本发明公开了一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法，所述装置包括匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组、导磁铠铁、匀强磁场矫正环以及径向磁场矫正线圈组；所述匀强磁场线圈组由主线圈和补偿线圈组组成且同轴套设在导磁铠铁上，梯度磁场线圈组由两个相同的梯度线圈组成并且分别紧邻导磁铠铁的A发射端和B发射端同轴对称安装，两个匀强磁场矫正环分别套设在A发射端和B发射端外部；所述径向磁场矫正线圈组由四个“马鞍形”径向磁场矫正线圈围成圆形结构并同轴套设在试验空间外部。本发明有效地克服了现阶段磁重力模型试验装置模拟重力场强度低、径向误差大和试验空间封闭的技术难题，极大地推动了磁重力模型试验的发展。
1.开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，其特征在于：包括匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组、导磁铠铁(5)、匀强磁场矫正环以及径向磁场矫正线圈组；
所述导磁铠铁(5)由基体和设置于基体上的发射端组成，所述基体为一个竖向长柱和设置于竖向长柱两端的两个水平横柱构成的横截面为圆形的“C”型导磁体(5A)，并且“C”型导磁体(5A)开口处的水平横柱的末端具有向开口内侧设置的竖向短柱，所述发射端包括A发射端(5B)和B发射端(5C)，A发射端(5B)和B发射端(5C)一边一个同轴相对且对称设置在“C”型导磁体(5A)的开口处的水平横柱的末端的竖向短柱上且A发射端(5B)和B发射端(5C)之间的净距为Hf＝Dt+2H；
所述匀强磁场线圈组由主线圈(1)和补偿线圈组组成，所述主线圈(1)同轴套设在“C”型导磁体(5A)左侧的竖向长柱上，所述补偿线圈组由A补偿线圈(2A)、B补偿线圈(3A)、C补偿线圈(2B)和D补偿线圈(3B)组成，所述A补偿线圈(2A)和C补偿线圈(2B)分别同轴套设在“C”型导磁体(5A)的两个水平横柱上，B补偿线圈(3A)和D补偿线圈(3B)分别同轴套设在“C”型导磁体(5A)开口处的竖向短柱上；上述主线圈(1)、A补偿线圈(2A)、B补偿线圈(3A)、C补偿线圈(2B)和D补偿线圈(3B)均具有相同的内径且与“C”型导磁体(5A)的横截面直径相同；
所述主线圈(1)、A补偿线圈(2A)、B补偿线圈(3A)、C补偿线圈(2B)和D补偿线圈(3B)均由单独的直流电源供电，通电时A补偿线圈(2A)和B补偿线圈(3A)与主线圈(1)具有方向相同的电流场，C补偿线圈(2B)和D补偿线圈(3B)具有与主线圈方向相反的电流场；
所述梯度磁场线圈组由A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)组成，A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)具有相同内直径Dn、相同外直径Dw、相同高度H，A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)同轴固定在导磁铠铁(5)的A发射端(5B)和B发射端(5C)之间的间隙中，A梯度磁场线圈(4A)紧邻A发射端，B梯度磁场线圈(4B)紧邻B发射端，且A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)之间存在间隙所述的A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)均由单独的直流电源供电，通电时A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)具有大小相同、方向相反的电流场；
所述匀强磁场矫正环由A匀强磁场矫正环(6A)和B匀强磁场矫正环(6B)组成，所述A匀强磁场矫正环(6A)和B匀强磁场矫正环(6B)均为圆环形结构且具有相同的内直径、相同的外直径和相同的高度，A匀强磁场矫正环(6A)和B匀强磁场矫正环(6B)一边一个同轴且间隙套设在导磁铠铁(5)的A发射端(5B)和B发射端(5C)的外部；
所述径向磁场矫正线圈组由A径向磁场矫正线圈(7A)、B径向磁场矫正线圈(7B)、C径向磁场矫正线圈(7C)和D径向磁场矫正线圈(7D)组成，所述A径向磁场矫正线圈(7A)、B径向磁场矫正线圈(7B)、C径向磁场矫正线圈(7C)和D径向磁场矫正线圈(7D)均为“马鞍形”线圈，且A径向磁场矫正线圈(7A)和C径向磁场矫正线圈(7C)具有相同的内径、相同的外径和相同的高度，B径向磁场矫正线圈(7B)和D径向磁场矫正线圈(7D)具有相同的内径、相同的外径和相同的高度，A径向磁场矫正线圈(7A)具有与B径向磁场矫正线圈(7B)的外径相同的内径且两者具有相同的厚度，以A径向磁场矫正线圈(7A)与C径向磁场矫正线圈(7C)位置相对且在外围、B径向磁场矫正线圈(7B)与D径向磁场矫正线圈(7D)位置对称且在内围的位置共同围成圆形结构并同轴套设在由A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)的组成的磁体结构的外部，径向磁场矫正线圈组中单个线圈弯曲面上的内部中空部分对应弧度为90°，单个线圈线圈弯曲面的整体弧度为90+720(Hj-hj)/(π(Dnj+Dwj))度，其中Hj为线圈整体高度，hj为线圈的内部中空部分高度，Dnj为线圈内直径，Dwj为线圈外直径；
