專利名稱：一種模型試驗(yàn)中離散化多主應(yīng)力面加載方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在模型試驗(yàn)中給模型施加應(yīng)力的方法及實(shí)現(xiàn)該方法而設(shè)計(jì)的控制裝置，可應(yīng)用于各種工程相似模型試驗(yàn)中。
二是模型作用面上施加荷載在模型的三維6個(gè)面同時(shí)施加量級(jí)個(gè)各不相同的三向主動(dòng)荷載，每一個(gè)作用面的荷載為均勻分布的。加載控制裝置包括充油系統(tǒng)，主要用來(lái)使整個(gè)油路充油的準(zhǔn)備工作；加載油路，經(jīng)濾油器、振動(dòng)阻尼器、單向閥、伺服閥分流器進(jìn)入同步油缸組給模型實(shí)施加載；采用6個(gè)閉環(huán)伺服控制回路進(jìn)行控制。所有這些均納入電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作控制。該加載方式影響因素很多，不易控制。參見(jiàn)“郭舜年 李先榕，三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)裝置加載及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，《水電工程研究》，1997年第4期，第33～37頁(yè)”。
三是將作用面分成若干個(gè)均勻分布的荷載區(qū)，在三個(gè)作用面上施加荷載，另外三個(gè)對(duì)應(yīng)面做成被動(dòng)承壓面，以反力的形式來(lái)模擬該處的地應(yīng)力。對(duì)每個(gè)荷載作用面又分成3-4個(gè)均勻分布的荷載區(qū)，每個(gè)荷載區(qū)的總荷載等于該區(qū)原有荷載的總和。模型的荷載通過(guò)油壓力盒或油壓袋施加，當(dāng)三維臺(tái)架中模塊砌筑完畢后，即安放油壓袋，引出油管和測(cè)量電纜，再用砂及砂袋將油壓袋與臺(tái)架間的空隙充填密實(shí)。見(jiàn)“陳霞齡等，地下洞室圍巖穩(wěn)定的試驗(yàn)研究，《武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)》，1994年2月，第17～23頁(yè)”。
以上所述方法很難模擬復(fù)雜多變的三維應(yīng)力場(chǎng)，如大小、方向在不同部位都有變化的地應(yīng)力。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種模型試驗(yàn)中離散化多主應(yīng)力面加載方法，其特征在于將加載面上需要模擬的復(fù)雜變化的主應(yīng)力加載面，離散為有連續(xù)多個(gè)微小加載區(qū)域，用連續(xù)多個(gè)微小加載區(qū)域代替原來(lái)的主應(yīng)力加載面；每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板，在反推力板內(nèi)側(cè)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊，用空氣壓縮機(jī)為氣囊充高壓氣，用于給試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪┘訅毫Γ烧J(rèn)為每個(gè)加載小區(qū)域的單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)，并據(jù)此施加法向荷載，其荷載按如下方法計(jì)算(1)由實(shí)測(cè)應(yīng)力值計(jì)算整個(gè)加載作用面上的應(yīng)力等值線值；(2)計(jì)算每個(gè)微小加載區(qū)域的等效應(yīng)力值；一般選取中點(diǎn)值；對(duì)應(yīng)力梯度較大的部位可根據(jù)每個(gè)微小加載區(qū)域的應(yīng)力等值線值，由下式對(duì)該微小加載區(qū)域的面積進(jìn)行積分計(jì)算所施加的等效應(yīng)力 (式中σij為該微小加載區(qū)域上所施加的等效應(yīng)力；σij為該微小加載區(qū)域上的應(yīng)力等值線值；S為該微小加載區(qū)域的面積)；(3)對(duì)每個(gè)小區(qū)都重復(fù)步驟(2)，即可得到整個(gè)加載面上所施加的應(yīng)力。
