一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒及测试装置

本申请涉及材料测试领域，尤其是涉及一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒及测试装置。

背景技术：

1、近年来，随着人类深空探测计划的推进，月球表面环境及其物质力学特性研究逐渐成为航天科学与工程领域的重点课题之一。月壤作为月球表面的主要覆盖物，其力学特性不仅直接影响月面设备的设计与运行，还关系到行星探测任务的顺利实施以及月基设施的规划与建造。然而，由于月球特殊的低重力、真空、高温差环境，月壤在不同受荷状态下表现出的力学行为和颗粒运动特性与地球土壤存在显著差异，亟需专门的研究与测试手段加以探明。

2、传统的土壤力学测试设备和方法难以完全模拟月面极端环境，且在测试过程中难以实现对土壤颗粒微观运动的高精度追踪分析。当前研究中，许多环剪测试装置仅针对常规环境，未能有效考虑月面真空、温度波动等复杂条件的影响。

技术实现思路

1、为了模拟月面环境，实现多种加载条件下对模拟月壤宏观力学行为及颗粒微观运动特性的综合测试，本申请提供一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒及测试装置。

2、本申请提供的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒采用如下的技术方案：

3、一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，包括：

4、下盒体，固定设置于环剪仪的剪切盘上，所述下盒体包括同轴固接的下盒内筒和下盒外筒，所述下盒内筒和下盒外筒之间形成用于容纳试样的环状空间；所述下盒体的底部设置有与试样接触的底板，所述底板采用透气材料制成；

5、上盒体，包括同轴固接的上盒内筒和上盒外筒；所述上盒体转动设置于所述下盒体上，二者之间设置的缝隙为剪切缝；

6、轴向加载组件，用于对试样施加轴向压力，包括沿所述上盒体的轴向滑动设置于所述上盒体中的加载压头，所述加载压头采用透气材料制成；

7、真空气道，包括上抽气孔道和下抽气孔道，所述上抽气孔道与所述加载压头连通，所述下抽气孔道与所述底板连通，所述上抽气孔道和下抽气孔道均与外界真空环境连通；

8、剪切缝调节机构，用于调节所述剪切缝的宽度。

9、使用时，将环剪仪置于月面环境箱（高低温真空仓）或工业ct内，在剪切盒内填充模拟月壤试样，然后将剪切盒固定于环剪仪的剪切盘上，利用轴向加载组件对试样施加轴向压力，剪切盘旋转，对试样施加扭矩。上抽气孔道和下抽气孔道将试样与外界真空环境连通，使试样处于模拟月面的真空环境中。

10、进一步地，所述透气材料为透气的烧结黄铜。

11、进一步地，所述下盒体还包括底座，所述底板固定设置于所述底座的上端面，所述下抽气孔道贯穿设置于所述底座中。

12、进一步地，所述轴向加载组件还包括固定连接于所述加载压头的多个连接杆，所述上抽气孔道贯穿设置于所述连接杆中。

13、本申请实现了试样上下两个方向的充分气体交换，不仅提高了真空抽气效率，还确保了抽气过程的均匀性，为模拟月面环境提供了可靠的支持。

14、进一步地，所述下盒内筒和上盒内筒均开设有内通气孔道，所述内通气孔道的一端与试样接触、另一端与外界真空环境连通。

15、内通气孔道使试样内部直接连通于外界真空环境，不仅能够提高抽真空的效率，还有助于保持试样内部真空的均匀性。

16、进一步地，所述内通气孔道与试样接触的一端设置有过滤结构。

17、过滤结构有助于避免抽真空的过程中试样进入内通气孔道。

18、进一步地，所述剪切缝调节机构包括转动设置于所述剪切盘上的剪切缝调节环，所述剪切缝调节环套设于所述下盒外筒外，所述剪切缝调节环的上端面间隔设置有多个倾斜面，所述倾斜面的倾斜方向沿所述剪切缝调节环的环向延伸；所述上盒外筒的外周侧固定设置有与所述倾斜面一一对应的多个凸块，每个所述凸块抵接于对应的所述倾斜面。

19、进一步地，所述上盒外筒的外周侧固定设置有多个螺母，每个所述螺母螺纹连接有调节螺栓，所述调节螺栓呈竖直设置且其底端抵接于所述剪切盘的上端面。

20、调节剪切缝宽度时，首先将调节螺栓拧松，使其底端不再抵接于剪切盘；然后转动剪切缝调节环，在此过程中，倾斜面抵接于凸块，将上盒外筒向上顶起或使上盒外筒在自身重力作用下向下移动，从而调节上盒外筒和下盒外筒的间距，即实现剪切缝宽度的调节。调节到位后，将调节螺栓拧紧，使其底端抵接于剪切盘，实现剪切缝宽度的锁定。剪切缝的宽度可以由剪切缝调节环的转动角度以及倾斜面的倾斜角计算得到。

