CN108072467B - 一种非连续结构体内部应力场的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非连续结构体内部应力场的测量方法，其最终得到的应力测量结果是基于多个相同的透明的三维物理光弹模型得到的，而三维物理光弹模型又是通过非连续结构体的微焦点CT扫描结果的数字重构和3D打印得到的，也即区别于现有实验和测试技术只能间接推测复杂结构体内部应力场，本发明所述非连续结构体内部应力场的测量方法，能够结合数字重构、3D打印技术、应力冻结技术和三维应力表征方法，通过透明的三维物理光弹模型直接测量非连续结构体的内部应力场，解决无法从物理实验的角度直观定量可视化显示内部应力场的难题。
Description
技术领域
本发明涉及内部应力场测量技术领域，特别涉及一种非连续结构体内部应力场的测量方法。
背景技术
当前，包含有孔隙、裂隙等非连续结构体，已经广泛的存在于各个工程领域，如地下岩体结构、机械、航空航天、桥梁等。这些结构体内部包含有大量随机分布、尺度不一、形态各异的孔隙(裂隙)，它们彼此连接、贯通并形成了复杂的孔隙(裂隙)网络结构。
这些结构体内部孔隙(裂隙)网络结构及其应力场分布、演化对工程结构的外部物理、力学响应起着决定性作用：如在油气开采领域，孔隙(裂隙)网络结构的特征决定了储层结构的储能与产能的高低，油气的高效开采取决于对气液的吸附/解析、扩散、渗流等物理力学行为的准确认知；在矿产开采领域，由于开采引发的地应力重新分布、岩体的应力-应变关系以及能量集聚与释放机制都受到岩体孔隙(裂隙)网络结构及其应力场的影响；因此，准确获知复杂的非连续结构体的内部应力场对于解决各类工程问题具有重要意义。
现有的非连续结构体内部应力场的测量方法，通常采用实验探测来实现，如现场监测、声发射、超声波检测等方法，主要依托传感器、应变片、声学数据等从真实的现场环境来获取实验数据。但上述这些方法都是通过外部的物理、力学响应来获取实验数据，再对其内部的应力场进行间接地推测，无法解决从物理实验的角度直观定量可视化显示内部应力场的难题。
发明内容
本发明提供一种非连续结构体内部应力场的测量方法，以解决现有实验和测试技术中只能间接推测内部应力场，而无法定量可视化地显示应力场的问题。
为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：
一种非连续结构体内部应力场的测量方法，包括：
计算机对非连续结构体的扫描结果进行数字重构，获得非连续结构体的三维数字模型；
3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型；
温箱对多个三维物理光弹模型进行处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定；
三轴加载装置通过温箱对多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验；三轴加载装置及多个三维物理光弹模型均设置于温箱中；
切片机对进行应力冻结实验之后的三维物理光弹模型进行切片，得到三个正交平面二维切片；
计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力；所述应力条纹分布为三个满足实验要求的正交平面二维切片进行二维光弹实验后得到的。
优选的，所述3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型，包括：
3D打印机根据三维数字模型，采用具有光弹特性的Vero Clear材料打印基质部分，采用Fullcure 705材料打印孔隙或裂隙部分，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型。
优选的，得到相同且透明的三维物理光弹模型的个数为4个。
优选的，所述温箱对多个三维物理光弹模型进行处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定，包括：
温箱对多个被保鲜膜密封包裹的三维物理光弹模型进行为期48小时的50℃恒温处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定。
优选的，所述三轴加载装置通过温箱对多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验，包括：
温箱对经过自然降温且避光保存的多个三维物理光弹模型进行升温处理；
当温箱升温至预设冻结温度时，三轴加载装置对多个三维物理光弹模型进行应力冻结实验；
温箱对多个三维物理光弹模型进行降温处理。
优选的，所述温箱对经过自然降温且避光保存的多个三维物理光弹模型进行升温处理，包括：
温箱以10℃/h的速度升温至90℃，并保温0.5小时；
温箱以10℃/h的速度升温至125℃，并保温1小时。
优选的，所述温箱对多个三维物理光弹模型进行降温处理，包括：
温箱以2℃/h的速度降温至95℃，并保温0.5小时；
温箱以2℃/h的速度降温至室温。
优选的，所述计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力，包括：
计算机根据所述应力条纹分布进行相移法提取，得到相应的应力场；
计算机根据公式计算得到载荷作用下三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx；
计算机根据三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx，计算得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力。
