开发先进岩土实验仪器遇到的挑战

在高端岩土设备方面，GDS仪器对于岩土工程师来说并不陌生。GDS公司成立于1979年，主要研发岩土实验设备。在早期的25年里，GDS主要为大学研究人员生产计算机控制的高级测试系统。2015年4月，香港科技大学引进了GDS最新成果——真三轴仪(见图1)。在该套系统压法过程中，GDS工程师客服了机械设计、液压油缸的同步性和碰撞预防等诸多挑战，解决了一系列难题，为岩土工程师们开展更加复杂的应力路径试验研究提供了可靠工具。

图1   真三轴仪TTA

1介绍

与常规三轴仪不同，真三轴仪（TTA）的特征是三个主应力都能独立控制。在常规三轴仪中，圆柱体试样的径向压力σ2 和 σ3是相等的，轴向杆控制需要加载的主应力σ1（见图2a）。真三轴仪设计成能够独立控制施加在土试样上的应力σ1, σ2 和σ3的大小（见图2b），从而使得该系统可以进行更复杂的应力路径试验。

图2  a)常规三轴仪试样的应力状态 b) 真三轴仪试样的应力状态

杰尔曼于1936年首次发现，真三轴仪的原理可以用于研究应力路径，根据这个原理可以在常规三轴仪中研究应力路径。随着许多测试设备的发展，低成本的电子元件的普及，真三轴仪（TTA）作为一个可行的测试系统，如今更多的被用作研究工具。杰尔曼的仪器利用固定边界方法，用6块板相互滑动产生3个轴向力。

GDS设计的系统使用更独特的方法来施加应力，通过使用一个混合边界，两个边界固定（σ1 和 σ2），最后一个轴（σ3）使用固定的液压。

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设备开发中的挑战

设计实现高达频率10Hz的动载荷实验，同时也能实现负荷准静态低应变剪切试验，是GDS的这款真三轴仪（TTA）的最大挑战之一。

挑战一：机械设计

系统机械设计的主要挑战是产生满足高频率运行要求的可靠的驱动器。静压轴承布置的设计需要考虑复杂的材料和工序，同时非常严格的控制尺寸,同心度和它们的公差。每个液压驱动器由独立的高响应度的伺服阀控制，来获得我们需要的高频率。对于这种高速液压系统，保持所有液压线路尽可能短是很有必要的。因为油的背压需要及时维持，为此需要计算最短的管道长度、收集器和液压平衡，液压阻力和压降减少到一个绝对最小值。四个这样的液压驱动器单元被安装在压力室体上，这个压力室带有2个试样窗口，通过这个窗口易于安装试样，这是非常重要的，同时在关上窗口时的能随时观察试样，因此，大窗口能承受的内压力也是设计时需要考虑的。

安装试样需要通过压板（见图3和图4），需要设计各种用户操作工具，例如：一个基准设置工具，用来使试样直立在中央位置。对GDS来说，试样膜的安装是一个新的挑战，因为方形比传统的圆柱型的试样更难安装和密封。顶帽设计成离开试样的锥形，以保持它们自身重量最小，因为一个高频的系统，运动部件需要设计的尽可能地轻，以保持它们的惯性最小。

图3：与常规三轴试验不同，垂直和水平板都有碰撞的可能

挑战二：成对液压油缸的同步性

在开发之初就知道，虽然GDS有卓越的单轴控制硬件解决方案，但对于多轴动态场合却不合适。现存的固件/软件不能简单的是用来处理动态场合。GDS早已控制了他的产品的各个方面——机械，电子，固件和软件。不受第三方的产品限制。因此，他们可以利用一些现有的硬件模块，然后用全新的方式来解决这个问题。通过这种方式，GDS重写固件、编写软件，以便于实现所需要的。

GDS真三轴仪（TTA）方案，每个液压油缸配一个动态的控制器，这些控制器由一个高速实时局部总线网络连接在一起，使每个动态控制器共享实时（亚毫秒）的信息。固件利用这些信息来保证在试验中所有动态控制器保持同步和协同工作，防止试样加载时压板的碰撞。计算机通过软件协调整体行为，每个单独的控制器通知它在一个整个试验中应该起什么作用，收集和整理每个控制器收集的数据。

挑战三：保持试样居中

即使完整的软件和固件协调到位，控制液压油缸本身是一个挑战。控制成对的液压油缸的位移是相对容易的。如果左边的驱动器移动了1mm，那么右边的也一样，从而维持试样居中。当采用荷载控制时，即使校准时左边和右边加载非常微小的差别，总会使得试样的中心位置移动。例如：如果精确地在左边液压油缸施加2kN的荷载，右边液压油缸施加2.01kN的荷载,虽然差别很小，但在校准时不可避免有差异，试样可能移动到左边。

在荷载控制模式中，一个液压油缸专门由荷载控制，同时对称的液压油缸移动到位移控制位置，由反面的位移控制，因此能保持试样居中的位置。在较低频率时能完美运行，然而在1Hz以上根本不可能只是根据测量的位置，原因是液压油缸实际反应需要时间——在目标位置和到达该位置之间总会有时间延迟（虽然小）。这个简单的方法：一个驱动器总是扮演“追赶”，而程序要求他们都保持镜像位移完全同步，同时控制主应力的荷载值。

真三轴仪（TTA）使用智能反馈方法解决了这个问题，当一个ram由荷载控制时，实际上它是由荷载和位移控制，这就意味着反馈过程自身生产正确的参考位置，这个位置可以与对称位置的液压油缸共享。利用这个策略两个液压油缸可以保持位移完全同步，即使一个针对荷载，另一个针对位移。

挑战四：碰撞预防

GDS 真三轴仪（TTA）设计要求四个液压油缸在频率高达10Hz运行时，具有很高的同步性，同时确保避免压板相互碰撞。为了避免碰撞, 必须实时解决每个控制器的位置以保证样品和机器不受损害。压板处碰撞的参考点总是落后于实际的位置，因此在压板周围存在一个可变的安全区域，这个区域也能触发压板碰撞。图4显示了软件碰撞的状态，清楚通知用户压板在潜在的碰撞区，以及哪一块压板发生碰撞。

图4：压板状态窗口随时显示碰撞状态（绿色为不碰撞）

预测一个潜在的碰撞可能即将发生,也需要重要的逻辑。碰撞处理机制保证在就要发生碰撞前用阻力最小的路径解决潜在的碰撞，移动需要最小位移量的轴来保证压板永不发生碰撞。

3结论

真三轴仪（TTA）可能是GDS迄今为止设计的最复杂和精密的仪器，挑战了多个领域——机械，电子，固件，控制算法和软件，制样和软件，允许实现比常规三轴仪更复杂的应力路径。

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