所述A径向磁场矫正线圈(7A)、B径向磁场矫正线圈(7B)、C径向磁场矫正线圈(7C)和D径向磁场矫正线圈(7D)均由单独的直流电源供电，A径向磁场矫正线圈(7A)和C径向磁场矫正线圈(7C)通以大小相同的电流，B径向磁场矫正线圈(7B)和D径向磁场矫正线圈(7D)通以大小相同的电流，且A径向磁场矫正线圈(7A)和B径向磁场矫正线圈(7B)中的电流大小不同，并且上述“马鞍形”线圈中位于径向磁场矫正线圈组上下同一侧的4个圆弧边内的电流为以绕径向磁场矫正线圈组的中轴相同的时钟方向设置。
2.根据权利要求1所述的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，其特征在于：所述导磁铠铁(5)、A匀强磁场矫正环(6A)和B匀强磁场矫正环(6B)均由导磁性材料加工而成。
3.根据权利要求1所述的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，其特征在于：还包括恒温冷浴，所述匀强磁场线圈组、梯度场线圈组和径向磁场矫正线圈组的内外层均环绕有与恒温冷浴相连的冷却液管并构成冷却回路。
4.根据权利要求1所述的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，其特征在于：所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈、D补偿线圈、A梯度磁场线圈、B梯度磁场线圈、A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成。
5.权利要求1所述的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置的模拟方法，其特征在于：包括顺序执行的以下步骤：
(1)分别将主线圈(1)、A补偿线圈(2A)、B补偿线圈(3A)、C补偿线圈(2B)、D补偿线圈(3B)、A梯度磁场线圈(4A)、B梯度磁场线圈(4B)、A径向磁场矫正线圈(7A)、B径向磁场矫正线圈(7B)、C径向磁场矫正线圈(7C)和D径向磁场矫正线圈(7D)内外层布设的冷却管与恒温冷浴连接，并开启恒温冷浴压缩机和循环泵对线圈进行制冷至设定温度；
(2)以位于A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)之间且以A梯度磁场线圈(4A)和B梯度磁场线圈(4B)这二者的内部中空部分所对应的区域为试验区域，在试验区域中安装相应的物理模型及测试与传感系统；
(3)同时接通匀强磁场线圈组中主线圈(1)、A补偿线圈(2A)、B补偿线圈(3A)、C补偿线圈(2B)和D补偿线圈(3B)的电源并分别通以设定的电流强度，并通过调节A匀强磁场矫正环(6A)和B匀强磁场矫正环(6B)的位置在物理模型所处的试验空间产生轴向均匀磁场对物理模型进行饱和磁化；
(4)饱和磁化完成后，按照预定的模拟重力场强度分别接通梯度磁场线圈组中A梯度磁场线圈(4A)、B梯度磁场线圈(4B)的电源和径向磁场矫正线圈组中A径向磁场矫正线圈(7A)、B径向磁场矫正线圈(7B)、C径向磁场矫正线圈(7C)和D径向磁场矫正线圈(7D)的电源并同时通以预定大小和方向的电流，在物理模型所处的试验区域产生轴向的线性梯度磁场并消除径向的磁场强度及磁场梯度；
(5)进行相应的物理模型试验，试验过程中通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组进行制冷，并实时监测各线圈的温度和电阻值，如果某一参数超过预警值，立即终止试验；
(6)物理模型试验完成后，分别断开匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的电源，并继续通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的线圈进行制冷至线圈冷却至室温；
6.根据权利要求5所述的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置的模拟方法，其特征在于：所选用的直流电源均为工频全波整流方式的可调直流电源。
开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土工程领域的模型试验，特别是一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法。