本发明提供的所述非连续结构体内部应力场的测量方法，首先通过计算机对非连续结构体的扫描结果进行数字重构，获得非连续结构体的三维数字模型；然后通过3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型；再在温箱中，通过三轴加载装置对性质稳定的多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验；由切片机对进行应力冻结实验之后的三维物理光弹模型进行切片，得到三个正交平面二维切片；三个满足实验要求的正交平面二维切片进行二维光弹实验后得到应力条纹分布，由计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力；最终得到的应力测量结果是基于多个相同的三维物理光弹模型得到的，而三维物理光弹模型又是通过对非连续结构体的扫描结果进行数字重构和打印和得到的，也即区别于现有实验和测试技术只能间接推测复杂结构体内部应力场，本发明所述非连续结构体内部应力场的测量方法，能够结合数字重构、3D打印技术、应力冻结技术和三维应力表征方法，通过透明的三维物理光弹模型直接测量非连续结构体的内部应力场，解决无法从物理实验的角度直观定量可视化显示内部应力场的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内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他的附图。
图1是本发明实施例提供的非连续结构体内部应力场的测量方法的流程图；
图2是本发明另一实施例提供的非连续结构体内部应力场的测量方法的另一流程图；
图3是本发明另一实施例提供的温箱的温度控制曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明提供一种非连续结构体内部应力场的测量方法，以解决现有实验和测试技术中只能间接推测内部应力场，而无法定量可视化地显示应力场的问题。
具体的，所述非连续结构体内部应力场的测量方法，参见图1，包括：
S101、计算机对非连续结构体的扫描结果进行数字重构，获得非连续结构体的三维数字模型；
在具体的实际应用中，可以先利用微焦点工业CT(Computed Tomography，X线计算机断层摄影)对非连续结构体(比如孔隙固体材料)进行扫描，根据扫描结果，利用计算机进行数字重构，得到非连续结构体的真实三维数字模型。
S102、3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型；
利用3D打印技术，选择合适的打印参数，打印多个完全一样的模型，由此得到能够反映真实工程中非连续结构体的三维物理光弹模型。三维物理光弹模型全部透明，即使得本实施例能够通过后续步骤直观定量可视化地显示非连续结构体的内部应力场。
S103、温箱对多个三维物理光弹模型进行处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定；
利用3D打印机制备三维物理光弹模型后，立刻将打印好的三维物理光弹模型用保鲜膜密封，放入温箱，经过温箱的热处理，能够使三维物理光弹模型的性质彻底稳定。
S104、三轴加载装置通过温箱对多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验；三轴加载装置及多个三维物理光弹模型均设置于温箱中；
根据应力冻结实验原理，对多个三维物理光弹模型进行应力冻结实验，以得到非连续结构体内部应力场的直接测量。
多个三维物理光弹模型均设置于温箱中，并保持相同的加载条件，确保应力冻结实验的高可靠性。
S105、切片机对进行应力冻结实验之后的三维物理光弹模型进行切片，得到三个正交平面二维切片；
具体的，可以选取三个进行应力冻结实验的三维物理光弹模型，分别沿三个正交平面x-y、y-z、z-x进行切片，得到三维物理光弹模型的三个正交平面二维切片，切片厚度为1mm。
S106、计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力；
所述应力条纹分布为三个满足实验要求的正交平面二维切片进行二维光弹实验后得到的。
在具体的实际应用中，可以先通过对三个正交平面二维切片进行磨平抛光，使其成为满足实验要求的正交平面二维切片，再对其进行二维光弹实验，得到应力条纹分布，然后通过步骤S106得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力。
本实施例提供的所述非连续结构体内部应力场的测量方法，通过上述过程，最终得到的应力测量结果是基于多个相同且透明的三维物理光弹模型得到的，而三维物理光弹模型又是通过非连续结构体的微焦点CT扫描结果的数字重构和3D打印得到的，也即区别于现有实验和测试技术只能间接推测复杂结构体内部应力场，本发明所述非连续结构体内部应力场的测量方法，能够结合数字重构、3D打印技术、应力冻结技术和三维应力表征方法，通过透明的三维物理光弹模型直接测量非连续结构体的内部应力场，解决无法从物理实验的角度直观定量可视化显示内部应力场的难题。
值的说明的是，现有的内部应力场的测量方法还包括数值模拟方法；该方法具有成本低、无损耗、可多次模拟、能够实现内部结构和内部应力场直观、定量显示等优点，但是由于单元选择、网格划分、计算方程的选择等条件的限制，使得该方法下数值模拟的模型同真实模型相比，在一定程度上被简化，从而影响其计算结果的准确性，并且没有相应的实验对数值模拟的结果进行验证。
而本实施例提供的所述非连续结构体内部应力场的测量方法，通过扫描和3D打印技术得到的三维物理光弹模型，不仅模型真实反映了非连续结构体的复杂结构，且通过多个相同且透明的三维物理光弹模型同时进行应力冻结实验，保证了测量结果的可靠性。
本发明另一实施例还提供了一种具体的非连续结构体内部应力场的测量方法，参见图2，包括：
S201、计算机对非连续结构体的扫描结果进行数字重构，获得非连续结构体的三维数字模型；
S202、3D打印机根据三维数字模型，采用具有光弹特性的Vero Clear材料打印基质部分，采用Fullcure 705材料打印孔隙或裂隙部分，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型。
具体的，通过步骤S202，得到相同的三维物理光弹模型的个数可以为4个。
S203、温箱对多个被保鲜膜密封包裹的三维物理光弹模型进行为期48小时的50℃恒温处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定。
利用3D打印机制备三维物理光弹模型后，立刻将打印好的三维物理光弹模型用保鲜膜密封，放入温箱，50℃恒温两天；再经过自然降温后，拿出放到暗处避光保存，以备后续步骤使用。
S204、温箱对经过自然降温且避光保存的多个三维物理光弹模型进行升温处理；
优选的，步骤S204包括：
温箱以10℃/h的速度升温至90℃，并保温0.5小时；
温箱以10℃/h的速度升温至125℃，并保温1小时。
S205、当温箱升温至预设冻结温度时，三轴加载装置对多个三维物理光弹模型进行应力冻结实验；
S206、温箱对多个三维物理光弹模型进行降温处理。
优选的，步骤S204包括：
