CN103489351B - 一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置 - Google Patents

一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，属于实验仪器设备的技术领域，包括：超静定结构，用于构成结构接受加热与荷载；加温与测温系统，用于对所述超静定结构进行加温和测量所述超静定结构的温度变化量；加载与荷载测量系统，用于对所述超静定结构施加荷载和测量所述超静定结构的荷载变化；数据采集与显示系统，用于采集温度与荷载共同作用情况下应力的变化情况，并进行分析处理得到超结构的耦合作用应力。本发明操作简单，维修方便，并将传统的测试方法和现代测试技术定量化的特点相结合，可定量地给出超结构当温度和荷载变化时引起的应力变化值，给出温度场与应力场耦合作用的机制。

Description

一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置
技术领域
本发明涉及结构力学课程实验装置，特别涉及超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，属于科学教学实验仪器设备的技术领域。
背景技术
结构在运营过程中，会受到温度变化的作用及荷载的作用。温度和荷载的作用都会使结构发生裂缝等损伤情况。大量的工程实践和理论研究都表明,结构内温度场与应力场之间在一定程度上存在耦合作用。当温度场发生变化时,与温度有关的材料特性如导热系数、比热、导温系数等热物理参数也要发生变化。当应力场发生变化时,与固体变形有关的热特性要发生变化,同时还存在固体内部耗散、力学能量转换等。事实上,温度场对应力场的影响还体现在温度的变化将导致孔隙流体压力较大的变化,而孔隙流体压力的变化将引起力学应力应变,使应力场发生改变。因此温度场与应力场耦合作用使结构更容易发生破坏，同时其作用机制更加复杂。且现有技术无法通过装置直观观察出温度应力与荷载应力共同作用下结构耦合应力的变化情况，未能直接得到温度场与应力场耦合作用的机制，且操作复杂。为更好地保持结构的安全性，需对温度场与应力场耦合作用机制做更深入地研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种超静定结构受到温度应力与荷载应力共同作用时能够测量结构耦合应力变化的实验装置，针对超静定结构，测量由于温度场与应力场共同变化时引起的结构应力，可为深入认识超静定结构的特点和温度场与应力场耦合作用机制提供依据。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，包括：超静定结构，用于构成结构接受加热与荷载；加温与测温系统，用于对所述超静定结构进行加温和测量所述超静定结构的温度变化量；加载与荷载测量系统，用于对所述超静定结构施加荷载和测量所述超静定结构的荷载变化；数据采集与显示系统，用于采集温度与荷载共同作用情况下应力的变化情况，并进行分析处理得到超结构的耦合作用应力。
作为本发明的一种优选技术方案：所述超静定结构包括框架和结构体，其中所述框架包括上下架体，以及位于上下架体之间且与上下架体的垂直的直杆；所述加温与测温系统包括温度计和电阻丝，所述加载与荷载测量系统包括加载手轮、力传感器和力显示器，所述数据采集与显示系统包括电阻应变片与数据采集与分析仪；其中所述结构体固定连接在框架的上下架体之间且与所述直杆平行形成超静定结构；所述电阻应变片连接在所述结构体的一侧；所述电阻丝连接在所述结构体的另一侧；所述温度计与所述结构体连接用于测量温度变化量；所述加载手轮穿过直杆与所述结构体的另一侧连接；所述力传感器连接在所述加载手轮上，所述力显示器与力传感器连接用于显示施加的荷载量；所述数据采集与分析仪与电阻应变片连接用于放大和分析处理。
作为本发明的一种优选技术方案：所述电阻应变片的数量至少为一个。
作为本发明的一种优选技术方案：所述温度计为非接触式温度计。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明由加温与测温系统对超静定结构加温，使其产生温度的变化，从而引起超静定结构不同部位应力的不同变化。由温度计测量超静定结构的温度变化量，由应变力传感器记录超结构的应力变化值。由加载与荷载测量系统对超静定结构施加荷载，超静定结构的荷载变化由力传感器和力显示器测量，由于加载而产生的超静定结构的应变由应变片感知。数据采集与分析仪对传感器记录的信号进行放大、处理，并给出超静定结构的荷载应力。实验装置还可实现测试温度与荷载共同作用情况下应力的变化情况，从而可得到温度场与应力场耦合作用的机制。本发明操作简单，维修方便，并将传统的测试方法和现代测试技术定量化的特点相结合，可定量地给出超结构当温度和荷载变化时引起的应力变化值，给出温度场与应力场耦合作用的机制。实验装置可为深入认识超静定结构的特点及为超静定结构多场耦合应力数值仿真提供依据。进一步可为采取合理有效的措施控制结构裂缝、提高结构耐久性和安全性提供科学依据。
附图说明
图1为本发明超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置的剖视图。
其中：1-框架；2-温度计；3-加载手轮；4-力传感器；5-力显示器；6-电阻丝；7-结构体；8-电阻应变片；9-数据采集与分析仪，10-直杆。
图2为超静定结构在确定温度与不同荷载耦合作用下产生的应力图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，包括：超静定结构，用于构成结构接受加热与荷载；加温与测温系统，用于对所述超静定结构进行加温和测量所述超静定结构的温度变化量；加载与荷载测量系统，用于对所述超静定结构施加荷载和测量所述超静定结构的荷载变化；数据采集与显示系统，用于采集温度与荷载共同作用情况下应力的变化情况，并进行分析处理得到超结构的耦合作用应力。