背景技术
[0002] 岩土工程领域的大量工程实践和研究证明，对于大型、特殊岩土工程问题，模型试验方法在基本满足相似原理的条件下，能够更真实地反应地质构造和工程结构的空间关系，更准确地模拟施工过程及其影响，试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩土工程整体特征、演化趋势和稳定性，从而做出更为准确的判断。
[0003] 模型试验方法自发展至今，已成为国内外研究岩土工程问题的一种重要手段。20世纪五、六十年代物理模拟技术主要以平面应力相似模拟试验为主，进入70年代中后期及80年代以后，出现了平面应变相似模拟试验架、立体模拟试验架和平板模拟试验架等多种形式的相似模拟试验装置。然而，岩土工程中岩土体及结构的变形均为力作用的结果，而这种力的主要来源则是岩土体的自重应力，甚至在很多工程中重力成为唯一力源，而常规物理模型试验由于其自重应力水平低于原型，无法真实反映岩土体力学行为。因此，重力场的模拟一直是岩土工程模型试验的关键点和难点，从早期的采用飞机加速攀升模拟重力场，到现在广泛采用离心机模拟重力场，均无法实现与真实重力场完全相似的重力场，尤其是在深部地下工程学科领域，由于工程条件及地下结构的特殊性，目前很少进行离心模型试验，而是选用面力补偿的方式来近似等效重力场，其近似性目前还难以评判。
[0004] 为了攻克有效模拟重力场这一难题，近几年陆续有学者提出了采用电磁力场模拟重力场的设想，并初步建立了基于电磁力场模拟重力场的岩土工程磁重力模型试验方法，该方法通过电磁力场模拟的重力场与真实重力场完全相似，具备静态的试验空间且试验成本远低于离心模型试验，因此将是岩土工程物理模型试验发展的重大突破。然而，磁重力模型试验装置的研发目前处于起步阶段，面临一系列基础难题难以攻破。一方面，现有磁重力模型试验装置仅能模拟0-3g的低强度重力场，基于常规电磁线圈、永磁体的磁重力模型试验装置无法突破模拟强重力场的技术壁垒。例如，三峡大学研发的磁重力模型试验装置(详见专利CN102213658)仅能模拟1.06g重力场，中国矿业大学研发的磁重力模型试验装置仅能模拟1.3g和3.0g重力场(详见专利CN102841129和CN103247208)，这种仅采用线圈的方式在模拟较强重力场时面临巨大的问题，随着线圈尺寸的增加，线圈的电阻和发热迅速增加，对供电和磁体降温带来了巨大的挑战。另外一方面，现有的基于常规电磁线圈的磁重力模型试验装置无法突破试验空间的限制，例如专利CN102213658和CN103247208中的试验装置的试验空间均为半开放式试验空间，对进行相关的物理模型试验及测量工作产生了极大的限制。此外，现有的模型试验装置在试验空间中产生的磁场形态均无法满足磁重力模型试验方法对磁场形态的要求，尤其是在径向磁场强度以及梯度上考虑不足，其产生的径向附加力给试验结果带了较大的误差。因此，高精度、高强度重力场的模拟以及开放式试验空间的营造是磁重力物理模型试验装置领域截至目前面临的技术难题和挑战。
发明内容
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法，用于解决目前磁重力模型试验装置领域面临的模拟高精度、高强度重力场和营造开放式试验空间的技术难题。
[0006] 技术方案：为实现以上技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
[0007] 开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，包括匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组、导磁铠铁、匀强磁场矫正环以及径向磁场矫正线圈组；
[0008] 所述的匀强磁场线圈组由主线圈和补偿线圈组组成，所述补偿线圈组由A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈组成，所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈均具有相同的内径；
[0009] 所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈均由单独的直流电源供电，通电时A补偿线圈和B补偿线圈与主线圈具有方向相同的电流场，C补偿线圈和D补偿线圈具有与主线圈方向相反的电流场；
[0010] 所述梯度磁场线圈组由A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈组成，A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈具有相同内直径Dn、相同外直径Dw、相同高度H且两者同轴固定，且A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈之间存在间隙
