评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法及装置与流程

1.本发明涉及材料测试领域，尤其涉及一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法和装置。


背景技术：

2.毁伤效应评估对大型基础工程，如水利工程、隧道、高层建筑等的安全防护具有重大作用。
3.由于毁伤试验具有破坏性，对于大型水利工程，其毁伤后将产生巨大的次生灾害，开展原型试验具有极大的危险性，并且测试难度极大。模型试验具有成本低、可重复性好、测试方便等优点，是目前开展结构毁伤的主要研究方法。其中，离心模型试验通过高速旋转模拟重力效应，可以实现空中爆炸、岩土介质爆炸、水中爆炸的载荷相似。而对于结构，可以模拟与原型一致的初始应力场。对于混凝土、岩土体等材料，其应力应变关系与自身应力状态有关，应力场的一致可以确保弹塑性本构关系的相似，从而使结构产生与原型相似的塑性变形和毁伤特征。
4.然而，根据模型相似关系，需要满足几何相似、动力相似、运动相似，离心机可以同时满足以上相似关系。然而，根据混凝土、岩石等材料的动力力学特性，材料的动态强度受应变率效应的影响，在模型试验中，需要对原型的长度、时间进行缩比，当模型的几何比尺为1/n，由于应变比尺为1，而时间比尺为1/n，因而应变率的比尺为n，模型的实际应变率将高于原型。如图1所示，可以看出模型比尺越大，应变率差异越大，强度可差2-3倍。根据动态强度理论，模型的强度将高于原型，根据相似理论，模型的破坏将小于实际，将低估结构的毁伤，这使得结构的安全防护偏于不安全。是目前离心机试验和其它模型试验方法均存在的局限。
5.模型比尺越大，应变率越高，材料的动态强度越大，模拟结果将低估结构的破坏；随着模型比尺的增加，模拟误差将逐渐趋于收敛，仅采用modeling of models试验验证相似率存在局限性。
6.在发明人实施本发明实施例的过程中发现现有技术存在因相似率的不严格导致模型试验结果与实际差别巨大的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明实施例提供了一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法及装置，至少部分的解决现有技术中存在的因相似率的不严格导致模型试验结果与实际差别巨大的问题。
8.第一方面，本发明实施例提供了一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型检测方法，包括：
9.基于修正前离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的上边界，所述修正前离心模型为使用与待评估的结构原型相同的材料构建的离心模型；
10.基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，所述修正后离心模型为使用修改后材料构建的离心模型，所述修改后材料为基于强度比和待评估的结构原型的材料得到的，所述强度比为基于修正前离心模型的最大应变率和待评估的结构原型的最大应变率得到的；
11.使用模拟离心模型进行模拟得到毁伤模拟结果，所述模拟离心模型为基于待评估的结构原型构建的模拟离心模型；
12.针对修正前离心模型、修正后离心模型和原型进行数值仿真，检测修正前离心模型、修正后离心模型仿真结果和原型结构的毁伤模拟结果是否介于上边界和下边界限定的区间。
13.根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述强度比的计算包括：
14.计算修正前离心模型的第一最大应变率；
15.计算待评估的结构原型的第二最大应变率；
16.基于所述第一最大应变率得到第一应变率函数，基于所述第二最大应变率得到第二应变率函数；
17.基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比。
18.根据本发明实施例的一种具体实现方式，计算修正前离心模型的第一最大应变率，包括：
19.根据修正前离心模型表面布置的应变片记录的时程曲线，分析修正前离心模型所受的最大应变率，
[0020][0021]
式中，εm表示模型的应变时程曲线，取结构响应最大部位的测点，d为微分算子，t为时间，表示第一最大应变率。
[0022]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，计算待评估的结构原型的第二最大应变率，包括：
[0023]
根据第一最大应变率和修正前离心模型采用的相似比尺第二最大应变率，
[0024][0025]
式中，n相似比尺，为第二最大应变率。
[0026]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比，包括：
[0027]
结合单轴动态强度准则，得到在最大应变率条件下，待评估的结构原型与修正前离心模型理论上的强度比，
[0028][0029]
式中，为选择的单轴动态强度准则，为应变率的函数；为第二应变率函数，为第一应变率函数，为强度比。
[0030]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，包括：
[0031]
根据强度比，配制修正后的材料；
[0032]
基于修正后的材料开展模型试验，检验在最大应变率范围内，修正后的材料与原型材料的强度和应变率曲线。
[0033]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述模型试验为霍普金森杆试验。
[0034]
第二方面，本发明实施例还提供了一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试装置，包括：
[0035]
上边界模块，用于基于修正前离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的上边界，所述修正前离心模型为使用与待评估的结构原型相同的材料构建的离心模型；
[0036]
下边界模块，用于基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，所述修正后离心模型为使用修改后材料构建的离心模型，所述修改后材料为基于强度比和待评估的结构原型的材料得到的，所述强度比为基于修正前离心模型的最大应变率和待评估的结构原型的最大应变率得到的；
[0037]
模拟模块，用于使用模拟离心模型进行模拟得到毁伤模拟结果，所述模拟离心模型为基于待评估的结构原型构建的模拟离心模型；
[0038]
检测模块，用于针对修正前离心模型、修正后离心模型和原型进行数值仿真，检测修正前离心模型、修正后离心模型仿真结果和原型结构的毁伤模拟结果是否介于上边界和下边界限定的区间。
[0039]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述下边界模块，包括，计算模块，所述计算模块用于计算强度比包括：
