适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置及测试方法与流程

本发明属于应力测试领域，特别涉及一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置及测试方法。能够更准确地检测轴对称条件下材料内部三维应力的变化趋势，为实际工程的安全保障提供可靠依据和参考。

背景技术：

近年来，试验或实际工程中对材料内部应力状态的研究一直备受广大学者关注。材料内部的应力测试技术从一维层面到二维层面逐步发展，而且主要集中于单向检测。例如传统的压力传感器在检测材料内部应力变化情况时，通常依靠应变片受力引起的直接变形，并结合材料的力学参数等进行理论计算，从而间接得到一点处的应力状态。目前，三维应力测试技术占据主导地位，并对快捷算出材料内部一点的应力状态起到不可替代的作用。随着三维应力测试装置精度的大幅度提高，材料内部的力学特性和变形特征的研究更进一步得到了很好的有利依据。

在轴对称条件下，材料内部三维应力状态的测试是室外试验的一个重点，也是实际工程施工的一个特殊部分。专利201910201996.5公布了一种基于新型多面体基座的三维应力测试装置及测试方法，但是该装置未考虑轴对称问题时损坏两个土压力盒的突发情况。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置及测试方法，能够解决轴对称工程中七个土压力盒损坏两个的突发问题，且大幅度降低造价成本和尺寸效应；实现轴对称条件下材料内部的高精度测试，同时使三维应力测试达到方法上便捷实用、功能上满足要求的目的，从而直接算出材料内部一点处的应力状态，最终为材料的力学特性与变形特征以及实际工程的安全保障提供有利的理论依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置，包括：体基座、多个土压力盒、热熔胶和若干数据导线，所述基座为由正方体以45°和90°为切割角形成的前后、左右分别对称的多面体基座；所述多面体基座上设有土压力盒凹槽、水准泡凹槽和标识凹槽、数据导线进线孔洞和数据导线出线孔洞；所述若干数据导线依次通过土压力盒凹槽中心处的数据导线进线孔洞、数据导线出线孔洞与外界测试设备相连接。

所述基座各边为圆角边。

所述土压力盒凹槽为若干个且包括备用压力盒凹槽。

所述土压力盒凹槽、数据导线进线孔洞、数据导线出线孔洞均为圆柱体。

所述土压力盒为dts-2型应变式高量程高频率的土压力盒。

所述外界测试设备为dh3816n型静态应力测试分析系统。

本发明的另一个技术方案是：一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试方法，步骤如下：

1)将五个土压力盒与多面体基座组装在一起；

2)将步骤1)中组装好的多面体基座与五个土压力盒及数据导线一同埋置于被测材料内部任意水平面形心处，建立以多面体基座为原点的空间坐标系o-xyz，以材料内部任意水平面的形心为原点，原点即为材料内部待测点，并将数据导线与静态应力测试分析系统连接好，再将静态应力测试分析系统与计算机连接形成应力采集系统；

3)选取多面体基座的的五个相互独立的平面，并记为β1，β2，β3，β4，β5，确定面内土压力盒的法向量方向与坐标夹角以得到转换矩阵bi(i＝1,2,3,4,5)；

4)通过应力采集系统得到五个应力测试值，分别为σa，σb，σc，σd，σe，用矩阵形式表示为σ1＝[σa,σb,σc,σd]^t，σ2＝[σe,σb,σc,σd]^t，σ3＝[σa,σe,σc,σd]^t，σ4＝[σa,σb,σe,σd]^t，σ5＝[σa,σb,σc,σe]^t；

5)计算步骤2)中待测点的三维应力状态，公式如下：

式(1)中{σt}i(i＝1,2,3,4,5)为待测点的三维应力状态，即

为对应土压力盒的转换矩阵bi的逆矩阵，即：

其中bi为对应土压力盒的转换矩阵，即：

根据式(1)算出待测点受到的五组正应力和五组剪应力，即五组三维应力状态测试值{σt}i(i＝1,2,3,4,5)，再取平均值[σx,σz,σxy,σyz]^t，公式如下：

