专利名称：智能化多功能地质构造物理模拟实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地质勘探与开发部门，在以地质构造形变为主要研究对象的实验构造地质学中，针对各种类型的岩石、岩层、构造类型及组合形式在各种应力作用下的形变规律进行研究的一种实验装置。
背景技术：
以前，再现与研究分析地质构造形变过程的手段基本是手工方法，没有定型的地质构造物理模型，不能对变形过程进行控制，不能对试验过程进行定量分析，试验缺乏重复性和可操作性。为了解决上述问题，提出本实用新型智能化多功能地质构造物理模拟实验装置。
发明内容
本实用新型的第一目的是要提出能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型。
本实用新型的第二目的是要提出能够模拟地层变形的平面拉压实验物理模型。
本实用新型的第三目的是要提出能够模拟地层变形的平面剪压实验物理模型。
本实用新型的第四目的是要提出能够模拟地层变形的平面剪拉实验物理模型。
本实用新型的第五目的是要提出能够为模拟地层变形的地质构造物理模型实验提供动力和变形测量的通用工作平台。
本实用新型的第六目的是要提出能够对模拟地层变形的地质构造物理模型实验过程中的受力和变形进行量化的方法和技术措施。
按照本实用新型的第一目的所提出能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型，其基本构成包括一个介质底板、两个介质加力块、两块观察板、恒温注油罐及其结构框架。其工作原理是在介质底板上和观察板之间铺上多层介质，通过通用工作平台的动力单元对介质加力板施加拉力或压力作用于多层介质上，即可模拟出多层地层在单纯拉力或压力作用下的变形，如果通过注油管路驱动恒温油罐中的高温油注入多层介质，即可模拟地下火山喷发和岩浆底辟侵入等构造变形。
按照本实用新型的第二目的所提出能够模拟地层变形的平面拉压实验物理模型，包括一个平面拉压底板、两个U型加力板、两个定位块及其结构框架。其工作原理是在平面拉压底板上铺上模拟介质，通过动力单元对U型加力板施加拉力或压力作用于介质上，即可模拟出地层在拉力或压力作用下的平面变形。
按照本实用新型的第三目的所提出能够模拟地层变形的平面剪压实验物理模型。其基本构成包括一个箱体、一个固定剪切板、一活动剪切板、一个加力板、定位弹簧组及侧压板、加力杆及其结构框架。其工作原理是固定剪压板和活动剪压板构成一对剪压副，放在箱体中，一组侧压弹簧与侧压板相联系，形成的弹力作用于侧板上，使活动剪压板与固定剪压板在实验中形成一对剪压副，当模拟介质铺置在剪压副的平面上，通用工作平台的动力单元传递的力作用于加力杆上，推动活动剪压板成某一剪切角沿固定剪压板斜边运动，实现了模拟地层在压力作用下成某一角度的剪切变形。
按照本实用新型的第四目的所提出能够模拟地层变形的平面剪拉实验物理模型。其基本构成包括滑动拉力板、固定拉力板、圆形剪切副、定位联动环、转角调整与定位单元和平面剪拉支撑结构框架。其工作原理是在实验中先把联动环放在圆形剪切副环形槽中，松开定位螺钉，给定步进电机一定的脉冲数，则可使圆形剪切副成某一确定的剪切角，然后锁紧定位螺钉，圆形剪切副的一半与滑动拉力板相连，另一半与固定拉力板型相连，移去定位联动环，把实验介质放在圆形剪切副上，通用工作平台的动力单元传递的力作用于加力杆上，推动滑动拉力板运动，同时带动联接其上的圆形剪切副的一半运动，实现了地层在拉力作用下沿某一角度的剪切与拉伸复合变形。
按照本实用新型的第五目的所提出能够为模拟地层变形的地质构造物理模型实验提供动力和变形测量的通用工作平台，如上所述的层面拉压模型、平面拉压模型、平面剪拉模型、平面剪压模型均可在一个平台上进行实验，使得仪器结构紧凑，实验操作方便。其基本构成包括由平流泵、动力液缸、开关阀、三通控制阀和管路组成的一个具有液压控制功能的动力单元。液压控制回路安装在工作台上，为各种模型的实验提供拉压剪切动力。其工作原理是通过接通或关断控制回路中相应的开关阀、三通控制阀即可实现油缸活塞的静止、正向或反向运动。回路中安装有压力传感器和位移传感器，用来测量实验中构造物理模型的受力大小和变形大小。
