NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪的设计研究

摘要

随着我国国民经济的高速发展，许多高层建筑、高海拔的大坝、海湾工程、港口建设、水利工程建设和整治等项目中，从事土力学的研究者需要涉及到土与不同材料结构接触面的静动力学特性研究，这些问题涉及到非线性、大变形、局部不连续等力学前沿问题，是土体与结构物相互作用研究的核心之一。接触面力学特性研究的一个基本途径是通过接触面基本力学特性试验，研究影响接触面力学特性的主要因素和基本规律，建立描述接触面力学特性的本构关系。
　　 研制NHRI-4000型高性能大接触面直剪仪项目的主要意义在于通过该仪器为测试不同材料间的摩擦特性提供装备。利用该产品进行粗粒土与结构材料的接触面加载试验，研究接触面的受力变形机理及规律，通过该仪器在不同的法向力的作用下，测量土体与结构材料之间的抗剪切能力，从而研究土体与不同结构材料的摩擦特性。
　　 该仪器由法向力和剪切力的执行机构、测量装置、计算机控制软件组成。通过计算机软件控制两执行机构，实现应力控制和应变控制下土体与结构材料的压缩特性，也可以实现等剪切面的直剪试验和变剪切面的直剪试验。由于采用了计算机软件对不同的试验要求的柔性控制和数据自动测量技术，大大地方便了土工试验的研究者们，使他们能够从宏观和细观两个方面对接触面受力变形进行精确测量。该仪器的研制为土工试验提供了大压力范围、柔性控制的仪器设备，满足在土工建设的领域的科研需要。
　　 本论文对法向力和剪切力的控制精度等问题进行了研究。利用法向力和剪切力测量的数据，结合计算机算法，闭环控制伺服电机的速度，达到法向力和剪切力的控制精度要求。
　　 本论文对系统控制模式进行研究。采用上位机对下位机数据交换，实现上位机对下位机的控制。
　　 本论文对测量数据的稳定性进行了研究。在硬件电路上利用电路的低通滤波等技术保证信号的稳定性；在软件上采用简单移动平均法算法技术，从软件上解决外围环境对数据的干扰。
　　 本论文在通信数据可靠性进行了研究。采用了奇偶校验和特征值检验，保证数据的准确。
　　 本论文选择Delphi语言进行编程，采用数据库技术保存数据，实时显示图表。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究背景和课题来源

1.2直剪仪开发设计现状

1.3本课题研究的目的和意义

1.3.1本课题研究的目的

1.3.2本课题研究的理论意义和工程意义

1.4本课题的主要研究内容

2总体设计

2.1摩擦系数测定方法

2.2直剪仪技术参数

2.3直剪仪总体结构及工作原理

2.3.1直剪仪总体结构

2.3.2直剪仪工作原理

2.4法向力施加装置及控制

2.4.1法向力施加装置方案选择

2.4.2法向力施加装置设计图及工作原理

2.4.3法向力施加装置控制单元设计

2.5剪切力施加装置及控制

2.5.1剪切力施加装置方案选择

2.5.2剪切力施加装置设计图及工作原理

2.5.3剪切力施加装置控制单元设计

2.6框架构件设计

2.6.1框架构件的要求

2.6.2框架构件图及要求

2.7测量单元

2.7.1测量单元要求概述

2.7.2测量单元技术指标

2.7.3测量单元控制框图

2.8系统软件设计

2.8.1系统软件设计要求

2.8.2系统软件设计框图

2.8.3软件设计要点

2.9本章小结

3法向力和剪切力控制精度的实现

3.1法向力和剪切力控制精度控制概述

3.2 PID在直剪仪控制中的应用

3.2.1数字PID控制算法

3.2.2选择调节因子

3.2.3应用PID算法

3.3法向力控制的结果

3.4本章小结

4系统控制模式设计

4.1直剪仪控制要求概述

4.2应用多机通信方式

4.2.1 RS-232通信总线的特点

4.2.2多机通信原理

4.2.3多机通信在直剪仪控制中的实现

4.3多机通信方法使用结果

4.4本章小结

5传感器测量稳定性研究

5.1传感器测量稳定性要求概述

5.2应用简单平移法降噪

5.2.1简单平移法理论概述

5.2.2使用平移法理论的实现

5.3传感器测量的结果

5.4本章小结

6通信数据可靠性的实现

6.1通信数据可靠性要求概述

6.2串口通信协议在直剪仪中应用

6.2.1串口通信协议概述

6.2.2串口通信协议在直剪仪的设计

6.3通信协议使用的结果

6.4本章小结

7系统软件编程

7.1系统软件设计要求概述

7.2编程软件的实现

7.3编程软件的结果

7.4本章小结

8试验

8.1直剪仪综合试验概述

8.2框架构件的变形试验

8.3直剪试验

8.3.1直剪试验结果

8.3.2直剪试验摩擦特性

8.4本章小结

9结论与展望

9.1论文的结论

9.2展望

致谢

参考文献