[0040]
第一最大应变率模块，用于计算修正前离心模型的第一最大应变率；
[0041]
第二最大应变率模块，用于计算待评估的结构原型的第二最大应变率；
[0042]
函数模块，用于基于所述第一最大应变率得到第一应变率函数，基于所述第二最大应变率得到第二应变率函数；
[0043]
强度比模块，用于基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比。
[0044]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述下边界模块，包括：
[0045]
修正模块，用于根据强度比，配制修正后的材料；
[0046]
试验模块，用于基于修正后的材料开展模型试验，检验在最大应变率范围内，修正
后的材料与原型材料的强度和应变率曲线。
[0047]
本发明实施例提供的评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法及装置，其中该评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法，通过计算上边界和下边界，在实际分析中，如模拟结果介于上边界和下边界之前，认为模拟结果合理，避免了因外推造成的理论或模拟误差。采取严格的上下边界框定试验结果的范围，使试验结果更加客观，避免因相似率的不严格导致模型试验结果与实际差别巨大的问题。
[0048]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0050]
图1为离心模型中动力强度和应变率的趋势图；
[0051]
图2为本发明实施例提供的一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法的流程图；
[0052]
图3为本发明实施例提供的评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试方法的原理框图；
[0053]
图4为本发明实施例提供的评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试中强度与应变率的对比图；
[0054]
图5为本发明实施例提供的评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试结构趋势图；
[0055]
图6为本发明实施例提供的一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试装置的原理框图；
[0056]
图7为本发明实施例提供的一下边界模块的原理框图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
[0058]
应当明确，以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。
举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0060]
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0061]
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0062]
现有的模型试验根据相似率，希望通过单一的试验推测原型的实际情况，然而，由于理论的局限性，模型结果通常难以直接推广至原型，常需要借助理论或数值对结果进行外推，结构可靠性难以验证。本实施例通过2组确定的模型试验，得到模型的上边界和下边界，如模拟的最大应变率高于原型，可以在更大的应变率范围验证数值模拟所用的本构及参数的合理性，如模拟范围介于试验范围之间，可以验证模拟结果的合理性。本实施例的原型为待评估的结构原型的简称。
[0063]
实施例一：
[0064]
为了便于理解，如图2所示，本实施例公开了一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型检测方法，包括：
[0065]
步骤s201：基于修正前离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的上边界，所述修正前离心模型为使用与待评估的结构原型相同的材料构建的离心模型；
[0066]
在一个示例中，基于修正前离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的上边界具体为，试验根据原型拟考核的指标确定，如某当量、爆距下的爆炸毁伤，则按考核要求，根据模型箱尺寸、离心机负载综合确定试验比尺，确定模型当量、几何尺寸、根据原型材料制备试验模型，布置测试设备，开展模型试验，分析测试结果。
[0067]
与待评估的结构原型相同的材料为性质参数相同的材料，并不限定材料完全相同，也包括材料参数相似的材料。如原型材料为混凝土，在构建修正前离心模型时，可在实验室选择与混凝土参数相同或相似的试验材料，而不用采用原型上同样的混凝土。
[0068]
原型材料的模型试验。采用与原型相似的材料，开展爆炸毁伤试验，由于修正前离心模型的应变率高于原型，则在试验过程中，修正前离心模型材料的静态和动态强度将等于或高于原型，修正前离心模型试验的毁伤将低于实际情况，将该工况作为实际毁伤的上边界。
[0069]
步骤s202：基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，所述修正后离心模型为使用修改后材料构建的离心模型，所述修改后材料为基于强度比和待评估的结构原型的材料得到的，所述强度比为基于修正前离心模型的最大应变率和待评估的结构原型的最大应变率得到的；
[0070]
在一个示例中，基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界为：试验所用的比尺、几何尺寸、炸药当量、参数均与修正前一致，唯一变化的即是模型所用的试验材料根据强度比进行折减。
[0071]
修改后材料为为了保证模型的相似性，采用与修正前相同的材料，如修正前为钢，
修正后则为按强度比折减后的钢；对于混凝土，修正后则按折减后的混凝土强度配比配置混凝土材料。
[0072]
强度比的计算包括：
[0073]
计算修正前离心模型的第一最大应变率；
[0074]
计算待评估的结构原型的第二最大应变率；
[0075]
基于所述第一最大应变率得到第一应变率函数，基于所述第二最大应变率得到第二应变率函数；
[0076]
基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比。
[0077]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，计算修正前离心模型的第一最大应变率，包括：
[0078]
根据修正前离心模型表面布置的应变片记录的时程曲线，分析修正前离心模型所受的最大应变率，
[0079][0080]