按照本实用新型的第六目的所提出能够对模拟地层变形的地质构造物理模型实验过程中的受力和变形进行量化的方法和技术措施。其基本构成主要包括中央处理器、图像采集单元、摄像头、压力传感器、位移传感器、模数转换单元、步进电机驱动模块、步进电机、步进电机电源、温度传感器、数值输入/输出单元、数据和命令输入输出单元及其应用软件。其工作原理是实验中，可以通过数据和命令输入输出单元输入有关的数据和命令，经中央处理器处理后使数值输入/输出单元为步进电机驱动模块驱动步进电机提供脉冲数，实现步进电机的正转、反转和静止，达到剪切角度的自动调整和控制。位移，载荷，温度等参数可通过模数转换单元和中央处理器实现参数的自动采集与处理，并可在屏幕上观察参数的变化趋势，全部实验参数均可以实验报告的形式打印输出。摄像头将图像的光信号转换成电信号传输到图像采集单元，经编码后送到中央处理器在相应的图形采集软件支持下进行采集与处理，可在屏幕上进行过程观察，或对某一过程点进行照相，照相可以数据文件的形式保存，生动逼真地再现了地质构造的演化过程。可以通过调节泵的流量实现变形量的控制。温度和压力均可由中央处理器控制。
实验中的图像与数据的采集处理，步进电机的转角控制均在其应用软件的支持下完成。应用软件采用面向对象的编程技术和模块化设计方法，用VB6.0编写编译而成，能完成参数测量要求的传感器零点校正，压力、位移、温度参数的采集和实时显示，测量值的计算，曲线绘制，能完成原始数据和环境参数的输入，并与采集的参数和处理后的数据以磁盘文件形式长期保存，能打印输出有关的测试报告，具有操作提示，系统自检，错误操作处理功能。
本实用新型智能化多功能地质构造物理模拟实验装置的有益效果是，可广泛的应用于地质勘探与开发部门，在以地质构造形变为主要研究对象的实验构造地质学中，针对各种类型的岩石、岩层、构造类型及组合形式在各种应力作用下的形变规律进行研究，通过对地球的各种形变做不同尺寸的物理模拟，研究各种构造现象的形成过程，观察它们在变形过程中各阶段所表现的形态特征，以及边界条件、材料性质、深度与压力之间的关系，在本实用新型上所进行的构造物理摸拟实验对于解释和论证不同类型构造的成因机制有重要的意义和研究价值。
本实用新型的实现原理、基本结构及其实施例还可以通过附图详细说明。
图1是实现本实用新型的第一目的所提出能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型的原理及其结构图。
图2是实现本实用新型的第二目的所提出能够模拟地层变形的平面拉压实验物理模型的原理及其结构图。
图3是实现本实用新型的第三目的所提出能够模拟地层变形的平面剪压实验物理模型的原理及其结构图。
图4是实现本实用新型的第四目的所提出能够模拟地层变形的平面剪拉实验物理模型的原理及其结构图。
图5是实现本实用新型的所提出能够为模拟地层变形的地质构造物理模型实验提供动力和变形测量的通用工作平台的原理图。
图6是实现本实用新型的第六目的所提出能够对模拟地层变形的地质构造物理模型实验过程中的受力和变形进行量化的方法和技术措施的原理图。
具体实施方式
参见图1所示的实现本实用新型的第一目的所提出能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型的原理及其结构图。该模型由模型框架左侧板1、加力板2、观察窗3、注油管路4、介质底板5、恒温加热罐6、拉筋7、模型框架右侧板8、温控单元10和裙板9组成。模型框架左侧板1和模型框架右侧板8固定在介质底板5的左右两边，模型框架左侧板1和模型框架右侧板8之间用两根拉筋7连接，使得模型框架左侧板1与介质底板5，拉筋7，模型框架右侧板8形成稳定的框架结构。两个加力板2夹在观察窗3之间，通过模型框架左侧板1和模型框架右侧板8上的卡槽固定。模型框架左侧板1和模型框架右侧板8上开有一矩形孔，尺寸d为30mm，h为250mm，两个加力板2可通过这个矩形孔导向并受观察窗3的约束在介质底板5上滑动。介质底板5的底部安装有恒温加热罐6，可通过图5所示的通用工作平台液压控制单元对恒温加热罐6注油，其温度的高低由温控单元10通过中央处理器进行控制，温度控制范围在0-200℃。