温箱以2℃/h的速度降温至95℃，并保温0.5小时；
温箱以2℃/h的速度降温至室温。
具体的，根据应力冻结实验原理，采用图3所示的温度控制曲线，温箱首先以10℃/h的速度升温至非连续结构体的预设冻结温度125℃，并且在升温过程中为确保三维物理光弹模型受热均匀，消除不均匀温度梯度对应力分布的影响，在温度达到90℃时，保温0.5小时，在温度达到125℃后保温1小时。最后以2℃/h的速率降温，同时在降温过程中为确保三维物理光弹模型受热均匀，消除不均匀温度梯度对应力分布的影响，当温度降至95℃时，保温0.5小时，随后逐步降至室温，再执行步骤S207。
S207、切片机对进行应力冻结实验之后的三维物理光弹模型进行切片，得到三个正交平面二维切片；
S208、计算机根据所述应力条纹分布进行相移法提取，得到相应的应力场；
S209、计算机根据公式计算得到载荷作用下三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx；
S210、计算机根据三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx，计算得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力。
具体的工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本实施例提供的所述非连续结构体内部应力场的测量方法，通过上述过程，最终得到的应力测量结果是基于多个相同且透明的三维物理光弹模型得到的，而三维物理光弹模型又是通过对非连续结构体的微焦点CT扫描结果进行数字重构和打印得到的，也即区别于现有实验和测试技术只能间接推测复杂结构体内部应力场，本发明所述非连续结构体内部应力场的测量方法，能够结合数字重构、3D打印技术、应力冻结技术和三维应力表征方法，通过透明的三维物理光弹模型直接测量非连续结构体的内部应力场，解决无法从物理实验的角度直观定量可视化显示内部应力场的难题。并且，本实施例提供的所述非连续结构体内部应力场的测量方法，通过CT扫描、数字重构和3D打印技术得到的三维物理光弹模型，不仅模型真实反映了非连续结构体的复杂结构，且通过多个相同且透明的三维物理光弹模型同时进行应力冻结实验，保证了测量结果的可靠性。
本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，包括：
计算机对非连续结构体的扫描结果进行数字重构，获得非连续结构体的三维数字模型；
3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型；
温箱对多个三维物理光弹模型进行处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定；
三轴加载装置通过温箱对多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验；三轴加载装置及多个三维物理光弹模型均设置于温箱中；
切片机对进行应力冻结实验之后的三维物理光弹模型进行切片，得到三个正交平面二维切片；
计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力；所述应力条纹分布为三个满足实验要求的正交平面二维切片进行二维光弹实验后得到的；
所述温箱对多个三维物理光弹模型进行处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定，包括：
温箱对多个被保鲜膜密封包裹的三维物理光弹模型进行为期48小时的50℃恒温处理，使多个三维物理光弹模型的性质稳定。
2.根据权利要求1所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，所述3D打印机根据三维数字模型进行打印，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型，包括：
3D打印机根据三维数字模型，采用具有光弹特性的Vero Clear材料打印基质部分，采用Fullcure 705材料打印孔隙或裂隙部分，得到多个相同且透明的三维物理光弹模型。
3.根据权利要求1或2所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，得到相同且透明的三维物理光弹模型的个数为4个。
4.根据权利要求1所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，所述三轴加载装置通过温箱对多个三维物理光弹模型保持相同的加载条件，进行应力冻结实验，包括：
温箱对经过自然降温且避光保存的多个三维物理光弹模型进行升温处理；
当温箱升温至预设冻结温度时，三轴加载装置对多个三维物理光弹模型进行应力冻结实验；
温箱对多个三维物理光弹模型进行降温处理。
5.根据权利要求4所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，所述温箱对经过自然降温且避光保存的多个三维物理光弹模型进行升温处理，包括：
温箱以10℃/h的速度升温至90℃，并保温0.5小时；
温箱以10℃/h的速度升温至125℃，并保温1小时。
6.根据权利要求4所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，所述温箱对多个三维物理光弹模型进行降温处理，包括：
温箱以2℃/h的速度降温至95℃，并保温0.5小时；
温箱以2℃/h的速度降温至室温。
7.根据权利要求1所述的非连续结构体内部应力场的测量方法，其特征在于，所述计算机对应力条纹分布进行处理，得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力，包括：
计算机根据所述应力条纹分布进行相移法提取，得到相应的应力场；
计算机根据公式计算得到载荷作用下三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx；
计算机根据三个正交平面内的最大剪应力分布(τmax)xy，(τmax)yz，(τmax)zx，计算得到三维物理光弹模型内各个点的三维最大剪应力。
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|---|---|
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