CN107860654A - 一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法和系统 - Google Patents
一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法和系统 Download PDFInfo
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
Abstract
本发明涉及一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法及系统，其方法包括以下步骤，S1，在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；S2，在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；S3，根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。在本发明利用柱体变形量的计算原理中涉及柱体的弹性模量和轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心的偏移量计算，计算精确，同时，避免了现有技术凭感觉多次调整试块位置，减少了人工调整试块位置麻烦，为后期计算机快速自动控制移动试块提供精确的依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种水泥、混凝土、建材产品试块的抗压试验领域，具体涉及一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法和系统。
背景技术
在混凝土产品(桥梁、房屋、水坝等)制作过程中，往往需要同时制作一批混凝土试块在相同和标准环境中进行养护，在不同的养护阶段，通过对试块的强度和弹性模量的检测，以推断混凝土产品当前的力学性能，以便确定混凝土的质量，以及进行后续工序的安排。电液式压力试验机是专门用于混凝土试块的强度和弹性模量检测的设备，目前这种设备都是电动手工操作，混凝土试块强度的荷载值读取、试验加载的载荷控制、试块在对应荷载下的各检测点变形量读取以及混凝土试块的对中调整全部需要人工完成。电液式压力试验机是专门用于混凝土试块的强度和弹性模量检测的设备，混凝土试验块在试验机上的检测如图1所示，上顶杆2通过丝杆安装于反力架1的上梁中心，可调节垂直高度，千斤顶6安装在下梁的中心上，千斤顶6活塞上放置有垫板5，柱体3安放于垫板5上，应放置于加载中心，柱体3上安装有两块千分表4用于检测柱体3在受力时的变形量。在加载检测时，先转动丝杆，使上顶杆2接近柱体3的上表面，然后操纵千斤顶6上升加载，通过读取油压或油压反应的力值确定加载荷载。然后读取两侧千分表4的读数，如果两侧千分表4读数差别过大，要卸载，松开柱体3，重新调整柱体3位置使其形心尽量和丝杆的压力的压心重合，再加载读取两块千分表4读数，直到两块千分表4读数接近，通过两块千分表4读数的平均值和加载荷载值计算柱体的弹性模量。上述的操纵目前全是人工操作完成，只有荷载值可以通过计算机读出。在调整试块位置的过程中，需要凭感觉多次调整，这样人工调整试块位置麻烦，且通过两个千分表读数接近判定试块形心和压力的压心重合是非常不精确的，同时通过两块千分表读数的平均值和加载荷载值计算出来的混凝土试块的弹性模量也不精确。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于轴向压力确定柱体偏移量的方法和系统，可以为计算机快速自动控制柱体移动提供精确的依据和精确计算柱体的弹性模量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，包括以下步骤，
S1，在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
S2，在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
S3，根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
本发明的有益效果是：在本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法中，利用柱体变形量的计算原理中涉及柱体的弹性模量和轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心的偏移量计算，计算精确，同时，避免了现有技术凭感觉多次调整试块位置，减少了人工调整试块位置麻烦，为后期计算机快速自动控制移动试块提供精确的依据。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括根据检测点检测的柱体的轴向变形量计算柱体的弹性模量的步骤。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法解算出来的柱体的弹性模量比现有技术解算出来的弹性模量精确。
进一步，3个所述检测点到所述柱体的中轴线的距离确定。
采用上述进一步方案的有益效果是：3个检测点分布的位置，可以方便安装定位，简化计算过程。
进一步，S3中柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理为：
ΔZ＝ΔZX+ΔZY+ΔZZ
其中，ΔZx为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上产生偏差时，柱体中沿X方向上的各点产生的Z向位移；ΔZy为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上产生偏差时，柱体中沿Y方向上的各点产生的Z向位移；ΔZz为当轴向压力的压心与柱体承压截面的面心重合时，柱体中的各点在Z方向上产生的位移。
采用上述进一步方案的有益效果是：ΔZ是检测点检测到的柱体变形量的值，在本发明中采用3个检测点代替原来的两个检测点，可以提高检测精度。
进一步，
其中，X为检测点相对于柱体承压截面的面心在X方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Xa为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上的偏移量，Iy为柱体绕Y轴的惯性矩；
当所述柱体为长方体时有，
其中，a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为所述柱体的直径。
进一步，X＝R cosθ，其中θ为检测点相对于柱体承压截面的面心于X方向上轴的转角，R为检测点到柱体的中轴线的距离。