又因为轴对称条件下，x方向与y方向上受到的正应力大小相等，所在yz平面与zx平面内受到的剪应力大小相等，即σx＝σy，σyz＝σzx，所以材料内部最终测试状态的三维应力值即三个正应力和三个剪应力，分别为σx，σy，σz，σxy，σyz，σzx。

本发明的有益效果是：在轴对称条件下，材料内部的一点通过提供的测试装置能够得到该点的应力测试值即两个正应力和两个剪应力，通过提供的测试方法能够得到该点的最终三维应力状态，为进行定量力学分析和工程安全评价提供了有利依据。该装置造型小巧，制造成本低，测试精度高，使用方法简单；不仅如此，若有一个土压力盒被损坏后，该装置仍然能够得到材料内部的三维应力状态测试值。针对轴对称这一特殊问题，本发明提供的测试装置及使用方法具有科学合理性、实用可靠性，为土木工程、岩土工程、交通工程带来巨大的推动力量。

附图说明

图1为本发明的制作基础多面体的切割示意图；

图2为本发明的切割后得到的基础多面体示意图；

图3为本发明的形成顶面和底面的基础多面体示意图；

图4为对图3进行切割及合并的制作流程示意图；

图5为本发明的切割后得到的适用于轴对称受力条件的多面体示意图；

图6为本发明的适用于轴对称受力条件的多面体的侧面及底部结构示意图；

图7为本发明的适用于轴对称受力条件的多面体的上部及侧面结构示意图；

图8为本发明的适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置示意图。

其中：

1.多面体基座2.土压力盒3.热熔胶

4.数据导线5.土压力盒凹槽6.水准泡凹槽

7.标识凹槽8.数据导线进线孔洞9.数据导线出线孔洞

具体实施方式

结合附图对本发明的一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置及使用方法加以详细说明。

本发明的设计原理是空间内一点的应力状态理论，其中应力包括三个正应力和三个剪应力。考虑到轴对称问题，确定材料内部一点的三维应力状态至少需要在四个法向量不同的面上布置对应的四个测试元件。

如图6至图8所示，本发明的一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试装置，包括：多面体基座1、多个土压力盒2、热熔胶3和若干数据导线4。多面体基座上设有土压力盒凹槽5、水准泡凹槽6和标识凹槽7、数据导线进线孔洞8和数据导线出线孔洞9。多面体基座体积为57-58cm³，土压力盒凹槽5为圆柱体，直径为29mm，其中大长方形底面凹槽深度为9-10mm，其余槽深为6-7mm。水准泡凹槽6为圆柱体，直径为9mm，槽深为3-4mm。标识凹槽7为立方体，长宽均为16-17mm，槽深为1-2mm。数据导线进线孔洞8为圆柱体，直径为8mm，洞深为21-22mm。数据导线出线孔洞9为圆柱体，其中大进线孔洞直径为8mm，小进线孔洞直径为4.8mm，洞深均为21-22mm。

多面体基座的五个相互独立平面上的土压力盒凹槽5内分别填充热熔胶以固定五个土压力盒，其中备用凹槽按需使用；水准泡凹槽6内填充热熔胶以固定市场售卖的微型水准泡；标识凹槽7内安装测试所需的标识。连接土压力盒的数据导线依次通过土压力盒凹槽5中心处的数据导线进线孔洞8、数据导线出线孔洞9与dh3816n型静态应力测试分析系统相连接，该系统与计算机之间用网线连接。由此形成一套适用于轴对称受力条件的三维应力测试系统。

