地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量裝置及方法，尤其是一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，獲取模型試驗(yàn)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)常采用的方法是內(nèi)部埋入壓力盒、應(yīng)變磚等，壓力盒只能測(cè)某個(gè)方向的壓力，解決不了復(fù)雜的空間應(yīng)力問(wèn)題。應(yīng)變磚雖然可以間接測(cè)量不同方向上的應(yīng)力，但由于傳感器材料同模型材料之間的剛性差異較明顯以及埋入式傳感器的尺寸不合理等，直接影響了其測(cè)量的精確度，尤其是傳統(tǒng)的測(cè)量方法無(wú)法直接獲得內(nèi)部空間開(kāi)挖后，圍巖內(nèi)的主應(yīng)力不與加載方向平行或垂直時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，限制了其在三維立體模型中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有測(cè)量方法的不足之處，提供一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置及方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0004]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:實(shí)時(shí)監(jiān)控地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力包括測(cè)量裝置和測(cè)量方法:
[0005]測(cè)量裝置包括:單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊；單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊順序連接；所述的單元應(yīng)力計(jì)由電阻應(yīng)變片和相似單元塊組成；所述的相似單元塊采用與模型材料彈性模量相當(dāng)?shù)木郯滨ブ谱鞫桑辉谙嗨茊卧獕K的對(duì)角相鄰的三個(gè)面分別貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，其中兩個(gè)應(yīng)變片的方向互相垂直，另一個(gè)應(yīng)變計(jì)與前兩個(gè)成45°角；所述的應(yīng)變采集儀采集單元應(yīng)力計(jì)上的應(yīng)變值；所述的分析模塊是利用Matalab編制的計(jì)算軟件。
[0006]所述的單元應(yīng)力計(jì)預(yù)埋在模型內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)；單元應(yīng)力計(jì)獲得的檢測(cè)信息通過(guò)應(yīng)變采集儀導(dǎo)入分析模塊，在分析模塊上直觀顯示模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)，所述的應(yīng)力狀態(tài)包括主應(yīng)力大小和方向、任意方向的應(yīng)力分量。
[0007]測(cè)量方法為:單元應(yīng)力計(jì)通過(guò)三個(gè)正交方向應(yīng)變片獲得εχ、ey、εζ，實(shí)測(cè)得到的
8 xy (45° )、8 yZ(45° )、8 zx(45° )及 ε x、ε y、εζ計(jì)算出剪應(yīng)變 γ xy、γγζ, γχζ，根據(jù) ε χ、ε y、εζ
及Yxy、丫 yz、γχζ六個(gè)應(yīng)變分量即可求解出。x、ay、σζ、τ xy、τ yz、τζχ六個(gè)應(yīng)力分量，進(jìn)而求解出三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，得到測(cè)試點(diǎn)的空間應(yīng)力狀態(tài)；
[0008]利用Matalab計(jì)算軟件將整個(gè)計(jì)算過(guò)程編制成分析模塊，分析模塊的計(jì)算方法:首先將應(yīng)變采集儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)處理模塊中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否具有可靠性；將處理完的數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力求解模塊，求解出加載方向的應(yīng)力分量和主應(yīng)力的大小和方向；再將主應(yīng)力的大小和方向?qū)霊?yīng)力狀態(tài)分析模塊，求解出任意方向上的應(yīng)力狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0009]有益效果，由于采用了上述方案，利用Matalab編制的分析模塊將應(yīng)變儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，可直接顯示模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)，包括主應(yīng)力大小和方向、任意方向的應(yīng)力分量等，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？朔藗鞲衅鞑牧贤Ｐ筒牧现g的剛性差異太大以及埋入式傳感器的尺寸不合理等問(wèn)題，所述的相似單元塊的制作材料具有高強(qiáng)度、彈性好等優(yōu)點(diǎn)，且彈性模量和模型材料的彈性模量相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控，用于監(jiān)控和測(cè)試相似模擬試驗(yàn)內(nèi)部的空間應(yīng)力狀態(tài)，尤其是地下工程模型試驗(yàn)中圍巖內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，包括任意方向的應(yīng)力分量和主應(yīng)力大小、方向等。
[0010]優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝與測(cè)試便捷，且有較高的精確度，可廣泛用于模型試驗(yàn)中。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是本發(fā)明的分析模塊流程圖。
