CN104361402B - 一种作用学科学预测的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种作用学科学预测的实验方法，其属于自然科学基础理论、材料科学、预测科学研究领域。它主要包括如下步骤：A、测定实验中的主动作用量；B、利用材料力学、工程力学、岩土力学的传统理论中的变形与力之间的关系，随时测量、记录被测作用条件下材料的变形量；C、建立作用量与变形量之间的关系方程；D、计算材料的虚度和实度参数值；E、计算虚度和实度的变化率；F、材料使用寿命预测。本发明的有益效果是：给出了与实际完全相同的实验数据与工程应用方法，使科学实验真正做到科学化、系统化、理论化、实用化；能够给出解决实际问题所需要的参数与方法，大大减少了自然科学参数的种类和数量。

Description

一种作用学科学预测的实验方法

技术领域

本发明涉及一种作用学科学预测的实验方法，尤其涉及一种作用量与材料性质、材料使用时间之间关系规律的实验研究方法，其属于自然科学基础理论、材料科学、预测科学研究领域。

背景技术

长期以来，人们一直将力学视为是广泛研究作用问题的科学。其实，不然。力学不代表广泛研究作用问题的科学，因为，力仅仅代表单位时间作用量，不等于作用量。将力当做作用来研究，就带有难以去除的片面性问题。若将作用量记为A，将力记为F，那么，两者之间关系的数学表达式为

t代表时间。作用量与力成正比。

力学认为，决定变形量大小的是力。其实，决定变形量大小的是作用量。当然，由于力是瞬间作用量，力的大小与变形量也有直接关系。但是，力主要决定变形速度的大小，即，力越大，变形速度越大；力越小，其变形速度越小。不能说力越大，变形量越大。因为，力是瞬间量，力虽大，但由于作用时间短，结果出现的变形量并不大。力是瞬间量，力对应的变形量也是瞬间量。与变形直接相关的是作用量。作用量越大，变形量越大。力虽然小，但作用时间长，作用量很大，所以，变形量也很大。例如，在滴水穿石现象中，瞬间作用量小，即，力较小，但作用时间很长，作用量很大，所以，所对应的变形量较大。作用量与变形量成正比，作用量越大，变形量越大。

力仅是作用现象的单位量，即，单位时间产生的作用量叫力，也就是作用速度。力的大小决定变形速度的大小，并不决定变形量的大小。但是，力与变形量关系也十分密切，只要作用时间相同，力大变形量也大，力小变形量也小。

作用学研究的基本对象包括作用现象、作用量和力及其变化(运动变化和变形)之间的关系，而力学的最核心概念只是力。力学不仅不能包含所有作用学概念，而且经常把作用学概念混淆，造成概念不清，极大妨碍作用学应用。作用学包含了力学的内容，不仅解决了自然科学基本理论统一问题，而且，极大限度地拓展基础理论的应用领域，极大限度地方便于应用实践。

作用学实验不同于力学实验。力学实验主要研究力与变形和材料性质之间的关系，而作用学实验研究作用量与变形和材料性质之间的关系。

在作用学中的重要理论之一是“作用对立统一定量理论”。该理论给出了研究作用与变化关系的系统方程，即，

根据这一系统方程给出的科学内涵，发现在力学基础上不能解决的诸多问题。例如，

1、作用量的测定

作用量是一个长时间积累的量，力是瞬间量。力学实验不涉及作用量，但作用学实验必须测定作用量。作用量的测定是力学基本理论与实验无法解决的问题。

2、作用量与变形量之间关系规律的测试实验

力学实验仅涉及力与变形之间的关系问题，不研究作用量与变形量之间的关系。作用学实验必须解决作用量、力、变形量、材料性质特征值、时间多种量之间的有机统一关系问题。虽然，人们总是企图根据力学思想方法和力学实验来解决这个问题，但是，由于在力学中没有作用量概念、将有机统一的量割裂等问题的存在，数百年来，人们一直无法正确解决这个问题。

