Karl Snelling Dr Ben Hutt Jeff Gray
GDS Instruments.
概述：在高端巖土設(shè)備方面，GDS儀器對于巖土工程師來說并不陌生。GDS公司成立于1979年，主要研發(fā)巖土實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在早期的25年里，GDS主要為大學(xué)研究人員生產(chǎn)計(jì)算機(jī)控制的高級測試系統(tǒng)。今年4月，香港科技大學(xué)引進(jìn)了GDS最新成果——真三軸儀。在該套系統(tǒng)壓法過程中，GDS工程師客服了機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓油缸的同步性和碰撞預(yù)防等諸多挑戰(zhàn)，解決了一系列難題，為巖土工程師們開展更加復(fù)雜的應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究提供了可靠工具。
1介紹
在研發(fā)高端巖土設(shè)備方面，GDS儀器對于巖土工程師來說并不陌生。GDS公司成立于1979年，主要研發(fā)巖土實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在早期的25年里，GDS主要為大學(xué)研究人員研發(fā)計(jì)算機(jī)控制的高級測試系統(tǒng)。估計(jì)至少有500位學(xué)生，通過直接使用GDS的設(shè)備獲得博士學(xué)位。今年4月，香港科技大學(xué)引進(jìn)了GDS最新成果——真三軸儀，如圖1所示。
圖1 GDSTTA，真三軸儀
Fig. 1 GDSTTA, True Triaxial Apparatus.
與常規(guī)三軸儀不同，真三軸儀（TTA）的特征是三個(gè)主應(yīng)力都能獨(dú)立控制。在常規(guī)三軸儀中，圓柱體試樣的徑向壓力σ2 和 σ3是相等的，軸向桿控制需要加載的主應(yīng)力σ1（見圖2a）。真三軸儀設(shè)計(jì)成能夠獨(dú)立控制施加在土試樣上的應(yīng)力σ1, σ2 和σ3的大?。ㄒ妶D2b），從而使得該系統(tǒng)可以進(jìn)行更復(fù)雜的應(yīng)力路徑試驗(yàn)。
圖2 a)常規(guī)三軸儀試樣的應(yīng)力狀態(tài) b) 真三軸儀試樣的應(yīng)力狀態(tài)
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Fig. 2: a) Stress conditions on a conventional triaxial sample (σ2 = σ 3), b) Stress conditions on True Triaxial Apparatus sample (σ1 ≠ σ2 ≠ σ 3)
杰爾曼于1936年首次發(fā)現(xiàn)，真三軸儀的原理可以用于研究應(yīng)力路徑，根據(jù)這個(gè)原理可以在常規(guī)三軸儀中研究應(yīng)力路徑。隨著許多測試設(shè)備的發(fā)展，低成本的電子元件的普及，真三軸儀（TTA）作為一個(gè)可行的測試系統(tǒng)，如今更多的被用作研究工具。杰爾曼的儀器利用固定邊界方法，用6塊板相互滑動產(chǎn)生3個(gè)軸向力。（見圖3a）
圖3：a)固定邊界法截面 b)GDS法截面，利用混合邊界，免受固定邊界摩擦的問題
Fig. 3: a) Cross section of fixed boundary method, b) Cross section of the GDS approach which uses mixed boundaries, but does not suffer with friction problems associated with fixed boundaries.
GDS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用更獨(dú)特的方法來施加應(yīng)力，通過使用一個(gè)混合邊界，兩個(gè)邊界固定（σ1 和 σ2），最后一個(gè)軸（σ3）使用固定的液壓。
2設(shè)備開發(fā)中的挑戰(zhàn)
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高達(dá)頻率10Hz的動載荷實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)負(fù)荷準(zhǔn)靜態(tài)低應(yīng)變剪切試驗(yàn)，是GDS的這款真三軸儀（TTA）的最大挑戰(zhàn)之一。
2.1挑戰(zhàn)一：機(jī)械設(shè)計(jì)
系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是產(chǎn)生滿足高頻率運(yùn)行要求的可靠的驅(qū)動器。靜壓軸承布置的設(shè)計(jì)需要考慮復(fù)雜的材料和工序，同時(shí)非常嚴(yán)格的控制尺寸,同心度和它們的公差。每個(gè)液壓驅(qū)動器由獨(dú)立的高響應(yīng)度的伺服閥控制，來獲得我們需要的高頻率。對于這種高速液壓系統(tǒng)，保持所有液壓線路盡可能短是很有必要的。因?yàn)橛偷谋硥盒枰皶r(shí)維持，為此需要計(jì)算最短的管道長度、收集器和液壓平衡，液壓阻力和壓降減少到一個(gè)絕對最小值。四個(gè)這樣的液壓驅(qū)動器單元被安裝在壓力室體上，這個(gè)壓力室?guī)в?span lang="EN-US">2個(gè)試樣窗口，通過這個(gè)窗口易于安裝試樣，這是非常重要的，同時(shí)在關(guān)上窗口時(shí)的能隨時(shí)觀察試樣，因此，大窗口能承受的內(nèi)壓力也是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的。
安裝試樣需要通過壓板（見圖4和圖5），需要設(shè)計(jì)各種用戶操作工具，例如：一個(gè)基準(zhǔn)設(shè)置工具，用來使試樣直立在中央位置。對GDS來說，試樣膜的安裝是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，因?yàn)榉叫伪葌鹘y(tǒng)的圓柱型的試樣更難安裝和密封。頂帽設(shè)計(jì)成離開試樣的錐形，以保持它們自身重量最小，因?yàn)橐粋€(gè)高頻的系統(tǒng)，運(yùn)動部件需要設(shè)計(jì)的盡可能地輕，以保持它們的慣性最小。
圖4：與常規(guī)三軸試驗(yàn)不同，垂直和水平板都有碰撞的可能
Fig. 4: Unlike conventional triaxial testing, vertical and horizontal platens have””” the potential to collide”.