本發(fā)明還提供了一種所述方法的加載裝置，其特征在于該裝置主要包括封閉式環(huán)形鋼架1、支撐鋼架2、垂直立柱3、千斤頂5以及由封閉式環(huán)形鋼架和垂直立柱圍成的放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目涨?0，將至少一個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d面離散成有限個(gè)加載小區(qū)域，每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板4，在所述反推力板內(nèi)側(cè)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊6，反推力板后安裝千斤頂，所述千斤頂固定在垂直立柱上。
所述的反推力板是由兩塊分別與主應(yīng)力加載面相互平行且成直角的斜板和連接平板組成。并在每個(gè)加載小區(qū)域的反推力板上安裝有壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微型氣壓監(jiān)測(cè)塞8、指示燈7(或/和蜂鳴器)和電源控制開(kāi)關(guān)9組成。
為了能承受大的荷載，該裝置還在試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)有支撐鋼架。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以方便地改變和控制不同部位的應(yīng)力大小和方向，從而能夠模擬復(fù)雜多變的三維應(yīng)力場(chǎng)，既能體現(xiàn)出施加應(yīng)力的大小和方向，還能對(duì)荷載施加過(guò)程中的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，方法簡(jiǎn)單易行。同時(shí)由于試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置了多根支撐鋼架，可以承受很大的荷載。


圖1a為離散化多主應(yīng)力面加載方法示意圖。
圖1b為將復(fù)雜多變的主應(yīng)力場(chǎng)離散為有限多個(gè)微小的單元應(yīng)力的實(shí)例示意圖。
圖2為加載試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)立體示意圖。
圖3為圖2的俯視圖。
圖4為圖3的局部放大圖，表示出一個(gè)加載小區(qū)域及壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)安裝示意圖。
圖中1-環(huán)形鋼架；2-支撐鋼架；3-垂直立柱；4-反推力板；5-千斤頂；6-高壓氣囊；7-指示燈；8-微型氣壓監(jiān)測(cè)塞；9-電源控制開(kāi)關(guān)；10-放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目涨弧?br> 本發(fā)明的基本思路來(lái)源于有限元、邊界元及離散元等，即將研究域離散化進(jìn)行數(shù)值分析的原理，把需要模擬的復(fù)雜變化的地應(yīng)力分布場(chǎng)，離散為有限多個(gè)微小的單元應(yīng)力場(chǎng)，并認(rèn)為此單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)。用一組垂直于該單元應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力矢量的微小主應(yīng)力面，代替原來(lái)的斜截面，并在這一組主應(yīng)力面上按照等效主應(yīng)力的大小施加法向力，從而達(dá)到模擬這一單元應(yīng)力場(chǎng)的目的。對(duì)各個(gè)離散的單元應(yīng)力場(chǎng)均進(jìn)行這樣的操作，就可以完成整個(gè)試驗(yàn)域的復(fù)雜變化的應(yīng)力場(chǎng)的模擬。
圖1為離散化多主應(yīng)力面加載方法示意圖，在該模型中受三個(gè)地應(yīng)力的作用，最大與最小主應(yīng)力水平，并與模型的軸線(機(jī)組軸線)成45度夾角(圖1a)，中間主應(yīng)力垂直(中間主應(yīng)力不垂直也可用該方法)。將最大與最小主應(yīng)力作用面離散成小加載區(qū)域(圖1b)，用微小主應(yīng)力面代替原來(lái)的斜截面。離散成多少個(gè)小區(qū)域要考慮主應(yīng)力的變化梯度、研究的目標(biāo)、操作的方便等。從理論上講，離散后的區(qū)域越多則精度越高，但這樣會(huì)給具體實(shí)施操作帶來(lái)困難，因此不宜太多。在本次實(shí)施中整個(gè)加載區(qū)域被離散成91個(gè)小區(qū)域。在計(jì)算每個(gè)小區(qū)域的應(yīng)力之前，先計(jì)算并繪制整個(gè)作用面上的應(yīng)力等值線，根據(jù)每個(gè)小區(qū)域上的等值線，由下式計(jì)算所施加的等效應(yīng)力σ-ij=∫∫sσijds/S]]>式中σij為該小區(qū)域上所施加的等效應(yīng)力，σij為該微小加載區(qū)域上的應(yīng)力等值線值，S為該小區(qū)域的面積。假如所要施加的應(yīng)力為20MPa，該應(yīng)力沿作用面上呈遞減，即由20MPa逐漸變化到1MPa，在第二行第二列的小區(qū)域的應(yīng)力為16-18MPa，取該區(qū)域中點(diǎn)值17MPa，則按照上面的表達(dá)式對(duì)面積積分可得到第二行第二列的小區(qū)域上的應(yīng)力為17MPa。若取其它點(diǎn)的數(shù)值繪制作用面上的等值線并進(jìn)行插值計(jì)算，再進(jìn)行面積積分。每個(gè)小區(qū)域都遵循該計(jì)算方法，便得到整個(gè)加載面的應(yīng)力。
