用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發(fā)明提供用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)包括有12個應變片，12個應變片布置形式為兩個應變片為一組，分別粘貼在正四面體的六條棱上，將六條棱鉸接組成正四面體骨架OABC。同時提供一種用于測試三維應變狀態(tài)的的測試及方法。本發(fā)明的效果是該裝置及測試方法是一種價格廉價、計算方法簡單、構(gòu)造合理、操作方便的三維應變測試裝置和方法。為更好認識受力體內(nèi)部的應變狀態(tài)和應力狀態(tài)提供一種直接有效的手段。將三維應變花置于待測材料內(nèi)部，讀取的三維應變花6條棱上的12個應變值。根據(jù)測得的應變值以及三維應變花與待測材料的空間位置關(guān)系，可以根據(jù)需要計算待測物體的主應變、最大剪應變、體應變、廣義剪應變大小及方向。本發(fā)明填補了對物體三維應變狀態(tài)測量的空白。
【專利說明】用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置及其測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工程中的變形和應變測試【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種用于測試三維應變狀 態(tài)的測試裝置及其測試方法，通過該裝置獲得的六個方向上的線應變并結(jié)合應變方向，

【背景技術(shù)】
[0002] 物體的變形和應變測量是工程中的一項基礎(chǔ)性工作，是進行量化力學分析和工程 安全性評價的前提，具有不可替代的作用。尤其在土木工程、水利工程、交通工程等基礎(chǔ)設(shè) 施建設(shè)中，準確獲得諸如混凝土、巖土體等材料的一般應變狀態(tài)和主應變、最大剪應變、體 應變、廣義剪應變、八面體應變等，并進一步由應變狀態(tài)計算得到當前的應力狀態(tài)，是工程 建設(shè)的需要。
[0003] 應變和應力測試可以通過應變片或鋼筋計完成，若想獲得某一確定方向上的應變 量值或應力大小，可以通過在該方向上布置應變片或鋼筋計的方式實現(xiàn)。對于平面應變問 題和平面應力問題，當無法確定主應力方向或主應變方向時，可以通過在物體表面張貼常 規(guī)應變花測得。
[0004] 常規(guī)應變花由三個應變片組成，根據(jù)應變片之間的不同角度，應變花可以有多種 形式，包括直角應變花、等邊三角形應變花等等。但應變花只能測得某一平面上的應變狀 態(tài)，而在工程實踐中，往往需要測得某一物體內(nèi)部的三維應變狀態(tài)。比如，在混凝土結(jié)構(gòu)中， 往往需要了解混凝土構(gòu)件內(nèi)部某點的三維應變狀態(tài)和應力狀態(tài)；在巖土工程中，確定巖土 體內(nèi)部的應變狀態(tài)對工程健康診斷和災害預防是非常重要的；在地質(zhì)工程中，應變和位移 監(jiān)測是滑坡預防、滑坡預警和滑坡治理的前提。
[0005] 目前，工程上應變測試領(lǐng)域存在的主要問題是：只能獲得某一確定方向或某一確 定平面上的應變和應力數(shù)據(jù)，常規(guī)的直角應變花、45° - 3直角應變花、60° - 3等角應變 花只能測得某一平面的應變數(shù)據(jù)，對三維空間一點的應變狀態(tài)卻無法計算得到。目前，對物 體的三維應變測量并沒有見諸于文獻，然而，實際的工程實體都是三維的。因此，現(xiàn)有測試 方法獲得的某處的應變狀態(tài)數(shù)據(jù)都是片面的、不全面的、不完整的。尋求一種簡潔、高效、適 用的能測試三維應變狀態(tài)的裝置，對解決工程問題具有重要的現(xiàn)實意義，也是一項迫切的 科研課題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置及其測試方法，以 利于工程中受力構(gòu)件內(nèi)部的應變狀態(tài)測試。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝 置，其中：該裝置的結(jié)構(gòu)包括有12個應變片，12個應變片布置形式為兩個應變片為一組，分 別粘貼在正四面體的六條棱上，將六條棱鉸接組成正四面體骨架0ABC。
[0008] 同時提供一種用于測試三維應變狀態(tài)的的測試及方法。