2.2挑戰(zhàn)二：成對液壓油缸的同步性
在開發(fā)之初就知道，雖然GDS有單軸控制硬件解決方案，但對于多軸動態(tài)場合卻不合適?，F(xiàn)存的固件/軟件不能簡單的是用來處理動態(tài)場合。GDS早已控制了他的產(chǎn)品的各個(gè)方面——機(jī)械，電子，固件和軟件。不受第三方的產(chǎn)品限制。因此，他們可以利用一些現(xiàn)有的硬件模塊，然后用新的方式來解決這個(gè)問題。通過這種方式，GDS重寫固件、編寫軟件，以便于實(shí)現(xiàn)所需要的。
GDS真三軸儀（TTA）方案，每個(gè)液壓油缸配一個(gè)動態(tài)的控制器，這些控制器由一個(gè)高速實(shí)時(shí)局部總線網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使每個(gè)動態(tài)控制器共享實(shí)時(shí)（亞毫秒）的信息。固件利用這些信息來保證在試驗(yàn)中所有動態(tài)控制器保持同步和協(xié)同工作，防止試樣加載時(shí)壓板的碰撞。計(jì)算機(jī)通過軟件協(xié)調(diào)整體行為，每個(gè)單獨(dú)的控制器通知它在一個(gè)整個(gè)試驗(yàn)中應(yīng)該起什么作用，收集和整理每個(gè)控制器收集的數(shù)據(jù)。
2.3挑戰(zhàn)3：保持試樣居中
即使完整的軟件和固件協(xié)調(diào)到位，控制液壓油缸本身是一個(gè)挑戰(zhàn)?？刂瞥蓪Φ囊簤河透椎奈灰剖窍鄬θ菀椎?。如果左邊的驅(qū)動器移動了1mm，那么右邊的也一樣，從而維持試樣居中。當(dāng)采用荷載控制時(shí)，即使校準(zhǔn)時(shí)左邊和右邊加載非常微小的差別，總會使得試樣的中心位置移動。例如：如果精確地在左邊液壓油缸施加2kN的荷載，右邊液壓油缸施加2.01kN的荷載,雖然差別很小，但在校準(zhǔn)時(shí)不可避免有差異，試樣可能移動到左邊。
在荷載控制模式中，一個(gè)液壓油缸專門由荷載控制，同時(shí)對稱的液壓油缸移動到位移控制位置，由反面的位移控制，因此能保持試樣居中的位置。在較低頻率時(shí)能完美運(yùn)行，然而在1Hz以上根本不可能只是根據(jù)測量的位置，原因是液壓油缸實(shí)際反應(yīng)需要時(shí)間——在目標(biāo)位置和到達(dá)該位置之間總會有時(shí)間延遲（雖然?。?這個(gè)簡單的方法：一個(gè)驅(qū)動器總是扮演“追趕”，而程序要求他們都保持鏡像位移完全同步，同時(shí)控制主應(yīng)力的荷載值。
真三軸儀（TTA）使用智能反饋方法解決了這個(gè)問題，當(dāng)一個(gè)ram由荷載控制時(shí)，實(shí)際上它是由荷載和位移控制，這就意味著反饋過程自身生產(chǎn)正確的參考位置，這個(gè)位置可以與對稱位置的液壓油缸共享。利用這個(gè)策略兩個(gè)液壓油缸可以保持位移完全同步，即使一個(gè)針對荷載，另一個(gè)針對位移。
2.4挑戰(zhàn)4：碰撞預(yù)防
GDS 真三軸儀（TTA）設(shè)計(jì)要求四個(gè)液壓油缸在頻率高達(dá)10Hz運(yùn)行時(shí)，具有很高的同步性，同時(shí)確保避免壓板相互碰撞。為了避免碰撞, 必須實(shí)時(shí)解決每個(gè)控制器的位置以保證樣品和機(jī)器不受損害。壓板處碰撞的參考點(diǎn)總是落后于實(shí)際的位置，因此在壓板周圍存在一個(gè)可變的安全區(qū)域，這個(gè)區(qū)域也能觸發(fā)壓板碰撞。圖5顯示了軟件碰撞的狀態(tài)，清楚通知用戶壓板在潛在的碰撞區(qū)，以及哪一塊壓板發(fā)生碰撞。
圖5：壓板狀態(tài)窗口隨時(shí)顯示碰撞狀態(tài)（綠色為不碰撞），b)可以通過窗口觀察立方體試樣
Fig. 5: Platen status window displays collision status at all times (green for not in collision), b) Cubical sample can be viewed through the specimen viewing window.
預(yù)測一個(gè)潛在的碰撞可能即將發(fā)生,也需要重要的邏輯。碰撞處理機(jī)制保證在就要發(fā)生碰撞前用阻力最小的路徑解決潛在的碰撞，移動需要最小位移量的軸來保證壓板永不發(fā)生碰撞。
3結(jié)論
真三軸儀（TTA）可能是GDS迄今為止設(shè)計(jì)的最復(fù)雜和精密的儀器，挑戰(zhàn)了多個(gè)領(lǐng)域——機(jī)械，電子，固件，控制算法和軟件，制樣和軟件，允許實(shí)現(xiàn)比常規(guī)三軸儀更復(fù)雜的應(yīng)力路徑。
關(guān)于真三軸儀（TTA）的更多信息，請參閱www.epco-intl.com.hk ，或者通過郵件”z”hangjingjing@epc.com.hk聯(lián)系。