圖2圖3表示出了為本發(fā)明的加載裝置的具體結(jié)構(gòu)。主要包括封閉式環(huán)形鋼架1、支撐鋼架2、垂直立柱3、高壓氣囊6、反推力板4、千斤頂5、放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目涨?0及壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)。封閉式鋼結(jié)構(gòu)環(huán)梁、支撐鋼架、垂直立柱構(gòu)成試驗(yàn)臺(tái)架，是模型試驗(yàn)中不可缺少的，其有兩個(gè)功能，第一是容納整個(gè)模型并提供邊界條件，第二是安裝加載系統(tǒng)；它的設(shè)計(jì)必須考慮兩個(gè)方面的要求，即要求試驗(yàn)臺(tái)架的尺寸能足夠容納整個(gè)模型及要求承受加載時(shí)不至于產(chǎn)生過(guò)大的變形。試驗(yàn)臺(tái)架是用地腳螺栓將其固定于地面；模型加載面被離散成有限個(gè)加載小區(qū)域，每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板4，反推力板是由兩塊分別與主應(yīng)力加載面相互平行且成直角的斜板和連接平板組成(如圖4所示)，其內(nèi)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊6；反推力板后安裝千斤頂5，千斤頂固定在垂直立柱3上；空氣壓縮機(jī)未安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，在試驗(yàn)臺(tái)架外部給氣囊加壓。壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)由指示燈7和微型氣壓監(jiān)測(cè)塞8和電源控制開(kāi)關(guān)9組成；每個(gè)氣囊上安裝有微型氣壓監(jiān)測(cè)塞，類似于汽車(chē)輪胎的加壓汽嘴，指示燈和微型氣壓監(jiān)測(cè)塞均固定在反推力板后，由電線串聯(lián)起來(lái)(如圖5所示)。
千斤頂為3.2T的液壓千斤頂，主要作用是調(diào)整承力鋼架立柱與反推力板的相對(duì)位置，使反推力板在氣囊加壓過(guò)程中保持原來(lái)位置不動(dòng)，從而保持氣囊壓力不變，并防止氣囊爆裂。
高壓氣囊6由黑色硫化橡膠模壓制成，外呈棱柱形，膠膜厚度2mm。尺寸分為五種大小不同規(guī)格，每種規(guī)格又分為高壓和低壓兩種。氣囊壓力的大小即為所計(jì)算出的施加應(yīng)力的大小。
反推力板4由5mm和10mm厚度的鋼板，按照所需要的形狀彎折焊接而成，其上下左右均可以與相鄰反推力板用螺栓相連，每個(gè)反推力板代表一個(gè)加載小區(qū)域，整個(gè)加載面被劃分為有限個(gè)加載小區(qū)域，其內(nèi)可以放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊，分別對(duì)模型兩個(gè)主應(yīng)力面加壓，從而可施加不同方向和大小的應(yīng)力。
空氣壓縮機(jī)，用于給高壓氣囊加壓。
圖4壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)包括微型氣壓監(jiān)測(cè)塞、指示燈、電源和控制開(kāi)關(guān)，安裝簡(jiǎn)單易行。微型氣壓監(jiān)測(cè)塞可以感知高壓氣囊的壓力變化，氣囊壓力低于額定值0.01Mpa就接通控制開(kāi)關(guān)會(huì)引起燈光閃爍，從而可以及時(shí)補(bǔ)壓。因此可保證壓力在整個(gè)開(kāi)挖試驗(yàn)期間應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定。
權(quán)利要求