本发明的一种适用于轴对称受力条件的三维应力测试方法，具体步骤如下：

第一步，制作基础多面体，具体切割方法为：如图1所示，基础多面体由立方体o1o2o3o4o5o6o7o8切割而成，图中点c1、c2、d1、e1、e2均为该立方体边长的中点，依次切割由点c1、c3、d1确定的切割面，由点c1、c2、e1确定的切割面，其余同理；接着以f3、f4为切割线，以45°为切割角进行切割，其余同理。经以上切割，最终得到如图2所示的基础多面体。

第二步，在图2的基础上，取多面体顶部四条边的中点，对其组成的切割面进行切割，得到平面k1k2k3k4。同理，取多面体底部四条边的中点，对其组成的切割面进行切割，得到平面k1k2k3k4。经以上切割，最终得到如图3所示的多面体。

第三步，在图3的基础上，分别取边k1k2、k3k4中间长度均为17mm的一段，这两段组成一个长方形，以该长方形所在的平面为对准面，并垂直于边k1k2且平行于k1k4作一剖切体。同时，分别取边k1k4、k2k3中间长度均为3mm的一段，这两段组成一个矩形，以该矩形所在的平面为对准面，并垂直于边k1k4且平行于k1k2作一剖切体。将这两个剖切体对多面体进行剖切得到如图4所示的制作流程图。最后，将图4中的四个小多面体进行合并得到如图5所示的适用于轴对称受力条件的多面体。

第四步，在得到的如图5所示适用于轴对称受力条件的多面体的大六边形表面和底面k1′k2′k3′k4′上设置如图6至图7所示土压力盒凹槽5，直径为29mm，其中大长方形底面凹槽深度为9-10mm，其余槽深为6-7mm；在如图5所示多面体的顶面k1′k2′k3′k4′上设置水准泡凹槽6，直径为9mm，槽深为3-4mm，且内置市场售卖的微型水准泡；在如图5所示多面体的侧边大长方形表面设置标识凹槽7，长宽均为16.5mm，槽深为1-2mm，且内置测试所需标识。在如图5所示多面体的小梯形和小六边形表面设置数据导线出线孔洞9，将如图5所示多面体的所有棱边均设置为如图6至图8所示的圆角边。在如图5所示多面体的平面β1，β2，β3，β4，β5上的土压力盒凹槽5内安置如图8所示的土压力盒2，其数据导线依次通过土压力盒凹槽5中心处的数据导线进线孔洞8、数据导线出线孔洞9与dh3816n型静态应力测试分析系统相连接，该系统与计算机之间用网线连接。由此形成一套适用于轴对称受力条件的三维应力测试系统。

第五，将该装置埋入材料内部的待测点处，优选多面体基座的五个相互独立的面即β1，β2，β3，β4，β5，并确定面内土压力盒的法向量方向与坐标夹角以得到转换矩阵bi(i＝1,2,3,4,5)。

第六，通过应力采集系统得到五个应力测试值，分别为σa，σb，σc，σd，σe，用矩阵形式表示为σ1＝[σa,σb,σc,σd]^t，σ2＝[σe,σb,σc,σd]^t，σ3＝[σa,σe,σc,σd]^t，σ4＝[σa,σb,σe,σd]^t，σ5＝[σa,σb,σc,σe]^t。

第七，根据公式计算出待测点的三维应力状态即并取其平均值，即三个正应力和三个剪应力，分别为σx，σy，σz，σxy，σyz，σzx。

针对上述的实施步骤，现对本发明提供的测试方法进行具体分析，假定五个面的应力值分别为σa＝82kpa，σb＝75kpa，σc＝86kpa，σd＝80kpa，σe＝91kpa。

根据公式(1)、(2)和(3)计算五组应力状态，结果如下表1。

表1五组应力状态及其平均值

本发明针对轴对称问题提供了一种新型三维应力测试装置及使用方法，功能满足工程上的要求，计算方法简便，测试精度高，减小了尺寸效应，降低了造价成本，避免了一定的应力集中，能够保证如有一个土压力盒被损坏后依然可以得到三维应力状态测试值，能够广泛应用于土木工程、岩土工程和交通工程。