[0011] 所述的A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈均由单独的直流电源供电，通电时A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈具有大小相同、方向相反的电流场；
[0012] 所述导磁铠铁由基体和设置于基体上的发射端组成，所述基体为一个竖向长柱和设置于竖向长柱两端的两个水平横柱构成的横截面为圆形的“C”型导磁体，并且“C”型导磁体开口处的水平横柱的末端具有向开口内侧设置的竖向短柱，所述发射端包括A发射端和B发射端，A发射端和B发射端上下同轴对称安装且其净距由Hf＝Dt+2H确定，这里H为所述A梯度磁场线圈或者B梯度磁场线圈的高度；
[0013] 所述C”型导磁体为圆形横截面且具有与匀场线圈组中主线圈的内直径相同的直径；
[0014] 所述匀场线圈组中的主线圈同轴套设在“C”型导磁体的竖向长柱上，A补偿线圈和C补偿线圈分别同轴套设在“C”型导磁体的水平横柱上，B补偿线圈和D补偿线圈分别同轴套设在“C”型导磁体开口处的竖向短柱上；
[0015] 所述A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈同轴对称安装在导磁铠铁的A发射端和B发射端中间的间隙中，且A梯度磁场线圈紧邻A发射端，B梯度磁场线圈紧邻B发射端；
[0016] 所述匀强磁场矫正环由A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环组成，A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环一边一个同轴且间隙套设在导磁铠铁的A发射端和B发射端外部，所述A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环可以相对A发射端和B发射端轴向移动；
[0017] 所述A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环均为薄壁圆环形结构，具有相同的内直径、相同的外直径和相同的高度；
[0018] 所述径向磁场矫正线圈组由A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈组成，所述A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈均为“马鞍形”线圈，且A径向磁场矫正线圈和C径向磁场矫正线圈具有相同的内径、相同的外径和相同的高度，B径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈具有相同的内径、相同的外径和相同的高度，A径向磁场矫正线圈具有与B径向磁场矫正线圈的外径相同的内径且两者具有相同的厚度，以A径向磁场矫正线圈与C径向磁场矫正线圈位置相对且在外围、B径向磁场矫正线圈与D径向磁场矫正线圈位置对称且在内围的位置共同围成圆形结构并同轴套设在由A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈的组成的磁体结构的外部，径向磁场矫正线圈组中单个线圈弯曲面上的内部中空部分对应弧度为90°，单个线圈弯曲面的整体弧度为90+720(Hj-hj)/(π(Dnj+Dwj))度，其中Hj为线圈整体高度，hj为线圈的内部中空部分高度，Dnj为线圈内直径，Dwj为线圈外直径；
[0019] 所述A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈均由单独的直流电源供电，A径向磁场矫正线圈和C径向磁场矫正线圈通以大小相同的电流，B径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈通以大小相同的电流，且A径向磁场矫正线圈和B径向磁场矫正线圈中的电流大小不同，其电流差值由具体的线圈尺寸参数决定，并且上述“马鞍形”线圈中位于径向磁场矫正线圈组上下同一侧的4个圆弧边内的电流为以绕径向磁场矫正线圈组的中轴相同的时钟方向设置。
[0020] 优选的，还包括恒温冷浴，所述匀强磁场线圈组、梯度场线圈组和径向磁场矫正线圈组的内外层均环绕有与恒温冷浴相连的冷却液管并构成冷却回路。
[0021] 如现有技术，主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈、D补偿线圈、A梯度磁场线圈、B梯度磁场线圈均为中心带圆孔的螺线管结构。
[0022] 优选的，所述主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈、D补偿线圈、A梯度磁场线圈、B梯度磁场线圈、A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈均以玻璃钢材料作为骨架由铜导线缠绕而成；