实际上，力学至始至终也没有将力与变形之间关系的客观规律搞清楚。在作用学实践基础上，也将进一步明确描述力与变形之间的关系规律。

3、材料寿命预测问题

材料的破坏不仅受力的大小控制，还受作用量大小的控制。虽然人们很早就认识这一点，但因没有确定度量作用量的基本尺度，没有建立作用量、力与变形量、材料性质特征值及其变化率、时间之间关系的科学函数，人们一直无法计算、预测材料使用寿命问题。有了作用学基本理论和作用学实验，可以准确预测材料使用寿命以及相关问题。

力学实验不能正确处理作用与变形之间的关系问题，其关键在于误认为力就等于作用量。力学实验从一开始就把力与变形之间的关系看作是作用量与变形之间的关系，直到系统的材料力学、工程力学理论体系建立起来，乃至工程应用，至始至终都是将力与变形之间的关系当成作用量之间的关系加以研究。归结起来，应用力学的核心内容是在胡克定律基础上建立的“应力-应变关系理论”，其实质就是胡克定律所确立的关系。这种关系就是在应力与应变之间加一个调整系数、然后再划上个等号所确立的关系，并不是根据客观规律推导而确定的量关系式。为了说明应力-应变关系式的不科学性，这里推导如下：

设应力为σ，应变为ε，材料的可变性质特征值为E(相当于弹性模量)，不可变性质特征值为T，作用时间为t，应变质量为ρ，根据笔者的研究得知，这些量之间的客观关系规律可用如下关系时来表达：

如果“应力-应变关系式”

ε＝Eσ

是正确的，那么，关系式

就应该成立。通过二次微分，得

式中，ρ代表单位作用质量。由此式可推导出弹性模量E与应力、应变之间的关系式为

这个式子是一个隐函数关系式。但是，在实际问题中，作用量与变形量之间的关系是直接关系，不存在这种隐函数关系。若对式

进行二次微分、整理可以得到E值与应力之间的客观关系式

式中，a表示变形加速度。这个式子正确吗？这里证明如下：

将式4整理，得

ρa＝Eσ.5

在式5中，等式左边ρ是单位质量，a是ρ的运行加速度，根据牛顿第二定律，两者之积等于合应力。所以，E与应力σ之积，即Eσ，等于合应力，符合牛顿第二定律。因此，式4、式3都符合牛顿第二定律。由此得证：式4、式3都是正确的。

与此相反，应力-应变关系式ε＝Eσ不符合牛顿第二定律，是错误的。

可见，应力-应变关系不仅与客观实际完全不符，而且，与牛顿定律也完全不符。因此，式不成立，“应力-应变关系式是错误的”。

力学实验不明确力学参数的本质含义与性质，所测参数不是客观存在的参数，或者是与实际问题距离遥远的参数，所以，在力学实验基础上获得的参数不仅数量、种类繁多，而且是不实用的，甚至是没有用的、错误的。

发明内容

本发明针对力学中将力与作用量混为一团，从而存在片面性的不足，提供利用作用学实验研究作用量与变形和材料性质之间关系的一种作用学科学预测的实验方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种作用学科学预测的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

A、测定实验中的主动作用量

根据关系式

来求出作用量；式中，A表示主动作用量、F表示作用力、t表示作用时间、ε表示力的变化率；

B、利用材料力学、工程力学、岩土力学的传统理论中的变形与力之间的关系，随时测量、记录被测作用条件下材料的变形量；

C、建立作用量与变形量之间的关系方程

作用量与变形之间的关系方程为

式中，x为线性变形量、A为主动作用量、E为虚度、T为实度、m为作用质量、t为变形时间；

D、计算材料的虚度和实度参数值

由作用量与变形之间的关系方程可推导出，

材料的虚度为

材料的实度为

E、计算虚度和实度的变化率，其中，虚度变化的速度叫虚度变化率，记为β；实度变化的速度叫实度变化率，记为α；

在实验初始时刻，材料的虚度叫初始虚度，记为E₀，材料的实度叫初始实度，记为T₀；在受一段时间作用以后的终止时刻，材料的虚度值叫终止虚度，记为E_t，材料的实度值叫终止实度，记为T_t；两者之间的关系式

E_t＝E₀+βt

叫做虚度变化式；其中，t是变化时间；根据此式可以根据实验记录数据求出虚度变化率，即

同上，得出实度变化率为

F、材料使用寿命预测

设控制材料变化的瞬间作用量为F，材料的初始虚度为E₀，虚度的变化率为β，材料的变形量为x，材料的初始变形速度为v₀，那么，变形、时间、材料性质及其变化率与力之间的关系式为

