岩石三轴试验压力室简体的设计与有限元分析.pdf

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1、现代制造工程2010年第1期设备设计／诊断维修／再制造岩石三轴试验压力室简体的设计与有限元分析肖昌，吴来杰，李波，康晓娟，胡波，高厚秀(中国地质大学(武汉)，武汉430074)摘要：根据材料力学计算压力窒筒体参数，利用Pm／EWildFire3．0的三维实体造型功能，建立三轴试验压力室三维模型，将筒体模型导入ANSYS形成相应的三维有限元模型，对压力室筒体进行有限元分析，得出简体应力分布云图，为压力室的设计制造提供可靠的理论依据。关键词：压力室；筒体；有限元分析中图分类号：P75文献标识码：A文章编

2、号：167l_3133(2010)01-----0128----03ThedesignandfiniteelementanalysisoftriaxialtestofrockpressurechambercylinderXIAOChang，WULai-jie，LIBo，KANGXiao-juan，HUBo，GAOHou—xiu(ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan)，Wuhan430074，China)Abstract：Calculatingparametersofp

3、ressurechamber'scylinderaccordingtothematerialmechanics，usingthethree—dimensionalsolidmodelingcapabilitiesofPro／EWildFire3．0，andestablishingthethree-dimensionalmodelofthethree—axispilotpressurechamber．Then，formingthecorrespondingthree-dimensionalfinite

4、elementmodelbyimportingthecylindermodelintoANSYS．Throughtheanalysisofthecylinderpressurechamber，obtainthecloudypictureofstressdistributionofcylinderandprovidethetheoreticalbasisforthedesignandmanufactureofpressurechamber．Keywords：pressurechamber；cylind

5、er；finiteelementanalysis0引言在岩石特征测试试验中，三轴试验仪是一种能够较为真实地模拟岩石承受荷载环境的基础试验仪器，在此仪器上，通过岩石三轴压缩试验来测定岩石的凝聚力和内摩擦力，以计算岩石抗剪强度¨J。而岩石的抗剪强度表征了岩石建筑体如水库、堤坝等承受载荷的能力，所以三轴试验仪已成为测定岩石的强度与变形指标为岩石工程提供试验参数的必不可少的仪器。在不同的实际工程环境中，岩石会承受巨大的轴向压力，横向的剪切力或同时承载两者作用，故在试验中需要一个封闭的工作室让岩石试样模拟实际

6、环境工作，即压力室。试验过程中压力室承受巨大的轴压与围压，在压力室内部会造成应力集中。改善压力室应力分布不均匀，提高其承载能力，保证其试验过程中的安全性和运行可靠性是压力室筒体设计制造过程中最值得关注的问题。本文将三维建模软件Pro／E和ANSYS分析软件相结合，充分发挥各自优势，建立压力室实体模型并形成相应的有限元模型，经加载，进行压力室筒体应128力场分析，得出其应力分布图，为压力室筒体的设计制造提供可靠的理论依据。l压力室简体设计根据实际应用要求，在本文设计的三轴试验仪的试验过程中，需选取最大

7、围压为50MPa(行业推选30～100MPa)，轴压为300MPa，能满足的待测样品尺寸直径为筇0一qblOOmm，高度为100～200mm，最大孔隙水压力为3MPa。压力室筒体材料为16MnR，其屈服强度盯，=345MPa。图l所示为压力室示意图。压力室由简体与底座通过螺栓连接，活塞杆通过压力室筒体端部作用在岩样上，且活塞杆与筒体之间需要密封。在压力室中充满油液，通过泵的作用改变压力，围压传感器测得围压力；将载荷直接加到压力室的顶盖活塞杆上，最后施加于岩样之上，通过主应力传感器测得轴向压力。一般情

8、况下，通过受力构件的任意点皆可找到三个相互垂直的主平面，因而每一点都有三个主应力，若三个应力中有两个不等于零，则称为二向或平面应力状态。在二向应力状态的实例中，压力室筒体应力设备设计／诊断维修／再常l造现代制造工程2010年第1期图1压力室不意状态就为二向应力状态。1．1压力室简体结构设计计算假设壁厚为6，根据材料力学，圆筒壁上的内应力分布随壁厚的不同而不同，厚壁圆筒比薄壁圆筒的应力分布规律要复杂得多，应力计算也不一样。通常壁厚与筒内径之比8／D>0．1时，按厚壁公式