如图1所示，为本发明超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置的一种实施例。所述超静定结构包括框架1和结构体7，其中所述框架1包括上下架体，以及位于上下架体之间且与上下架体的垂直的直杆10；加温与测温系统包括温度计2和电阻丝6，加载与荷载测量系统包括加载手轮3、力传感器4和力显示器5，数据采集与显示系统包括电阻应变片8与数据采集与分析仪9；其中所述结构体7固定连接在框架1的上下架体之间且与所述直杆平行形成超静定结构；所述电阻应变片8连接在所述结构体7的一侧；所述电阻丝6连接在所述结构体7的另一侧；所述温度计2与所述结构体7连接用于测量温度变化量；所述加载手轮3穿过直杆10与所述结构体7的另一侧连接，所述力传感器4连接在所述加载手轮3上，所述力显示器5与力传感器4连接用于显示施加的荷载量；所述数据采集与分析仪9与电阻应变片8连接用于放大和分析处理。结构体7可为梁、板、实体等结构。
实施例的原理为：利用电阻丝6对结构体7加温，使结构体7产生温度变化。温度计2记录超静定结构不同部位温度的变化，温度计2可以为非接触式温度计。通过加载手轮3穿过直杆10对结构体7加载，由力传感器4和力显示器5记录加载的大小，其中加载手轮3可以设置于结构体7另一侧上的任意位置，加载手轮3与直杆10的相交处随加载手轮3的位置而定。电阻应变片8感知由温度和荷载耦合作用引起的超静定结构不同部位应力的变化，电阻应变片8至少有一个以上，均分布于结构体7的一侧上，数据采集与分析仪9对电阻应变片8感知的应变变化信号进行放大、处理，并给出超结构的耦合作用应力，并显示出应力值图。
当设实验时环境温度为30℃。用电阻丝6给超静定结构加热，用加载手轮3穿过直杆10对结构体7进行加载。当结构体7上部温度加热到60℃时，分别测试不同荷载作用下结构体7下部的温度与荷载耦合作用下的应变。施加荷载的大小分别为0.1kN、0.2kN、0.3kN、0.4kN、0.5kN、0.6kN、0.7kN、0.8kN、0.9kN、1.0kN时，对应的下部中间位置应力分别为2.8×103MPa、2.8MPa、5.0MPa、7.3MPa、9.5MPa、11.7MPa、14.1MPa、16.2MPa、18.5MPa、20.7MPa、23.1MPa。表1为数据采集与分析仪9分析出的超静定结构在确定温度与不同荷载耦合作用下结构体下方中部产生的应力值。图2为数据采集与分析仪9绘制出的超静定结构在确定温度与不同荷载耦合作用下结构体下方中部位置产生的应力值图。
表1确定温度与不同荷载耦合作用下结构体下方中部产生的应力值
荷载值(kN-a) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
应力值(MPa) 0 2.8 5.9 7.1 9.9 11.2 13.1 16.2 18.0 22.1 23.1
本实施例中：框架1由钢材加工而成。结构体7为由水泥、水、黄沙按质量比1:2:4混合浇注而成的梁式结构。温度计2为江苏环亚电热仪表有限公司生产的TW415型手持式红外测温仪。电阻丝6为上海江泰合金材料有限公司生产的Cr20Ni80型镍铬电阻丝。电阻应变片8为中航电测仪器公司生产的BB-120-4AA(250)型耐高温电阻应变片。力传感器4为江苏联能电子科技公司生产的CL-YB-7/100K型力传感器；力显示器5为江苏联能电子科技公司生产的YE4865型数字显示器；数据采集与分析仪9为江苏东华测试技术有限公司生产的DH3816电阻应变仪。
因此，本实验装置将传统的形象化的特点和现代测试技术定量化的特点相结合，可充分体现超静定结构温度与荷载耦合作用应力的特性。实验装置可广泛应用于高等工科学校的实验及演示设备并可为超静定结构温度场与应力场耦合作用应力数值仿真提供依据。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，其特征在于，包括：
超静定结构，用于构成结构接受加热与荷载；
加温与测温系统，用于对所述超静定结构进行加温和测量所述超静定结构的温度变化量；
加载与荷载测量系统，用于对所述超静定结构施加荷载和测量所述超静定结构的荷载变化；数据采集与显示系统，用于采集温度与荷载共同作用情况下应力的变化情况，并进行分析处理得到超结构的耦合作用应力；所述超静定结构包括框架(1)和结构体(7)，其中所述框架(1)包括上下架体，以及位于上下架体之间且与上下架体的垂直的直杆(10)；所述加温与测温系统包括温度计(2)和电阻丝(6)，所述加载与荷载测量系统包括加载手轮(3)、力传感器(4)和力显示器(5)，所述数据采集与显示系统包括电阻应变片(8)与数据采集与分析仪(9)；其中所述结构体(7)固定连接在框架(1)的上下架体之间且与所述直杆(10)平行形成超静定结构；所述电阻应变片(8)连接在所述结构体(7)的一侧；所述电阻丝(6)连接在所述结构体(7)的另一侧；所述温度计(2)与所述结构体(7)连接用于测量温度变化量；所述加载手轮(3)穿过直杆(10)与所述结构体(7)的另一侧连接；所述力传感器(4)连接在所述加载手轮(3)上，所述力显示器(5)与力传感器(4)连接用于显示施加的荷载量；所述数据采集与分析仪(9)与电阻应变片(8)连接用于放大和分析处理。
2.根据权利要求1所述的超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，其特征在于：所述电阻应变片(8)的数量至少为一个。
3.根据权利要求1所述的超静定结构温度场与应力场耦合作用机制实验装置，其特征在于：所述温度计(2)为非接触式温度计。
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