[0009] 本發(fā)明的效果是該裝置及測試方法是一種價格廉價、計算方法簡單、構(gòu)造合理、操 作方便的三維應變測試裝置和方法。為更好認識受力體內(nèi)部的應變狀態(tài)和應力狀態(tài)提供一 種直接有效的手段。將三維應變花置于待測材料（混凝土、巖土體）內(nèi)部，讀取的三維應變 花6條棱上的12個應變值。根據(jù)測得的應變值以及三維應變花與待測材料的空間位置關(guān) 系，可以根據(jù)需要計算待測物體的主應變、最大剪應變、體應變、廣義剪應變大小及方向。本 發(fā)明填補了對物體三維應變狀態(tài)測量的空白。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明接觸式三維應變花示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明應變片軸線的方向余弦計算；
[0012] 圖3-1、3-2、3-3分別為常規(guī)直角應變花、45° - 3應變花、60° - 3應變花示意 圖；
[0013] 圖4為土體一溫度變化曲線；
[0014] 圖5為土體一平均線應變變化曲線。
[0015] 圖中：
[0016] 1、應變片2、正四面體棱3、直角應變花4、45° - 3應變花
[0017] 5、60。一3 應變花

【具體實施方式】
[0018] 結(jié)合附圖對本發(fā)明的用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置及其測試方法加以說明。
[0019] 本發(fā)明用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置設(shè)計思想是基于：空間一點的一般應變 狀態(tài)表示方法包括三個正應變和三個剪應變共六個分量，因此確定空間一點的應變狀態(tài)需 要在六個不同的方向上布置測試原件。
[0020] 該用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置的結(jié)構(gòu)包括有12個應變片，12個應變片布 置形式為兩個應變片為一組，可以相互檢測印證，也可以求平均，減小偶然誤差，對稱布置 于正四面體的六條棱上，將六條棱鉸接組成正四面體骨架0ABC。
[0021] 如圖1所示，該裝置由12個應變片1組成，應變片的軸線2構(gòu)成一個正四面體的 邊棱。根據(jù)圖2所示幾何關(guān)系，計算各應變片軸線的方向余弦，即
[0022] r=sinacosβ (1)
[0023] s=sinasinβ (2)
[0024] t=cosa(3)
[0025] 式中：r、s、t分別指代相應于待測方向，應變片軸線的方向余弦，根據(jù)方向余弦得 到式（4)描述的轉(zhuǎn)換矩陣D，用來表示從常規(guī)三維應變狀態(tài)表示方法到六個線應變的映射 關(guān)系。其中，下標1、2、3、4、5、6分別對應于六個方向上的應變。
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置，其特征是：該裝置的結(jié)構(gòu)包括有12個應變 片，12個應變片布置形式為兩個應變片為一組，分別粘貼在正四面體的六條棱上，將六條棱 鉸接組成正四面體骨架（OABC)。
2. -種用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置的測試方法，該包括以下步驟： 1) 適用待測材料范圍用于測試三維應變狀態(tài)的測試裝置適用于土木工程中的地基、滑 坡、隧道、凍土的巖土體內(nèi)部應變的測量，對鋼筋混凝土應變監(jiān)測； 2) 選擇彈性模量小于待測材料的桿狀材料，鉸接一個正四面體骨架（OABC); 3) 在正四面體骨架（OABC)的六條棱上分別粘貼12個應變片，每條棱上貼2個，即形成 三維應變花； 4) 將所述三維應變花植入待測試材料中； 5) 根據(jù)四面體骨架（OABC)的方位和12個應變片的角度計算各應變片軸線的方向余 弦，基于方向余弦構(gòu)造轉(zhuǎn)換矩陣D;
【文檔編號】G01B21/32GK104482913SQ201410740140
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】李順群, 馮慧強, 張少峰, 張培印, 王英紅, 王彥洋, 王杏杏 申請人:天津城建大學