение точек К L, М. Прилагаемые усилия-могут быть как одинаковыми по всем направ- лениям, так и различающимися как по абсолютной величине, так и по знаку.

Может быть принят также любой закон изменения усилий по каждой из осей Х, Y, Z.

V

в случае моделирования одноосного напряженного состояния,например по

оси Zs усилие, прилагается к соответ10

5 1615361

ствующей точке М рамки 3, а две другие крайние точки К и L рамок 1 и 2 свободны (фиг.2). На фиг.2 в качест- ве механических моделей по каждой из осей приняты только упругие элементы ;с целью простоты и доступности изло- ;жения, что совершенно не меняет вза- 1имосвязи зависимостей между величина- 1ми деформаций по осям координат. Под |действием усилия Р точка М переме- ;щается в положение М, а вся рамка 3 перемёщается на такзто же длину вдоль |оси Z, т.е. ММ ССд - 00. Это приг Лйсдит к соответствунадему перемещению jjpaMKHi 1 вдоль оси X на расстояние AAj КК и рамки 2 вдоль оси Y на расстояние ВВ LL. Точки закреп- |Ления моделей Р, Q и S при этом ос- |таются фиксированными, поэтому сжатие 20 |по оси Z сопровождается растяжением по осям X и Y (фиг.2), Для количественной оценки деформа- |ций сжатия и растяжения на фиг.З по- казана деформация сжатия по оси Z AZ 00 и деформация растяжения по Ьси X йХ АА,. Из треугольника

. arcsin ) - 1 1 l,155 sin(1,047 + f arc sin 0,866 -|-) - Л.

Из полученной формулы вытекает, что поперечные деформации растяжения по осям X и Y при сжатии по оси Z являются функциями продольных деформаций UZ. Б слзд1ае растяжения по одной из осей по двум другим регистрируются деформации сжатия, т.е. данное устройство обеспечивает Пуассо- 5 новский эффект, а коэффициент поперечной деформации,.как видно из формулы, изменяется в пределах

Следовательно, предлагаемое устройство позволяет осуществить любой режим нагружения трехосной модели горной породы.

25 Формула изобретения

00i А имеем

АцО sin eoo

45 sinot

sin ОС

или

,,ОС arcsin -2

А 7

arcsin 0,866 --

1

где 1 АО ВО СО ,

длина стержн.

1 + Лх

.

+arcsin 2i

откуда

- 1

sin (60° +

Устройство для моделирования слож-- ного напряженного состояния горных пород, содержащее соединение двух ме- 3Q ханических моделей, имитирунмцих свой- 21ства горньк пород при одноосном нагружении, отлич ающееся тем, что, с -целью повышения точности и расширения диапазона нагружения при : моделировании путем обеспе чения возможности имитации деформационных свойств горных пород по трем взаимно перпендикулярным направлениям, оно снабжено третьей моделью, шарнирным трехзвенником и тремя рамками с направляющими,.при этом рамки расположены под углом 120° друг к , другу, каждая из них соединена с крайним шарнирным трехзвенником и с дс одной из моделей, а модели выполнены в виде комбинаций элементов, моделирующих упругие, вязкие и пластические свойства горных пород.

35

40

. arcsin ) - 1 1 l,155 sin(1,047 + f arc sin 0,866 -|-) - Л.

10

20

Из полученной формулы вытекает, что поперечные деформации растяжения по осям X и Y при сжатии по оси Z являются функциями продольных деформаций UZ. Б слзд1ае растяжения по одной из осей по двум другим регистрируются деформации сжатия, т.е. данное устройство обеспечивает Пуассо- 5 новский эффект, а коэффициент поперечной деформации,.как видно из формулы, изменяется в пределах

Следовательно, предлагаемое устройство позволяет осуществить любой режим нагружения трехосной модели горной породы.

20

25 Формула изобретения

дс

35

дс

40

Фиг. 2

Изобретение относится к горному делу и предназначено для исследования механических характеристик горных пород (ГП) в условиях объемного напряжения. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона нагружения при моделировании путем обеспечения возможности имитации деформационных свойств ГП по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Рамки (Р) 1,2,3, установленные в направляющих 4,5,6, расположены под углом 120° одна к другой и соединены с крайними шарнирами A, B, C шарнирного трехзвенника 7. В точках K, L, M Р 1,2,3 шарнирно соединены с механическими моделями 8,9,10, имитирующими свойствами ГП при одноосном нагружении и выполненными в виде комбинаций элементов, моделирующих упругие, вязкие и пластические свойства ГП. Прикладывают к Р 1,2,3 растягивающие или сжимающие усилия, пропорциональные напряжениям, действующим по осям. При этом фиксируют в каждый момент времени деформации по всем трем направлениям. Абсолютными значениями деформаций являются перемещения точек K, L, M. Может быть принят любой закон изменения усилий по каждой из осей. 3 ил.

Фаг.