根据该式，可推导出材料的使用时间与作用力之间的关系式

根据此式得知，当材料的变形加速度

达到特定数量级时，就会在短时间内产生不能正常使用的极限变形量，必须立即停止继续使用，修复或更换材料或部件；此时，式中的变形量x值叫极限变形量，记为x_max，而此时的变形加速度a叫极限加速度，被记为由此所计算的时间t值即为预测的时间，也就是材料的使用寿命。

进一步，步骤A中，在力均匀变化条件下，ε等于常数；在力不均匀变化条件下，可以分段先测定每个断续作用量A₁、A₂、…、A_n，然后再求出作用总量，即

本发明的有益效果是：给出了与实际完全相同的实验数据与工程应用方法，使科学实验真正做到科学化、系统化、理论化、实用化。最重要的是，本技术方案能使人们明确作用学实验要解决什么问题，能够给出解决实际问题所需要的参数与方法，能够使人们明确作用学实验所测定量的性质和本质，大大减少了自然科学参数的种类和数量。

附图说明

图1为滴水作用实验装置示意图；

图2为压缩试件作用环境关系示意图；

图3为试件1的压缩变形与作用关系示意图；

图4为试件2的压缩变形与作用关系示意图；

图5为受作用试件的初始状态示意图；

图6为受作用试件的受作用状态示意图；

图7为受作用试件的受作用变形状态示意图。

在图中，1、供水箱；2、供水阀；3、滴水箱；4、水滴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1滴水作用实验

在滴水作用条件下，不同岩石地层的变形表现有很大差别。这种变形差别主要决定于不同地层的性质不同。滴水穿石现象被人们发现的历史很早，似乎尽人皆知其中的道理。然而，人们却一直不知道滴水作用、岩石性质、岩石变形三者之间的定量关系。究竟多少滴水能穿透多厚的某种性质的岩石？这是目前没人能回答的问题。要回答这个问题，我们必须借助于滴水试验结果。

供水箱1的供水阀2向滴水箱3滴水，滴水箱3向下滴水，两者滴水速度相同。水滴4最终滴到试件上，对试件构成作用，使试件在水滴4的作用下缓慢变形，形成滴水穿石现象。

通过滴水试验证明：相同大小、相同形状、但性质不同的岩石，在相同滴水作用条件下产生的变形量不同。若让它们产生相同的滴水变形量，它们各自需要不同的滴水作用量。

滴水实验分析的作用学方法：

通过滴水试验可以了解不同材料在滴水作用条件下的变形性质。根据作用学认识，穿透试件需要的水滴数量越少，试件的可变形程度(虚度)越大，抗变形程度(实度)越小；相反，穿透试件需要的水滴数量越多，试件的可变形程度(虚度)越小，抗变形程度(实度)越大。那么，该怎样计量试件在滴水作用条件下的变形性质？

首先求出水滴产生的作用量

式中，ρ表示水滴的质量，u表示水滴冲击试件时的速度；然后，求出合作用量

式中，v表示水滴冲击作用下试件变形的量(等于变形速度)；其中，u可以根据自由落体运动规律求出，即v可以根据试件变形量与滴水次数之比来求出，即x表示滴水作用下产生的“穿石”变形量；最后，求出试件的虚度和实度：

滴水试验在工程地质、岩土力学研究中有着重要价值。

实施例2挤压作用实验

为探索材料性质与挤压作用之间关系的本质规律，这里引入压缩作用与变形关系实验。试件在挤压作用下变形，同时改变性质。如果作用速度(单位时间产生的作用量，即，压力大小)不变，在一定的作用时间或变形时间内，不同物质成分与结构的材料，因其抗变性质或可变性质不同，其变形量不同。