采用上述进一步方案的有益效果是：在ΔZx的计算公式中，除E和Xa是未知的外，其他的X、P、h和Iy均是已知的，可为后续计算提供方便。
进一步，
其中，Y为检测点相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Yb为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的偏移量，Ix为柱体绕X轴的惯性矩；
当所述柱体为长方体时有，
其中，a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为柱体的直径。
进一步，Y＝R sinθ，其中θ为检测点相对于柱体承压截面的面心于X方向上轴的转角，R为检测点到柱体的中轴线的距离。
采用上述进一步方案的有益效果是：在ΔZy的计算公式中，除E和Yb是未知的外，其他的Y、P、h和Ix均是已知的，可为后续计算提供方便。
进一步，
其中，L为实际测量过程中柱体预设的有效高度，P为轴向压力，S为柱体承压截面的面积；
当所述柱体为长方体时有，
S＝a×b
a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为所述柱体的直径。
采用上述进一步方案的有益效果是：在ΔZz的计算公式中，L、P和S均是已知的，所以ΔZz也是已知的，可为后续计算提供方便。
基于上述一种基于轴向压力确定柱体偏移量的方法，本发明还提供一种基于轴向压力确定柱体偏移量的系统。
一种基于轴向压力确定柱体偏移量的系统，包括变形量检测模块、轴向压力加载模块和位移计算模块，
所述变形量检测模块，其用于在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
所述轴向压力加载模块，其用于在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
所述位移计算模块，其用于根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
本发明的有益效果是：在本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的系统中，可精确的解算出柱体承压截面在X方向上的偏移量和Y方向上的偏移量，为计算机快速自动控制移动试块提供精确的依据，同时还可精确解算出弹性模量。
附图说明
图1为现有技术中混凝土试验块在试验机上检测的结构示意图；
图2为本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法的流程图；
图3为本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法中柱体在轴向压力下的结构示意图；
图4为本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法中变形量测试模型图；
图5为本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的系统的结构框图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、反力架，2、上顶杆，3、柱体，4、千分表，5、垫板，6、千斤顶。
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。
如图2所示，一种基于轴向压力确定柱体偏移量的方法，包括以下步骤，
S1，在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
S2，在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
S3，根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
在本发明的方法中还包括根据检测点检测的柱体的轴向变形量计算柱体的弹性模量的步骤，在S3中，根据柱体承压截面变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体变形量还可解算出柱体的弹性模量。3个所述检测点到所述柱体的中轴线的距离确定。
在本发明的方法中，柱体可以是长方体、圆柱体等其他形状规则的柱体，本具体实施例以长方体为例进行具体介绍(当柱体为其他形状规则的柱体时，相关参数也会适应变化)。
上述实施例中提供的基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，通过试压柱体，自动找到柱体承压截面的面心与轴向压力的压心之间的偏移量，以便可以用计算机自动调整柱体的位置，提高柱体检测的自动化和智能化程度，实现每个参数均计算机可读，自动实时上传数据平台。
具体地，该实施例中首先利用材料力学的原理，假设柱体内部结构是均匀的，那么柱体承压截面的面心就应该是轴向压力的压心，针对柱体在偏心轴向压力受压下，各点的变形进行推导，利用高等数学中，在微小角度下的原理，将三角方程简化成线性方程，基本推导如下：
图3为柱体(长方体)在轴向压力下的示意图，其中a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度，h为所述柱体的高度，p为轴向压力，Xa为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上的偏移量，Yb为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的偏移量。
按照平行截面假设：
轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上产生偏差时，柱体中沿X方向上的各点产生的Z向位移为：
其中，X为检测点相对于柱体承压截面的面心在X方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Xa为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上的偏移量，Iy为柱体绕Y轴的惯性矩，且
在其他的具体实施例中，当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为柱体的直径。
同样，轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上产生偏差时，柱体中沿Y方向上的各点产生的Z向位移为：
其中：Y为检测点相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Yb为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的偏移量，Ix为柱体绕X轴的惯性矩，且