21、通过精确调节剪切缝的宽度，使剪切缝宽度与月壤颗粒级配和受力需求相适应，确保剪切过程更贴近实际月面受力条件，具体包括：

22、测试松散状态的模拟月壤时，颗粒间的接触力容易受到外界干扰。通过设置可调节的剪切缝，可以调整模拟月壤在剪切过程中受力的均匀性，避免因剪切缝过小导致颗粒被挤压或破碎，或者因缝隙过大导致应力集中不均。

23、在剪切过程中，模拟月壤颗粒土体表现出复杂的颗粒滑移、滚动和重新排列行为。剪切缝的调节可以帮助控制这些行为的空间限制，从而更真实地反映颗粒土体在剪切作用下的变形特性。例如，通过适度增大剪切缝，可以更好地观察颗粒土体的颗粒滑移和界面摩擦现象。

24、本申请还提供一种用于模拟月壤环剪测试的测试装置，包括环剪仪和剪切盒，剪切盒包括前述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，环剪仪包括：

25、扭剪测控模块，用于对试样施加扭矩并采集应力数据；

26、轴向加载测控模块，用于对试样施加轴向压力并采集应力数据；

27、传感模块，包括用于测量试样温度的温度传感器、用于监测试样内部结构变化的声发射传感器、用于测量试样轴向变形的lvdt传感器。

28、进一步地，剪切盒还包括一种用于模拟月壤环剪ct测试的剪切盒。

29、当环剪仪置于月面环境箱（高低温真空仓）时，使用一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，进行宏观剪切测试。当环剪仪置于工业ct设备内时，使用一种用于模拟月壤环剪ct测试的剪切盒，通过工业ct设备对剪切和压缩等多种受力状态下土体颗粒运动轨迹的动态观测，可揭示模拟月壤宏-微观力学行为之间的耦合作用机理。

30、综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

31、1.本申请能够提供包括真空、温度和力学加载等多场耦合的月壤环境模拟，实现月壤力学行为的多场协同分析，确保测试结果的真实性和可靠性；利用剪切加载装置与工业ct协同工作，通过多场耦合测试深入分析跨尺度力学特性，将宏观受力状态与颗粒微观运动特性有机结合，揭示月壤宏-微观力学耦合机理。

32、2.采用抽气孔道配合具有优异透气性的烧结黄铜材料，形成贯穿试样的气流，实现了试样上下两个方向的充分气体交换，不仅提高了真空抽气效率，还确保了抽气过程的均匀性，为模拟月面环境提供了可靠的支持；

33、3.通过剪切缝调节环实现剪切缝宽度的快速精确调节，使剪切缝宽度与月壤颗粒级配和受力需求相适应，确保剪切过程更贴近实际月面受力条件。

技术特征：

1.一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述透气材料为透气的烧结黄铜。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述下盒体还包括底座，所述底板固定设置于所述底座的上端面，所述下抽气孔道贯穿设置于所述底座中。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述轴向加载组件还包括固定连接于所述加载压头的多个连接杆，所述上抽气孔道贯穿设置于所述连接杆中。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述下盒内筒和上盒内筒均开设有内通气孔道，所述内通气孔道的一端与试样接触、另一端与外界真空环境连通。

6.根据权利要求5所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述内通气孔道与试样接触的一端设置有过滤结构。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述剪切缝调节机构包括转动设置于所述剪切盘上的剪切缝调节环，所述剪切缝调节环套设于所述下盒外筒外，所述剪切缝调节环的上端面间隔设置有多个倾斜面，所述倾斜面的倾斜方向沿所述剪切缝调节环的环向延伸；所述上盒外筒的外周侧固定设置有与所述倾斜面一一对应的多个凸块，每个所述凸块抵接于对应的所述倾斜面。

8.根据权利要求7所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，其特征在于：所述上盒外筒的外周侧固定设置有多个螺母，每个所述螺母螺纹连接有调节螺栓，所述调节螺栓呈竖直设置且其底端抵接于所述剪切盘的上端面。

9.一种用于模拟月壤环剪测试的测试装置，其特征在于：包括环剪仪和剪切盒，所述剪切盒包括权利要求1-8任一项所述的一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒，所述环剪仪包括：

10.根据权利要求9所述的一种用于模拟月壤环剪测试的测试装置，其特征在于：所述剪切盒还包括一种用于模拟月壤环剪ct测试的剪切盒。

技术总结
本申请涉及材料测试领域，具体公开了一种用于模拟月壤环剪测试的剪切盒及测试装置，剪切盒包括下盒体、上盒体、轴向加载组件、真空气道和剪切缝调节机构；测试装置包括环剪仪和剪切盒，其中，环剪仪包括扭剪测控模块、轴向加载测控模块和传感模块，传感模块包括温度传感组件、声发射传感器声发射传感器等。本申请能够提供包括真空、温度和力学加载等多场耦合的月壤环境模拟，实现月壤力学行为的多场协同分析和跨尺度研究。

技术研发人员：王顺,滕越,李典庆,王睿珺,苏正洋
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2025/4/10