参见图2所示的实现本实用新型的第二目的所提出能够模拟地层变形的平面拉压实验物理模型的原理及其结构图。该模型由定位块11、U型加力板12、平面拉压底板13、轴承14和平面拉压框架15组成。U型加力板12底边安装有两个轴承14，可在平面拉压底板13上滑动，U型加力板12两边的凸台卡在平面拉压底板13的边缘上与定位块11共同对U型加力板22进行约束和导向，图5所示的通用工作平台工作液缸传递的力作用于U型加力板12上，即可实现模拟地层变形的平面拉压物理模拟实验。
参见图3所示的实现本实用新型的第三目的所提出能够模拟地层变形的平面剪压实验物理模型的原理及其结构图。该模型由箱体16、固定剪切板17、侧压板18、侧压弹簧19、活动剪压板20、加力板21、加力杆22、横向滚动轴承23和平面剪压框架24构成。固定剪压板17和活动剪压板20构成一对剪压副，放在箱体16中，一组侧压弹簧19与侧压板18相联系，形成的弹力作用于活动剪压板20的侧板上，使活动剪压板20与固定剪压板17在实验中形成剪压副；图5所示的通用工作平台工作液缸传递的力作用于加力杆22上，推动活动剪压板20沿固定剪压板17成α度剪切角的斜边运动；加力杆22的一端安装有一个横向滚动轴承23，可在加力板21上的横向移位补偿槽中滚动，从而实现了当加力杆22沿轴线方向运动时，活动剪压板20沿固定剪压板17成α度剪切角的斜边方向的运动。活动剪压板20与固定剪压板17形成的剪压副，其剪切角α按3°、5°、10°、15°、30°、45°配置，或根据需要成任意角配置。
参见图4所示的实现本实用新型的第四目的所提出能够模拟地层变形的剪拉实验物理模型的原理及其结构图。该模型由固定拉力板25、底板26、剪切板27、联动环28、平键29、步进电机30、定位块31、活动拉力板32、定位条33、剪拉框架34、加力块35和定位螺钉36组成。剪切板27为两半圆形成一对圆形剪切副，其上可固定两个定位块31，在剪切板27上开有一环形槽，联动环28放在该环形槽中，步进电机的转轴与圆形剪切副的一半平键29固定，它的定子与活动拉力板32固定，当步进电机转动时，可实现圆形剪切副的联动，形成图中所示的剪切角α，剪切角α≤45°，剪切角精确度为0.5°；剪切板27的两半圆上分别开有两个环形孔，通过定位螺钉36分别与活动拉压力板32和固定拉压力板25连接，活动拉力板32为一矩形板，通过定位条33在底板26的横向定位，活动拉压力板31可在底板26的纵向上移动。将实验介质铺在两半圆形成一对圆形剪切副上，图5所示的通用工作平台工作液缸传递的力作用于加力块35，带动活动拉压力板31在底板26的纵向上移动，即可实现模拟地层变形的平面剪拉物理模拟实验。
参见图5所示的实现本实用新型的第五目的所提出能够为模拟地层变形的地质构造物理模型实验提供动力和变形测量的通用工作平台的原理和结构图。通用工作平台包括油箱37、平流泵38、注液阀39、压力传感器40、三通阀41、定位条42、管线43、三通阀44、工作台柜45、右动力液缸46、三通阀47、位移传感器48、接头49、实验模型50、三通阀51和左动力液缸52。工作台柜45为柜式结构，左动力液缸52和右动力液缸47布置在工作台柜45的台面上，三通阀41、三通阀44、三通阀47、三通阀51和注液阀39布置在工作台柜45的面板上，平流泵38和油箱37放在控制台柜体内，通过管线43把他们有效连接。关闭注液阀39，三通阀41、44、47、51接通到“+”，即可使左动力液缸52和右动力液缸46的活塞对实验模形施加同样大小的压力，三通阀41、44、47、51接通到“-”，即可使左动力液缸52和右动力液缸46的活塞对实验模形施加同样大小的拉力，三通阀41、51接通到中间位即可使左动力液缸52的活塞静止，三通阀44、47接通到中间位即可使右动力液缸46的活塞静止。可打开注油阀39通过平流泵38向图1所式的层面拉压模型的恒温加热罐6注油。定位条42通过螺钉与工作台柜45连接，实现对实验模型的约束。压力传感器40安装在平流泵38的出口管路上，通过测量管路中的压力即可换算出作用于实验介质上的力的大小，压力传感器的量程0-2.5MPa，精度0.2％。位移传感器48的触头与油缸活塞杆联动，通过测量液缸活塞的位移即可换算出实验介质的变形量，位移传感器的量程0-100mm，精度0.1％。工作平台可提供的剪切与拉伸(压缩)位移速度为10-100mm/h；剪切与拉伸(压缩)载荷≤200KN；最大变形量为200mm；液缸行程为120mm；耐压20MPa。