[0023] 优选的，所述导磁铠铁、A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环均由导磁性材料加工而成，比如硅钢、坡莫合金等。
[0024] 开放式磁重力模型试验系统重力场模拟方法，包括如下步骤：
[0025] (1)分别将主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈、D补偿线圈、A梯度磁场线圈、B梯度磁场线圈、A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈内外层布设的冷却管与恒温冷浴连接，并开启恒温冷浴压缩机和循环泵对线圈进行制冷至设定温度；
[0026] (2)以位于A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈之间且以A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈这二者的内部中空部分所对应的区域为试验区域，在试验区域中安装相应的物理模型及测试与传感系统；
[0027] (3)同时接通匀强磁场线圈组中主线圈、A补偿线圈、B补偿线圈、C补偿线圈和D补偿线圈的电源并分别通以设定的电流强度，并通过调节A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环的位置在物理模型所处的试验区域产生轴向均匀磁场对物理模型进行饱和磁化；
[0028] (4)饱和磁化完成后，按照预定的模拟重力场强度分别接通梯度磁场线圈组中A梯度磁场线圈、B梯度磁场线圈的电源和径向磁场矫正线圈组中A径向磁场矫正线圈、B径向磁场矫正线圈、C径向磁场矫正线圈和D径向磁场矫正线圈的电源并同时通以预定大小和方向的电流，在物理模型所处的试验区域产生轴向的线性梯度磁场并消除径向的磁场强度及磁场梯度；
[0029] (5)进行相应的物理模型试验，试验过程中通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组进行制冷，并实时监测各线圈的温度和电阻值，如果某一参数超过预警值，立即终止试验；
[0030] (6)物理模型试验完成后，分别断开匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的电源，并继续通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的线圈进行制冷至线圈冷却至室温；
[0031] (7)停止恒温冷浴的压缩机及循环泵，终止试验。
[0032] 一般来说，所选用的直流电源均为工频全波整流方式的可调直流电源。
[0033] 有益效果：
[0034] 本发明提供的开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置及其方法，相比较现有技术，具备如下优点：
[0035] 1、有效地克服了现阶段磁重力模型试验装置中重力场模拟装置难以模拟较强重力场的技术难题，能够在开放式的试验环境中提供轴向方向上的高强度均匀磁场和高梯度线性磁场，能够提供超过现有重力场模拟装置模拟重力场强度一个数量级的重力场强度；
[0036] 2、有效地克服了现阶段磁重力模型试验装置中试验空间封闭狭小、难以进行试验操作及测试的技术难题，能够提供开放式的试验空间，使得试验操作以及测试不再受空间的限制，极大地拓展了进行的物理模型试验的范围以及可以采用的测试技术手段；
[0037] 3、有效地克服了现阶段磁重力模型试验装置中无法屏蔽径向磁场强度及梯度的技术难题，能够在试验空间提供完全满足磁重力模型试验方法要求的磁场形态，极大地提高了物理模型试验的精确度和真实度。
附图说明
[0038] 图1为本发明的内部结构示意图；
[0039] 图2为本发明中的导磁铠铁的正视图；
[0040] 图3为本发明中的导磁铠铁的俯视图；
[0041] 图4为本发明中主线圈的结构示意图,下方为主视图、上方为仰视图；
[0042] 图5为本发明A补偿线圈和C补偿线圈的结构示意图，左侧为主视图、右侧为左视图；
[0043] 图6为本发明B补偿线圈和D补偿线圈的结构示意图，下方为主视图、上方为仰视图；
[0044] 图7为本发明A梯度磁场线圈和B梯度磁场线圈的结构示意图，下方为主视图、上方为仰视图；
[0045] 图8为本发明A匀强磁场矫正环和B匀强磁场矫正环的结构示意图，下方为主视图、上方为仰视图；
[0046] 图9为本发明中径向磁场矫正线圈组的俯视图；
[0047] 图10为本发明A径向磁场矫正线圈的正视图；
[0048] 图中：1、主线圈，2A、A补偿线圈，2B、C补偿线圈，3A、B补偿线圈，3B、D补偿线圈；4A、A梯度磁场线圈，4B、B梯度磁场线圈；5、导磁铠铁，5A、“C”型导磁体，5B、A发射端，5C、B发射端；6A、A匀强磁场矫正环，6B、B匀强磁场矫正环；7A、A径向磁场矫正线圈，7B、B径向磁场矫正线圈，7C、C径向磁场矫正线圈，7D、D径向磁场矫正线圈。