图3所示试件(试件1)与图4所示试件(试件2)在相同作用速度(即作用力相同)和相同受作用环境条件下变形，但两者的变形量不同。试件1的压缩变形量是△h₁＝h_1t-h₁₀，试件2的压缩变形量是△h₂＝h_2t-h₂₀，△h₁>△h₂，即试件1的压缩变形量大于试件2的压缩变形量。这说明：试件1容易变形，即可以变形的程度相对大，不可变形形的程度相对小；试件2不容易变形，即可变形程度相对小，不可变形程度相对大。也就是说，试件1的虚度相对大，试件1的实度相对小；试件2的虚度相对小，试件2的实度相对大。根据作用学研究，在压缩试验中，虚度等于压缩变形量△h与试件初始长度h₀之比。所以，试件1的虚度(压缩率)是

试件2的虚度是

相应，试件1的实度是

试件2的实度是

在压缩试验中，不仅存在压缩变形量，还存在张裂变形量和剪切变形量。随着作用、变形时间的延长，试件从出现微裂隙开始，逐渐扩大为剪裂隙和张裂隙。如果在实验过程中能够随时测定裂隙面的长度，也可以用裂隙长度来求虚度和实度。即，虚度等于裂隙面长度与受作用试件的即时厚度之比。其数学表达式为

在这种情况下，虚度又叫破裂度(实度叫不破裂度)。

虚度和实度的物理意义。虚度描述材料变形的容易程度，一般来说，容易变形意味着受作用面没有足够抵抗作用、保持位置不变的能力。如果有足够抵抗外作用的能力，物体可以保持不变形。虚度就代表材料可以变形的程度，等于受作用点(受作用面)受的合力(称虚力)与控制变形的外力(主动力)之比，即

或者说虚度等于受作用点(受作用面)受的合应力与应力之比。即

因此，通过实验获得材料的虚度后，可以直接预测在相应应力作用条件下材料上受作用点将会出现的合力

σ_F＝Eσ

和受作用材料将会出现的变形量

△h＝Eh₀

通过材料性质测试实验，可以看到，能够度量材料性质特征的参数是虚度或实度，而不是传统理论给出来的那些参数。传统理论中的弹性系数、弹性模量、压缩模量、压缩系数等等参数，都不是度量材料性质的正确参数或客观参数，它们都没有直接应用价值。

实施例3材料性质变化测试实验

材料的可变性质与不可变性质都随着作用强度和作用时间等条件因素变化而改变。也就是说，材料的可变性质特征值与不可变性质特征值都不是不变的常数，而是都随条件改变而改变的变数。但是，材料性质改变也遵守一定的客观规律。下面让我们通过拉伸试验来认识这一规律。

如图5-7所示，受作用试件在作用下变形。在作用控制下变形过程中，试件的性质在不断变化。为了描述这种性质变化规律，实验引入材料可变性质变化率和抗变性质变化率的概念，分别记为β和α。

据研究，试件的虚度等于试件的拉伸伸长量△l与试件的即时长度l_t之比，即

当试件不变形时，△l＝0，它的虚度等于零，即E₀＝0，此时就说试件是不可变形的。当△l≈l_t时，它的虚度趋近等于1，即，△l＝1此时，就说试件极其容易拉伸。这种情况有两种：其一，材料具有无限的延展性，可以在作用控制下无限制的伸长；其二，材料被拉断，其伸长量出现了无穷大量值。在这两种情况下都可以将材料的虚度看作是近似等于1的，即E_t＝1。相应，试件的实度(或称抗变性质特征值，抗变能力值、不可变性质特征值)为

当试件在作用控制下不变形时，它的实度为最大值，等于1，即T＝1；当材料完全无限伸长或破裂(被拉断)，抵抗拉伸作用的能力很小或不再具有抵抗作用的能力时，它的实度取得极小值或最小值，趋近等于或等于零，即T＝0。

虚度的变化率就是材料的可变性质变化率β，它与虚度之间的关系为

式中，E₀和E_t分别表示试件的初始虚度值和终止虚度值；t表示材料性质变化时间。在上述实验中，E₀＝0，所以，

相应，抗变能力的变化率α与可变性质变化率β互为相反数，即，

实度的物理意义实际上就是指不变形的性质，其量等于阻碍作用量所占作用量的百分数。如果作用量多大，受作用面产生的阻碍作用量就多大，就说受作用体的实度大，也就是抗变能力大。在阻碍作用量等于作用量负值情况下，受作用面没有位移量，即受作用体不变形，也不运动。此时，阻碍作用量的负值A_T(叫实作用量)与作用量的大小之比值等于1，即如果阻碍作用量的大小小于作用量的大小，受作用面会出现一定量的位移，受作用体有一定量的变形。在这种情况下，就说材料在作用下具有可变形的性质。此时，就说材料既具有抗变性质，又具有可变性质。其中，抗变性质的度量值就等于阻碍作用量的负值占作用量的百分比，即T就叫实度；可变性质的度量值就叫虚度，其物理意义就等于没有抵抗的那部分作用量(叫虚作用量，记为A_F)占作用量的百分比。即两者的取值范围分别是