包括平面剪拉模型、平面剪压模型、平面拉压模型、层面拉压模型和通用工作平台有相同的公共尺寸L和尺寸H。
参见图6所示的实现本实用新型的第六目的所提出的能够为模拟地层变形的地质构造物理模拟实验过程中的受力和变形进行量化的方法和技术措施的原理图。主要包括中央处理器53、图像采集单元54、摄像头55、压力传感器56、位移传感器57、模数转换单元58、步进电机59、步进电机驱动模块60、步进电机电源61、数值输入/输出单元62、数据和命令输入输出单元63及其应用软件。摄像头55将图像的光信号转换成电信号传输到图像采集单元54，经编码后送到中央处理器53进行采集与处理。压力传感器56，位移传感器57将其信号送到模数转换单元58，经模数转换后送到中央处理器53进行采集与处理。通过数据和命令输入输出单元63输入有关的数据和命令，经中央处理器53处理后，经过数值输入/输出单元62，为步进电机驱动模块60驱动步进电机59提供脉冲数，实现步进电机的正转、反转和静止。步进电机电源61为步进电机59提供工作电流。
实验中的图像与数据的采集处理，步进电机的转角控制均在其应用软件的支持下完成。应用软件采用面向对象的编程技术和模块化设计方法，用VB6.0编写编译而成，其功能模块包括系统调试模块、参数输入模块、零点校正模块、数据采集模块、图像采集模块、实时显示模块、数据存取模块和打印输出模块。
以上详细叙述了本实用新型的基本思想及图示实施例，熟悉本技术的人，在不背离本实用新型的精神下可以对本实用新型做出许多变更，因此要使本实用新型的保护范围由附加的权利要求书及其等同物来确定。
权利要求1.一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于该实验装置由能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型、平面拉压实验物理模型、平面剪压实验物理模型和平面剪拉实验物理模型，能够为模拟地层变形的地质构造物理实验提供动力和变形测量的通用工作平台，能够对模拟地层变形的地质构造物理模拟实验过程中的受力和变形进行量化的数据、图形进行采集与处理的硬件及其应用软件构成。
2.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够模拟地层变形的层面拉压实验物理模型，由模型框架左侧板、模型框架右侧板、两根拉筋、注油管路、介质底板、恒温加热罐、两个介质加力块和两块观察板及其层面结构框架构成；模型框架左侧板和模型框架右侧板固定在介质底板的左右两边，之间用两根拉筋连接，使得模型框架左侧板与介质底板，拉筋和模型框架右侧板形成稳定的框架结构；两个加力板夹在观察板之间，通过模型框架左侧板和模型框架右侧板上的卡槽固定；模型框架左侧板和模型框架右侧板上开有一矩形孔，尺寸d为30mm，h为250mm；两个加力板可通过这个矩形孔导向并受观察板的约束在介质底板上滑动；介质底板的底部安装有恒温油罐，可通过通用工作平台的液压控制单元对恒温油罐注油，其温度的高低由温控单元进行控制。
3.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够模拟地层变形的平面拉压实验物理模型，该模型由定位块、U型加力板、平面拉压底板和模型框架组成；U型加力板底边安装有两个轴承，可在平面拉压底板上滑动，U型加力板两边的凸台卡在平面拉压底板的边缘上。
