用于測試三維應變狀態的測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發明提供用于測試三維應變狀態的測試裝置，該裝置的結構包括有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的的測試及方法。本發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部的應變狀態和應力狀態提供一種直接有效的手段。將三維應變花置于待測材料內部，讀取的三維應變花6條棱上的12個應變值。根據測得的應變值以及三維應變花與待測材料的空間位置關系，可以根據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。本發明填補了對物體三維應變狀態測量的空白。
【專利說明】用于測試三維應變狀態的測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于工程中的變形和應變測試【技術領域】，特別是一種用于測試三維應變狀 態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合應變方向，
【背景技術】
[0002] 物體的變形和應變測量是工程中的一項基礎性工作，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、交通工程等基礎設 施建設中，準確獲得諸如混凝土、巖土體等材料的一般應變狀態和主應變、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計算得到當前的應力狀態，是工程 建設的需要。
[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。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 規應變花測得。
[0004] 常規應變花由三個應變片組成，根據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，而在工程實踐中，往往需要測得某一物體內部的三維應變狀態。比如，在混凝土結構中， 往往需要了解混凝土構件內部某點的三維應變狀態和應力狀態；在巖土工程中，確定巖土 體內部的應變狀態對工程健康診斷和災害預防是非常重要的；在地質工程中，應變和位移 監測是滑坡預防、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據，常規的直角應變花、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據，對三維空間一點的應變狀態卻無法計算得到。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，現有測試 方法獲得的某處的應變狀態數據都是片面的、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的裝置，對解決工程問題具有重要的現實意義，也是一項迫切的 科研課題。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提出一種用于測試三維應變狀態的測試裝置及其測試方法，以 利于工程中受力構件內部的應變狀態測試。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供用于測試三維應變狀態的測試裝 置，其中：該裝置的結構包括有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的的測試及方法。
[0009] 本發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部的應變狀態和應力狀態提供一 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）內部，讀取的三維應變 花6條棱上的12個應變值。根據測得的應變值以及三維應變花與待測材料的空間位置關 系，可以根據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 發明填補了對物體三維應變狀態測量的空白。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發明接觸式三維應變花示意圖；
[0011] 圖2為本發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] 結合附圖對本發明的用于測試三維應變狀態的測試裝置及其測試方法加以說明。
[0019] 本發明用于測試三維應變狀態的測試裝置設計思想是基于：空間一點的一般應變 狀態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的測試裝置的結構包括有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構成一個正四面體的 邊棱。根據圖2所示幾何關系，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，根據方向余弦得 到式（4)描述的轉換矩陣D，用來表示從常規三維應變狀態表示方法到六個線應變的映射 關系。其中，下標1、2、3、4、5、6分別對應于六個方向上的應變。
[0026]
【權利要求】
1. 一種用于測試三維應變狀態的測試裝置，其特征是：該裝置的結構包括有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、凍土的巖土體內部應變的測量，對鋼筋混凝土應變監測； 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，基于方向余弦構造轉換矩陣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 優先權日:2014年12月5日
【發明者】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