两者之和总是等于1，即T+E＝1，T和E分别被叫做虚度和实度。它们都没有量纲，都只是小于等于1、大于等于零的小数或百分数。

实度的变化率α的物理意义就是抵抗作用、保持不变形的程度(百分数)增加或减小的速率，其量纲为“1/秒”；可变性质(虚度)的变化率β的物理意义就是通过变形来实现不抵抗作用的程度(不抵抗作用百分数)随作用时间变化的速率，其量纲也为“1/秒”。两者之和总是等于零，即α+β＝0。推导过程：

由于T₀+E₀＝1，T_t+E_t＝1，所以，

材料性质的变化现象是材料在作用控制下变形所表现出来的，与作用和变形都存在直接关系规律。据研究，材料的可变性质特征值E(简称虚度)等于合作用量A_F的大小与作用量A的大小之比值，即

由于合作用量等于作用质量m与受作用点(或受作用面)的即时运动速度v_t之积，即A_F＝mv_t，作用量等于作用质量m用于作用的动量，即A＝mu_t，(u_t是即时作用速度，等于作用物质的即时运动速度)，所以，可变性质特征值的即时量为

而可变性质特征值的初始值等于受作用变化点(面)的初始运动速度v₀与初始作用速度之比，即

因此，可变性质特征值的变化率为

这就是材料性质变化与作用、变形和变化时间之间的关系方程。通过整理，得

该方程是可以用于灾变预测的一个最重要的基本方程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种作用学科学预测的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

A、测定实验中的主动作用量

根据关系式

来求出作用量；式中，A表示主动作用量、F表示作用力、t表示作用时间、ε表示力的变化率；

B、利用材料力学、工程力学、岩土力学的传统理论中的变形与力之间的关系，随时测量、记录被测作用条件下材料的变形量；

C、建立作用量与变形量之间的关系方程

作用量与变形之间的关系方程为

式中，x为线性变形量、A为主动作用量、E为虚度、T为实度、m为作用质量、t为变形时间；

D、计算材料的虚度和实度参数值

由作用量与变形之间的关系方程可推导出，

材料的虚度为

材料的实度为

E、计算虚度和实度的变化率，其中，虚度变化的速度叫虚度变化率，记为β；实度变化的速度叫实度变化率，记为α；

在实验初始时刻，材料的虚度叫初始虚度，记为E₀，材料的实度叫初始实度，记为T₀；在受一段时间作用以后的终止时刻，材料的虚度值叫终止虚度，记为E_t，材料的实度值叫终止实度，记为T_t；两者之间的关系式

E_t＝E₀+βt

叫做虚度变化式；其中，t是变化时间；根据此式可以根据实验记录数据求出虚度变化率，即

同上，得出实度变化率为

F、材料使用寿命预测

设控制材料变化的瞬间作用量为F，材料的初始虚度为E₀，虚度的变化率为β，材料的变形量为x，材料的初始变形速度为v₀，那么，变形、时间、材料性质及其变化率与力之间的关系式为

根据该式，可推导出材料的使用时间与作用力之间的关系式

根据此式得知，当材料的变形加速度

达到特定数量级时，就会在短时间内产生不能正常使用的极限变形量，必须立即停止继续使用，修复或更换材料或部件；此时，式中的变形量x值叫极限变形量，记为x_max，而此时的变形加速度a叫极限加速度，被记为由此所计算的时间t值即为预测的时间，也就是材料的使用寿命。

2.根据权利要求1所述的一种作用学科学预测的实验方法，其特征在于：步骤A中，在力均匀变化条件下，ε等于常数；在力不均匀变化条件下，可以分段先测定每个断续作用量A₁、A₂、…、A_n，然后再求出作用总量，即