具体实施方式
[0049] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0050] 如图1所示，为一种开放式磁重力模型试验系统重力场模拟装置，包括匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组、导磁铠铁5、匀强磁场矫正环以及径向磁场矫正线圈组。
[0051] 所述的匀强磁场线圈组由主线圈1和补偿线圈组组成，所述补偿线圈组由A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B组成，所述主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B的内直径均为400mm；
[0052] 所述主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B均由单独的直流电源供电，A补偿线圈2A和B补偿线圈3A与主线圈1具有方向相同的电流场，C补偿线圈2B和D补偿线圈3B具有与主线圈方向相反的电流场；
[0053] 所述主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B均由铜导线按相同方向缠绕组成，线圈缠绕均采用玻璃钢材料作为骨架，以保证线圈的机械强度。所述主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B均为中心圆孔的结构，分别如图4、图5、图6所示：所述主线圈1内直径为400mm，外直径为600mm，高度为550mm；所述A补偿线圈2A和B补偿线圈3A的内直径均为400mm，外直径为450mm，高度为400mm；所述C补偿线圈2B和D补偿线圈3B的内直径均为400mm，外直径均为500mm，高度为43.5mm。
[0054] 所述梯度磁场线圈组由A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B组成，A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B均由单独的直流电源供电，通电时A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B具有大小相同、方向相反的电流场；
[0055] 所述A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B均由铜导线按相同方向缠绕组成，线圈缠绕均采用玻璃钢材料作为骨架，以保证线圈的机械强度。所述A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B均为中心圆孔的结构，如图7所示：所述A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B的内直径均为200mm，外直径均为500mm，高度均为100mm；所述A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B同轴对称固定，且A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B之间存在间隙，其净间距为即为203mm。
[0056] 如图2、图3所示，所述导磁铠铁5由“C”型导磁体5A和发射端组成，所述发射端包括A发射端5B和B发射端5C，A发射端5B和B发射端5C上下同轴对称安装，且其净距由Hf＝Dt+2H确定，即为203mm；所述C”型导磁体5A为圆形横截面且具有与匀场线圈组中主线圈1的内直径相同的直径，即为400mm。
[0057] 所述匀场线圈组中的主线圈1同轴套设在“C”型导磁体5A左侧的竖向长柱上，A补偿线圈2A和C补偿线圈3A分别同轴套设在“C”型导磁体5A上部和下部的水平横柱上，B补偿线圈2B和D补偿线圈3B分别同轴套设在“C”型导磁体5A右侧上部和下部的竖向短柱上。
[0058] 所述A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B同轴对称安装在导磁铠铁5的A发射端5B和B发射端5C中间的间隙中，且A梯度磁场线圈4A紧邻A发射端5B，B梯度磁场线圈4B紧邻B发射端5C。
[0059] 所述匀强磁场矫正环由A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B组成，A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B分别同轴套设在导磁铠铁5的A发射端5B和B发射端5C外部，所述A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B可以相对A发射端5B和B发射端5C上下移动；