1.一種模型試驗(yàn)中離散化多主應(yīng)力面加載方法，其特征在于將加載面上需要模擬的復(fù)雜變化的主應(yīng)力加載面，離散為有連續(xù)多個(gè)微小加載區(qū)域，用連續(xù)多個(gè)微小加載區(qū)域代替原來(lái)的主應(yīng)力加載面；每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板，在反推力板內(nèi)側(cè)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊，用空氣壓縮機(jī)為氣囊充高壓氣，用于給試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪┘訅毫?，并認(rèn)為每個(gè)加載小區(qū)域的單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)，并施加法向應(yīng)力，其應(yīng)力按如下方法計(jì)算(1)實(shí)測(cè)值計(jì)算整個(gè)加載作用面上的應(yīng)力等值線值；(2)算每個(gè)微小加載區(qū)域的等效應(yīng)力值；根據(jù)每個(gè)微小加載區(qū)域的等值線值，由下式對(duì)該微小加載區(qū)域的面積進(jìn)行積分計(jì)算所施加的等效應(yīng)力 (式中σij為該微小加載區(qū)域上所施加的等效應(yīng)力；σij為該微小加載區(qū)域上的應(yīng)力等值線值；S為該微小加載區(qū)域的面積)；(3)每個(gè)小區(qū)都重復(fù)步驟(2)，即可得到整個(gè)加載面上所施加的應(yīng)力。
2.按照權(quán)利要求1所述的加載方法，其特征在于步驟(2)中計(jì)算每個(gè)微小加載區(qū)域的等效應(yīng)力值采用取中點(diǎn)值。
3.一種實(shí)施如權(quán)利要求1所述方法的加載裝置，其特征在于該裝置主要包括封閉式環(huán)形鋼架1、支撐鋼架2、垂直立柱3、千斤頂5以及由封閉式環(huán)形鋼架和垂直立柱圍成的放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目涨?0，將至少一個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d面離散成有限個(gè)加載小區(qū)域，每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板4，在所述反推力板內(nèi)側(cè)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊6，反推力板后安裝千斤頂，所述千斤頂固定在垂直立柱上。
4.按照權(quán)利要求3所述的加載裝置，其特征在于所述的反推力板是由兩塊分別與主應(yīng)力加載面相互平行且成直角的斜板和連接平板組成。
5.按照權(quán)利要求3或4所述的加載裝置，其特征在于在每個(gè)加載小區(qū)域的反推力板上安裝有壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)由微型氣壓監(jiān)測(cè)塞8、指示燈7(或/和蜂鳴器)和電源控制開(kāi)關(guān)9組成。
6.按照權(quán)利要求5所述的加載裝置，其特征在于該裝置設(shè)有支撐鋼架。
全文摘要
一種模型試驗(yàn)中離散化多主應(yīng)力面加載方法及裝置,涉及一種模型試驗(yàn)中給模型施加應(yīng)力的方法及裝置。其特點(diǎn)是將加載面上需要模擬的復(fù)雜變化的應(yīng)力分布場(chǎng),離散為有限多個(gè)微小的單元應(yīng)力場(chǎng),并認(rèn)為此單元應(yīng)力場(chǎng)為一個(gè)等效的均勻應(yīng)力場(chǎng)。其加載裝置是在模型加載面上設(shè)置有限多個(gè)加載小區(qū)域,每個(gè)加載小區(qū)域安裝反推力板,在反推力板內(nèi)側(cè)放置兩個(gè)高低壓不同的氣囊,將千斤頂安裝在每個(gè)反推力板后面,氣囊與空氣壓縮機(jī)相連;并在反推力板上安裝有壓力監(jiān)測(cè)和報(bào)警輔助系統(tǒng)。本發(fā)明可以方便地改變和控制不同部位應(yīng)力大小和方向,從而能夠模擬復(fù)雜多變的三維應(yīng)力場(chǎng),既能體現(xiàn)出施加應(yīng)力的大小和方向,還能對(duì)應(yīng)力施加過(guò)程中的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,方法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)G01N3/08GK1374512SQ0211667
公開(kāi)日2002年10月16日 申請(qǐng)日期2002年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者李仲奎, 羅光福, 王愛(ài)民, 蘭金美, 徐千軍, 劉軍 申請(qǐng)人:清華大學(xué)