在其他的具体实施例中，当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为所述柱体的直径。
当轴向压力的压心与柱体承压截面的面心重合时，柱体中的各点在Z方向上产生的位移为：
其中，L为实际测量过程中柱体预设的有效高度，P为轴向压力，S为柱体的截面积，且
S＝a×b (6-1)
在其他的具体实施例中，当所述柱体为圆柱体时有，
其中，d为柱体的直径。
因此，柱体中任意一点的在轴向压力的作用下的总变形量为：
ΔZ＝ΔZX+ΔZY+ΔZZ (7)
图4为本发明一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法中变形量测试模型图，其中O0-X0-Y0是轴向压力以压心为原点O0的固定坐标系，O1-X1-Y1是柱体以承压截面的面心为原点O1的活动坐标系。3个检测点位于活动坐标系的固定位置上，图4中的①、②和③分别表示3个检测点的位置，分别代表1号检测点、2号检测点和3号检测点。轴向压力垂直于X0轴和Y0轴组成的平面，并且轴向压力的压心通过O0点。假设固定坐标系和活动坐标系在X和Y方向的偏移量分别为Xa和Yb，3个检测点位于以柱体沿Z方向上的轴为中心以R为半径的圆周上，3个检测点相对于活动坐标系中的O1在X1轴上的转角分别为：θ1，θ2，θ3。
1号检测点的变形量为：
其中R1 cosθ1和R1 sinθ1分别为1号检测点相对于柱体的形心O1在X1和Y1方向上的距离；
2号检测点的变形量为：
其中，R2 cosθ2和R2 cosθ2分别为2号检测点相对于柱体的形心O1在X1和Y1方向上的距离；
3号检测点的变形量为：
其中，R3 cosθ3和R3 sinθ3分别为3号检测点相对于柱体的形心O1在X1和Y1方向上的距离。
现令：
X1＝Xa
X2＝Yb
X3＝E
a13＝-ΔZ1-0
a23＝-ΔZ2-0
a33＝-ΔZ3-0
则方程(8)～(10)可分别表示为：
a11X1+a12X2+a13X3＝b1 (11)
a21X1+a22X2+a23X3＝b2 (12)
a31X1+a32X2+a33X3＝b3 (13)
其中，
X1、X2和X3为未知数，a11、a12、a13、b1、a21、a22、a23、b2、a31、a32、a33和b3均为已知数，由此可以看出，正好是由3个未知数和3个方程组成的一组三元线性方程组，通过这一组三元线性方程组，可以解算出固定坐标系和活动坐标系在X和Y方向的偏差分别为X1(也就是Xa)、X2(也就是Yb)和弹性模量X3(也就是E)。
通过精确的解算出X方向上的偏移量Xa和Y方向上的偏移量Yb，为计算机快速自动控制移动试块提供精确的依据；移动柱体使柱体的形心和轴向压力的压心重合，重新获得3个检测点的检测值，如果3个值接近，说明柱体内部材料均匀，柱体的承压截面的面心和轴向压力的压心重合；如果3个检测点的检测值相差较大，说明柱体内部材料不均匀。本发明的方法还可以精确解算出柱体的弹性模量E。
基于上述一种基于轴向压力确定柱体偏移量的方法，本发明还提供一种基于轴向压力确定柱体偏移量的系统。
如图5所示，一种基于轴向压力确定柱体偏移量的系统，包括变形量检测模块、轴向压力加载模块和位移计算模块，
所述变形量检测模块，其用于在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
所述轴向压力加载模块，其用于在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
所述位移计算模块，其用于根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
在本发明实施例提供的基于轴向压力确定柱体偏移量的系统中，可精确的解算出X方向上的偏移量和Y方向上的偏移量，为计算机快速自动控制移动试块提供精确的依据，同时还可精确解算出弹性模量。
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 (10)
1.一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
S2，在柱体的承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
S3，根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
2.根据权利要求1所述的基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：还包括根据检测点检测的柱体的轴向变形量计算柱体的弹性模量的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：3个所述检测点到所述柱体的中轴线的距离确定。
4.根据权利要求3所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：S3中柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理为：
ΔZ＝ΔZX+ΔZY+ΔZZ
其中，ΔZx为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上产生偏差时，柱体中沿X方向上的各点产生的Z向位移；ΔZy为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上产生偏差时，柱体中沿Y方向上的各点产生的Z向位移；ΔZz为当轴向压力的压心与柱体承压截面的面心重合时，柱体中的各点在Z方向上产生的位移。
5.根据权利要求4所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>X</mi>
<mi> </mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>PX</mi>
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<mi>h</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>EI</mi>
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</mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&cong;</mo>
<mi>X</mi>
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<mrow>