[0013]圖中:1、第一應(yīng)變片；2、第二應(yīng)變片；3、第三應(yīng)變片；4、第四應(yīng)變片；5、第五應(yīng)變片；6、第六應(yīng)變片；7、第七應(yīng)變片；8、第八應(yīng)變片；9、第九應(yīng)變片。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)時(shí)監(jiān)控地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力包括測(cè)量裝置和測(cè)量方法:
[0015]測(cè)量裝置包括:單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊；單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊順序連接；所述的單元應(yīng)力計(jì)由電阻應(yīng)變片和相似單元塊(lOmmX lOmmX 10mm)組成；所述的電阻應(yīng)變片規(guī)格為BX120-3CA (柵長(zhǎng)X柵寬=3 X 2mm)，可由市場(chǎng)購(gòu)得；所述的相似單元塊采用與模型材料彈性模量相當(dāng)?shù)木郯滨ブ谱鞫桑辉谙嗨茊卧獕K的對(duì)角相鄰的三個(gè)面分別貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，其中兩個(gè)應(yīng)變片的方向互相垂直，另一個(gè)應(yīng)變計(jì)與前兩個(gè)成45°角(如附圖1所示)；所述的應(yīng)變采集儀采集單元應(yīng)力計(jì)上的應(yīng)變值；所述的分析模塊是利用Matalab編制的計(jì)算軟件。
[0016]所述的單元應(yīng)力計(jì)預(yù)埋在模型內(nèi)部所需測(cè)試點(diǎn)；單元應(yīng)力計(jì)獲得的檢測(cè)信息通過(guò)應(yīng)變采集儀導(dǎo)入分析模塊，在分析模塊上直觀顯示模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)，所述的應(yīng)力狀態(tài)包括主應(yīng)力大小和方向、任意方向的應(yīng)力分量。
[0017]所述的相似單元塊是根據(jù)相似材料的力學(xué)特性及匹配要求，采用聚氨酯設(shè)計(jì)制作，其具有高強(qiáng)度、彈性好、彈性模量可控等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要選擇和模型材料彈性模量相當(dāng)?shù)牟牧线M(jìn)行試驗(yàn)。相似單元塊在單元尺寸足夠小的情況下，可以近似認(rèn)為代表某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)或小區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)力情況，考慮應(yīng)變片的貼片要求，相似單元塊的尺寸設(shè)計(jì)為 10mm X 10mm X 10mm。
[0018]測(cè)量方法為:單元應(yīng)力計(jì)通過(guò)三個(gè)正交方向應(yīng)變片獲得εχ、ey、εζ，實(shí)測(cè)得到的
8 xy (45° )、8 yZ(45° )、8 zx(45° )及 ε x、ε y、εζ計(jì)算出剪應(yīng)變 γ xy、γγζ, γχζ，根據(jù) ε χ、ε y、ε ζ
及Yxy、丫 yz、γχζ六個(gè)應(yīng)變分量即可求解出。x、ay、σζ、τ xy、τ yz、τζχ六個(gè)應(yīng)力分量，進(jìn)而求解出三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，得到測(cè)試點(diǎn)的空間應(yīng)力狀態(tài)；
[0019]利用Matalab計(jì)算軟件將整個(gè)計(jì)算過(guò)程編制成分析模塊，分析模塊的計(jì)算方法:首先將應(yīng)變采集儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)處理模塊中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否具有可靠性；將處理完的數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力求解模塊，求解出加載方向的應(yīng)力分量和主應(yīng)力的大小和方向；再將主應(yīng)力的大小和方向?qū)霊?yīng)力狀態(tài)分析模塊，求解出任意方向上的應(yīng)力狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0021]本發(fā)明由單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀10和分析模塊三個(gè)部分組成。單元應(yīng)力計(jì)由電阻應(yīng)變片和相似單元塊(lOmmX lOmmX 10mm)組成。所述的電阻應(yīng)變片規(guī)格為BX120-3CA(柵長(zhǎng)X柵寬=3X2mm)，可由市場(chǎng)購(gòu)得；所述的相似單元塊采用與模型材料彈性模量相當(dāng)?shù)木郯滨ブ谱鞫桑辉谙嗨茊卧獕K的對(duì)角相鄰的三個(gè)面分別貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，其中兩個(gè)應(yīng)變片的方向互相垂直，另一個(gè)應(yīng)變計(jì)與前兩個(gè)成45°角如附圖1所示。其中，第一應(yīng)變片1、第三應(yīng)變片3、第六應(yīng)變片6分別用于測(cè)量ε χ、ε y、ε z，第七應(yīng)變片7、第四應(yīng)變片4、第九應(yīng)變片9用于校核，第二應(yīng)變片2、第五應(yīng)變片5、第八應(yīng)變片8分別用于測(cè)量exy(45。}、eyz(45。}、εζχ(45。}。將這9個(gè)應(yīng)變片連接到應(yīng)變采集儀上，應(yīng)變儀將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matalab編制的預(yù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否具有可靠性。處理完的數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力求解模塊，求解出加載方向的應(yīng)力分量和主應(yīng)力的大小和方向；再將主應(yīng)力的大小和方向?qū)霊?yīng)力狀態(tài)分析模塊，求解出任意方向上的應(yīng)力狀態(tài)。