4.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够模拟地层变形的平面剪压实验物理模型，该模型由箱体、固定剪切板、侧压板、侧压弹簧、活动剪切板、加力板、加力杆及框架构成；固定剪压板和活动剪压板构成一对剪压副，放在箱体中，一组侧压弹簧与侧压板相联系，形成的弹力作用于侧板上，使活动剪压板与固定剪压板在实验中形成剪压副；加力杆的一端安装有一个横向滚动轴承；活动剪压板与固定剪压板形成的剪压副，其剪切角按3°、5°、10°、15°、30°、45°配置，或根据需要成任意角配置。
5.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够模拟地层变形的平面剪拉实验物理模型，该模型由底板、活动拉力板、圆形剪切副、定位联动环、步进电机、定位块、定位螺钉、平面剪拉支撑结构框架组成；圆形剪切副上开有一环形槽，联动环可放在该环形槽中，其上可固定两个定位块，步进电机的转轴与圆型剪切副的一半固定，它的定子与活动拉力板固定；松开定位螺钉，给定步进电机一定的脉冲数，则可使剪切副成某一确定的剪切角，最大剪切角≤45°，剪切角精确度0.5°；圆形剪切副的两半圆上还分别开有两个环形孔，通过定位螺钉分别与活动拉力板和固定拉力板连接；活动拉力板通过定位条在底板的横向定位，活动拉压力板可在底板的纵向上移动。
6.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够为模拟地层变形的地质构造物理模型实验提供动力和变形测量的通用工作平台，该工作平台由平流泵、油箱、左动力液缸、右动力液缸、压力传感器、位移传感器、三通阀、控制台、开关阀、管线和定位条组成；左动力液缸和右动力液缸布置在控制台的台面上，三通阀和开关阀布置在控制台的面板上，平流泵和油箱放在控制台柜体内，通过管线把它们有效连接；层面拉压实验物理模型、平面拉压实验物理模型、平面剪压实验物理模型、平面剪拉实验物理模型均可在一个平台上进行实验；由平流泵，动力液缸，开关阀，三通控制阀和管路组成的一个液压控制回路，为各种模型的实验提供拉压、剪切动力；通过接通或关断开管阀、三通阀到相应的管路即可实验油缸活塞的静止、正向或反向运动；压力传感器安装在泵的出口管路上，位移传感器的触头与油缸活塞联动。
7.根据权利要求1所述的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，其特征在于所述的能够对模拟地层变形的实验过程中的受力和变形进行量化的数据、图形进行采集与处理的硬件及其应用软件，硬件主要包括中央处理器、图像采集单元、摄像头、压力传感器、位移传感器、步进电机驱动模块、步进电机、步进电机电源、温度传感器、数值输入/输出单元、数据和命令输入输出单元。
专利摘要本实用新型涉及地质勘探与开发部门，在以地质构造形变为主要研究对象的实验构造地质学中，针对各种类型的岩石、岩层、构造类型及组合形式在各种应力作用下的形变规律进行研究的一种智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，包括能够模拟地层变形的层面实验物理拉压模型、平面拉压实验物理模型、平面剪拉实验物理模型、平面剪压实验物理模型，能够为模拟地层变形的地质构造物理模拟实验提供动力和变形测量的通用工作平台，能够对模拟地层变形的地质构造物理模拟实验过程中的受力和变形进行量化的数据、图形进行采集和处理的方法和技术措施及其应用软件。模型的模拟变形量为0－200mm，模拟载荷 ≤200KN，模拟剪切应力角按3°、5°、10°、15°、30°、45°规格配置或根据需要成任意角配置。利用本实用新型智能化多功能地质构造物理模拟实验装置，通过对地球的各种形变做不同尺寸的物理模拟，研究各种构造现象的形成过程，观察它们在变形过程中各阶段所表现的形态特征，以及边界条件、材料性质、深度与压力之间的关系，所进行的构造物理模拟实验对于解释和论证不同类型构造的成因机制有重要的意义和研究价值。
文档编号G09B25/00GK2638170SQ0324635
公开日2004年9月1日 申请日期2004年3月11日 优先权日2004年3月11日
发明者赵仕俊, 李晓东, 赫庆坤, 张小明 申请人:石油大学(华东)石油仪器仪表研究所