物理模型试验

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摘 要：模型试验是根据相似原理和相似准则,制造缩尺实物模型,用于预测原型工作性态,验证设计和计算的结果的测试技术.这是一种研究方法,很类似于假说实验法.但这种未加证明的理论被研究者构建成了一种模型,然后对该模型的每一个部分逐一实验证明.

关 键 词：模型试验

中图分类号：TU文献标识码：A文章编号：1008-925X(2012)O8-0122-01

一、研究现状

我国的结构模型试验起步于20世纪50年代,随着我国建设事业的发展而逐步发展起来.改革开放以来,我国国民经济建设的大规模开展,有力地推动了结构模型试验的发展.目前全国主要的土木类高校和研究院所均建有结构实验室,大部分可以开展一般的结构模型试验.随着高层建筑、大跨度桥梁、悬索结构、原子能反应堆、海洋平台、航天工程和地下交通工程等的全面开展,结构模型试验的技术和装备也有了很大的提高.各种非线性结构模型试验全面开展.大型现代化的风洞实验室、地震振动台、火灾模型实验室相继建成并投人使用,大大推动了工程结构理论和技术的进步,也使结构模型试验本身的理论和技术得到了发展.在国外,结构模型试验的广泛应用与发展.其中1947年葡萄牙建立了里斯本国家土木工程研究所,进行了许多小尺寸模型试验；l951年意大利建立了贝加莫结构模型试验所,多进行大尺寸的模型试验；此外,美、英、法、德国和日本也都先后建立了大型结构实验室,为模型材料的研制、试验技术的开发、试验设备的研制更新做出了很大贡献.20世纪80年始,前苏联、东欧一些国家及我国均相继开展了结构模型试验.至20世纪60年代中期出现了地质力学模型研究,使地下结构及基础结构模型试验获得了较快的发展.

二、相似理论

1.基本概念

相似理论是说明自然界和工程中各相似现象相似原理的学说,是研究自然现象中个性与共性,或特殊与一般的关系以及内部矛盾与外部条件之间的关系的理论.在结构模型试验研究中,只有模型和原型保持相似,才能由模型试验结果推算出原型结构的相应结果.

相似理论从现象发生和发展的内部规律性(数理方程)和外部条件(定解条件)出发,以这些数理方程所固有的在量纲上的齐次性以及数理方程的正确性不受测量单位制选择的影响等为大前提,通过线性变换等数学演绎手段而得到了自己的结论.相似理论的特点是高度的抽象性与宽广的应用性相结合,相似理论的内容并不多,甚至不被当作一个单独的学科.相似理论是试验的理论,用以指导试验的根本布局问题,它为模拟试验提供指导,尺度的缩小或放太,参数的提高或降低,介质性能的改变等,目的在于以最低的成本和在最短的运转周期内摸清所研究模型的内部规律性.相似理论在现代科技中的最主要价值在于它指导模型试验上.尽管相似理论本身是一个比较严密的数理逻辑体系,但是,一旦进入实际的应用课题,在很多情况下,不可能是很精确的.因为相似理论所处理的问题通常是极其复杂的.

相似理论中的三个定理赖以存在的基础为：

(1)现象相似的定义；

(2)自然界中存在的现象所涉及到的各物理量的变化受制于主宰这种现象的各个客观规律,它们不能任意变化；

(3)现象中所涉及的各物理量的大小是客观存在的,与所采用的测量单位无关.

接下来,在这里简介几个基本概念.

(1)相似及相似常数

如果原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例,则两个系统相似.相似常数(也称为相似比、比尺、模拟比、相似系数等)是模型物理量同原型物理量之比.主要有几何相似比、应力、应变、位移、弹性模量、泊松比、边界应力、体积力、材料密度、容重相似比等.在这些相似常数中,长度、时间、力所对应的相似常数称为基本相似常数.

(2)相似指标及相似判据

模型和原型中的相似常数之间的关系式称为相似指标.若两者相似,则相似指标为1.由相似指标导出的无量纲量群称为相似判据.

相似定理有3个,分别表述如下：

相似第一定理：两个相似的系统,单值条件相同,其相似判据的数值也相同.

相似第二定理：当一现象由n个物理量的函数关系来表示,且这些物理量中含有m种基本量纲时,则能得到(n-m)个相似判据.

相似第三定理：凡具有同一特性的现象,当单值条件(系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等)彼此相似,且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等时,则这些现象必定相似.

2.量纲分析

当还不知道系统的物理量间的函数关系,但已知影响该系统的物理量时,可用量纲分析法模拟该系统.量纲分析法的最重要作用是用其确定相似判据.量纲分析法的规律有以下几条：①2个物理量相等,不仅要求其数值相同,也要求它们的量纲相同；②2个同量纲参数的比值是无量纲参数；③在1个物理过程中,若有n个物理参数,m个基本量纲,则可组成(n-m)个独立的无量纲参数组合.④在1个物理方程式中,等式两边的量纲必须相同,这个物理方程的量纲均衡性是量纲分析的基础.

三、模型和原型的相似要求

模型和原型的相似要求分别是：①几何相似.对于三向应力状态下的结构模型,各方向的几何尺寸应保持相似；而对于二向应力状态,则只需要求平面尺寸保持几何相似,厚度就不一定要求几何相似.②边界条件相似.模型和原型的支承条件、支承位置等均应保持相同或相似.③物理参数相似.模型与原型的荷载性质、大小等都应满足相应的相似要求,而作用方向则应完全相同.④时间相似.在动力模型试验中,随时间变化的过程,每一刻都对应着某些物理量,因此必须保持时间比例不变的关系.⑤初始条件相似.在常温的静态应力试验时,只要求几何相似,边界条件和荷载相似；而在动应力和温度应力下的模型试验,则主要要求初始条件和时间的相似.