[0022]在模型制作過(guò)程中，將該單元應(yīng)力計(jì)放在所需測(cè)試點(diǎn)，單元應(yīng)力計(jì)預(yù)埋在模型內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)與之形成一個(gè)整體并最大限度的減少對(duì)模型本身的干擾，能真實(shí)的反應(yīng)模型內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)的空間應(yīng)力狀態(tài)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于:測(cè)量裝置包括:單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊；單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊順序連接；所述的單元應(yīng)力計(jì)由電阻應(yīng)變片和相似單元塊組成；所述的相似單元塊采用與模型材料彈性模量相當(dāng)?shù)木郯滨ブ谱鞫?；在相似單元塊的對(duì)角相鄰的三個(gè)面分別貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，其中兩個(gè)應(yīng)變片的方向互相垂直，另一個(gè)應(yīng)變計(jì)與前兩個(gè)成45°角；所述的應(yīng)變采集儀采集單元應(yīng)力計(jì)上的應(yīng)變值；所述的分析模塊是利用Matalab編制的計(jì)算軟件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于:所述的單元應(yīng)力計(jì)預(yù)埋在模型內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)；單元應(yīng)力計(jì)獲得的檢測(cè)信息通過(guò)應(yīng)變采集儀導(dǎo)入分析模塊，在分析模塊上直觀顯示模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)，所述的應(yīng)力狀態(tài)包括主應(yīng)力大小和方向、任意方向的應(yīng)力分量。3.一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量方法，其特征在于:測(cè)量方法為:單元應(yīng)力計(jì)通過(guò)三個(gè)正交方向應(yīng)變片獲得εχ、ε y, εζ，實(shí)測(cè)得到的ε xy(45。ε yz{45.ε zx{45.)及ε x、ε y、ε ζ計(jì)算出剪應(yīng)變?chǔ)?xy、γ y0 γχζ，根據(jù)ε χ、ε y、ε 2及γ xy、γγζ, γ χζ六個(gè)應(yīng)變分量即可求解出σχ、oy、σ z、Txy、Tyz、τ zx六個(gè)應(yīng)力分量，進(jìn)而求解出三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向，得到測(cè)試點(diǎn)的空間應(yīng)力狀態(tài)； 利用Matalab計(jì)算軟件將整個(gè)計(jì)算過(guò)程編制成分析模塊，分析模塊的計(jì)算方法:首先將應(yīng)變采集儀采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)處理模塊中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷數(shù)據(jù)是否具有可靠性；將處理完的數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力求解模塊，求解出加載方向的應(yīng)力分量和主應(yīng)力的大小和方向；再將主應(yīng)力的大小和方向?qū)霊?yīng)力狀態(tài)分析模塊，求解出任意方向上的應(yīng)力狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
【專利摘要】一種地下工程模型試驗(yàn)內(nèi)部空間應(yīng)力測(cè)量裝置及方法，屬于內(nèi)部應(yīng)力測(cè)量裝置及方法。測(cè)量裝置包括單元應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變采集儀和分析模塊。該單元應(yīng)力計(jì)包括電阻應(yīng)變片和相似單元塊，在相似單元塊的對(duì)角相鄰的三個(gè)面分別貼三個(gè)電阻應(yīng)變片，相似單元塊是根據(jù)相似材料的力學(xué)特性及匹配要求設(shè)計(jì)制作，彈性模量和模型材料的彈性模量相當(dāng)；利用Matalab編制的分析模塊將應(yīng)變儀采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入后，可直接顯示加載方向垂直或平行的六個(gè)應(yīng)力分量和主應(yīng)力大小、方向，也可輸出任意方向的應(yīng)力分量，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型內(nèi)部空間應(yīng)力狀態(tài)的量測(cè)及試驗(yàn)加載過(guò)程中應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本發(fā)明結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝與測(cè)試便捷，且有較高的精確度，可廣泛用于模型試驗(yàn)中。
【IPC分類】G01L1/22
【公開(kāi)號(hào)】CN105258829
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510793814
【發(fā)明人】陳坤福, 靖洪文, 涂小兵, 吳順濤
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日