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<mi>PX</mi>
<mi>a</mi>
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<mi>h</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>EI</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，X为检测点相对于柱体承压截面的面心在X方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Xa为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在X方向上的偏移量，Iy为柱体绕Y轴的惯性矩；
当所述柱体为长方体时有，
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mi>ba</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>12</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;d</mi>
<mn>4</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>64</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，d为所述柱体的直径。
6.根据权利要求5所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：X＝R cosθ，其中θ为检测点相对于柱体的承压截面的面心于X方向上轴的转角，R为检测点到柱体的中轴线的距离。
7.根据权利要求4所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>y</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>Y</mi>
<mi> </mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>PY</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mi>h</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
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<mi>EI</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&cong;</mo>
<mi>Y</mi>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>PY</mi>
<mi>b</mi>
</msub>
<mi>h</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>EI</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，Y为检测点相对于柱体的承压截面的面心在Y方向上的距离，E为柱体的弹性模量，P为轴向压力，h为柱体的高度，Yb为轴向压力的压心相对于柱体承压截面的面心在Y方向上的偏移量，Ix为柱体绕X轴的惯性矩；
当所述柱体为长方体时有，
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mi>ab</mi>
<mn>3</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>12</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
<mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;d</mi>
<mn>4</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>64</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，d为所述柱体的直径。
8.根据权利要求7所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：Y＝R sinθ，其中θ为检测点相对于柱体的承压截面的面心于X方向上轴的转角，R为检测点到柱体的中轴线的距离。
9.根据权利要求4所述的一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的方法，其特征在于：
<mrow>
<msub>
<mi>&Delta;Z</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>L</mi>
<mfrac>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>E</mi>
<mi>S</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，L为实际测量过程中柱体预设的有效高度，P为轴向压力，S为柱体承压截面的面积；
当所述柱体为长方体时有，
S＝a×b，
其中，a为所述柱体的长度，b为所述柱体的宽度；
当所述柱体为圆柱体时有，
<mrow>
<mi>S</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msup>
<mi>&pi;d</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
<mn>4</mn>
</mfrac>
</mrow>
其中，d为所述柱体的直径。
10.一种基于轴向压力确定柱体承压截面偏移量的系统，其特征在于：包括变形量检测模块、轴向压力加载模块和位移计算模块，
所述变形量检测模块，其用于在柱体的周围固定分布3个用于检测柱体轴向变形量的检测点；
所述轴向压力加载模块，其用于在柱体承压截面上加载轴向压力，3个检测点检测柱体的轴向变形量；
所述位移计算模块，其用于根据柱体在受偏心轴向压力下变形量的计算原理，利用3个检测点检测的柱体的轴向变形量，解算出轴向压力的压点相对于柱体承压截面的面心的偏移量。
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