式中，εm表示模型的应变时程曲线，取结构响应最大部位的测点，d为微分算子，t为时间，表示第一最大应变率。
[0081]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，计算待评估的结构原型的第二最大应变率，包括：
[0082]
根据第一最大应变率和修正前离心模型采用的相似比尺第二最大应变率，
[0083][0084]
式中，n相似比尺，为第二最大应变率。
[0085]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比，包括：
[0086]
结合单轴动态强度准则，得到在最大应变率条件下，待评估的结构原型与修正前离心模型理论上的强度比，
[0087][0088]
式中，为选择的单轴动态强度准则，为应变率的函数；
为第二应变率函数，为第一应变率函数，为强度比。
[0089]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，包括：
[0090]
根据强度比，配制修正后的材料；
[0091]
在一个示例中，对于金属类强度，根据强度比，可以得到修正后的材料强度，依据修正材料强度选择对应型号的金属材料；对于混凝土类材料，根据修正材料强度，查阅混凝土配合比计算方法，配置相应强度的混凝土材料。
[0092]
基于修正后的材料开展模型试验，检验在最大应变率范围内，修正后的材料与原型材料的强度和应变率曲线。修正后材料在静态及动态应变率作用下，强度均将小于或等于原型材料，则原型毁伤将比采用修正材料试验的结果严重。
[0093]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述模型试验为霍普金森杆试验。
[0094]
步骤s203：使用模拟离心模型进行模拟得到毁伤模拟结果，所述模拟离心模型为基于待评估的结构原型构建的模拟离心模型；
[0095]
步骤s204：针对修正前离心模型、修正后离心模型和原型进行数值仿真，检测修正前离心模型、修正后离心模型仿真结果和原型结构的毁伤模拟结果是否介于上边界和下边界限定的区间。
[0096]
如图3、图4和图5所示，本实施例提出一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型试验方法。其通过离心机施加离心力对模型施加超重力场，实现爆炸载荷和材料本构关系相似。在此基础上提出基于应变率的模型强度材料修正方法。采用与原型一致的材料，作为强度的上限，根据模型最大应变率，对模型强度进行折减修正，开展2组试验，则理论上，实际破坏将介于2模型之间，由此给出材料动态强度的上限和下限，可以确定毁伤的范围。解决依靠单一模型试验，无法反演原型破坏的问题。
[0097]
实施例二：
[0098]
如图6所示，本实施例公开了一种评估结构爆炸毁伤效应的离心模型测试装置，包括：
[0099]
上边界模块，用于基于修正前离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的上边界，所述修正前离心模型为使用与待评估的结构原型相同的材料构建的离心模型；
[0100]
下边界模块，用于基于修正后离心模型进行试验得到结构爆炸毁伤的下边界，所述修正后离心模型为使用修改后材料构建的离心模型，所述修改后材料为基于强度比和待评估的结构原型的材料得到的，所述强度比为基于修正前离心模型的最大应变率和待评估的结构原型的最大应变率得到的；
[0101]
模拟模块，用于使用模拟离心模型进行模拟得到毁伤模拟结果，所述模拟离心模型为基于待评估的结构原型构建的模拟离心模型；
[0102]
检测模块，用于针对修正前离心模型、修正后离心模型和原型进行数值仿真，检测修正前离心模型、修正后离心模型仿真结果和原型结构的毁伤模拟结果是否介于上边界和下边界限定的区间。
[0103]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，如图7所示，所述下边界模块，包括，计算
模块，所述计算模块用于计算强度比包括：
[0104]
第一最大应变率模块，用于计算修正前离心模型的第一最大应变率；
[0105]
第二最大应变率模块，用于计算待评估的结构原型的第二最大应变率；
[0106]
函数模块，用于基于所述第一最大应变率得到第一应变率函数，基于所述第二最大应变率得到第二应变率函数；
[0107]
强度比模块，用于基于所述第一应变率函数和第二最大应变率得到强度比。
[0108]
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述下边界模块，包括：
[0109]
修正模块，用于根据强度比，配制修正后的材料；
[0110]
试验模块，用于基于修正后的材料开展模型试验，检验在最大应变率范围内，修正后的材料与原型材料的强度和应变率曲线。
[0111]
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，在本发明中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明为必须采用上述具体的细节来实现。
[0112]
在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，本发明中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
[0113]
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，以便例如“a、b或c的至少一个”的列举意味着a或b或c，或ab或ac或bc，或abc(即a和b和c)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
[0114]
还需要指出的是，在本发明的系统和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。
[0115]
可以不脱离由所附权利要求定义的教导的技术而进行对在此所述的技术的各种改变、替换和更改。此外，本发明的权利要求的范围不限于以上所述的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法和动作的具体方面。可以利用与在此所述的相应方面进行基本相同的功能或者实现基本相同的结果的当前存在的或者稍后要开发的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。因而，所附权利要求包括在其范围内的这样的处理、机器、制造、事件的组成、手段、方法或动作。
[0116]
提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0117]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技
术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。