[0060] 所述A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B均为薄壁圆环形结构，如图8所示，且其内直径均为500mm，外直径均为540mm，高度均为100mm。
[0061] 如图9、图10所示，所述径向磁场矫正线圈组由A径向磁场矫正线圈7A、B径向磁场矫正线圈7B、C径向磁场矫正线圈7C和D径向磁场矫正线圈7D组成，所述A径向磁场矫正线圈7A、B径向磁场矫正线圈7B、C径向磁场矫正线圈7C和D径向磁场矫正线圈7D均为“马鞍形”线圈且共同围成圆形结构并同轴套设在由A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B的组成的磁体结构的外部；
[0062] 所述A径向磁场矫正线圈7A和C径向磁场矫正线圈7C的内直径均为700mm，外直径均为800mm，高度均为400mm，整体弧度为125°，内部中空部分对应弧度为90°，高度为200mm；B径向磁场矫正线圈7B和D径向磁场矫正线圈7D的内直径均为600mm，外直径均为700mm，高度均为400mm，整体弧度为120°，内部中空部分对应弧度为90°，高度为200mm。
[0063] 所述A径向磁场矫正线圈7A、B径向磁场矫正线圈7B、C径向磁场矫正线圈7C和D径向磁场矫正线圈7D均由单独的直流电源供电，A径向磁场矫正线圈7A和C径向磁场矫正线圈7C通以大小相同、方向相反的电流，B径向磁场矫正线圈7B和D径向磁场矫正线圈7D通以大小相同、方向相反的电流，使得上述“马鞍形”线圈中位于径向磁场矫正线圈组上下同一侧的4个圆弧边内的电流为以绕径向磁场矫正线圈组的中轴相同的时钟方向设置，且A径向磁场矫正线圈和B径向磁场矫正线圈通以方向相反但大小不同的电流，其工作电流比值为
1.4:1。
[0064] 所述匀强磁场线圈组、梯度场线圈组和径向磁场矫正线圈组的内外层均环绕有与恒温冷浴相连的冷却液管并构成冷却回路。所述导磁铠铁5、A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B均由硅钢加工而成。
[0065] 开放式磁重力模型试验系统重力场模拟方法，包括如下步骤：
[0066] (1)分别将主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B、D补偿线圈3B、A梯度磁场线圈4A、B梯度磁场线圈4B、A径向磁场矫正线圈7A、B径向磁场矫正线圈7B、C径向磁场矫正线圈7C和D径向磁场矫正线圈7D内外层布设的冷却管与恒温冷浴连接，并开启恒温冷浴压缩机和循环泵对线圈进行制冷至设定温度；
[0067] (2)以位于A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B之间且以A梯度磁场线圈4A和B梯度磁场线圈4B这二者的内部中空部分所对应的区域为试验区域，在试验区域中安装相应的物理模型及测试与传感系统；
[0068] (3)同时接通匀强磁场线圈组中主线圈1、A补偿线圈2A、B补偿线圈3A、C补偿线圈2B和D补偿线圈3B的电源并分别通以设定的电流强度，并通过调节A匀强磁场矫正环6A和B匀强磁场矫正环6B的位置在物理模型所处的试验区域产生轴向均匀磁场对物理模型进行饱和磁化，表1给出了该部分输入电流强度I1与试验区域中匀强磁场强度的对应关系；
[0069] (4)饱和磁化完成后，按照预定的模拟重力场强度分别接通梯度磁场线圈组中A梯度磁场线圈4A、B梯度磁场线圈4B的电源和径向磁场矫正线圈组中A径向磁场矫正线圈7A、B径向磁场矫正线圈7B、C径向磁场矫正线圈7C和D径向磁场矫正线圈7D的电源并同时通以预定大小和方向的电流，在物理模型所处的试验空间产生轴向的线性梯度磁场并消除径向的磁场强度及磁场梯度，表2给出了试验区域中轴向磁场梯度与该部分输入电流强度I2的对应关系；
[0070] (5)进行相应的物理模型试验，试验过程中通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组进行制冷，并实时监测各线圈的温度和电阻值，如果某一参数超过预警值，立即终止试验；
[0071] (6)物理模型试验完成后，分别断开匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的电源，并继续通过恒温冷浴持续对对匀强磁场线圈组、梯度磁场线圈组和径向磁场矫正线圈组的线圈进行制冷至线圈冷却至室温；
[0072] (7)停止恒温冷浴的压缩机及循环泵，终止试验。
[0073] 表1.电流强度I1与试验区域中匀强磁场强度的对应关系
[0074]
[0075] 表2.电流强度I2与试验区域中的轴向磁场梯度的对应关系
[0076]
[0077] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
