CN109724884B - 动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁 - Google Patents

动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，该横梁包括：横梁本体、第一类测速仪和第二类测速仪；第一类测速仪和第二类测速仪均安装于横梁本体上，横梁本体安装于测量载体上；测量载体用于沿被测材料表面移动，并对被测材料表面施加动态载荷；第一类测速仪用于测量动态载荷作用力后方的被测材料表面的垂向回弹变形速度；第二类测速仪用于测量动态载荷作用力前方的被测材料表面的垂向向下变形速度。本发明实施例提供的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，通过第一类测速仪和第二类测速仪可同时快速、准确获取被测材料表面的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度。

Description

动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁
技术领域
本发明实施例涉及材料检测领域，更具体地，涉及一种动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁。
背景技术
当力作用于材料(结构或者构件)的外部时，会使材料或结构内部出现应力和应变。材料在受力状态下应力与应变之比称为模量。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。为了评估材料的弹性模量，往往使用应变仪来直接测量被测材料在受力条件下的应变值，即通过直接测距的方式获取被测材料的模量。此类测量方法存在测量效率低、测量结果受材料表面纹理起伏影响误差较大等问题。
在移动荷载(动态载荷)作用下，材料的形变将会沿载荷的移动方向传播，即在动态载荷作用下，被测材料将产生变形速度。通过材料的变形速度与动载荷的移动速度之比可得到材料的变形曲线斜率，结合材料变形的挠曲线方程可得到被测材料的模量。此种测量方法的测量效率高、测量结果不受材料表面纹理起伏的影响，测量结果可靠，可用于被测材料的模量快速测量。在上述基于材料变形速度的材料模量测量方法中，材料表面变形速度的快速、准确测量是关键，因此，亟需一种用于测量材料表面变形速度的方式。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁。
本发明实施例提供一种动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，该横梁包括：横梁本体、第一类测速仪和第二类测速仪；第一类测速仪和第二类测速仪均安装于横梁本体上，横梁本体安装于测量载体上；测量载体用于沿被测材料表面移动，并对被测材料表面施加动态载荷；第一类测速仪用于测量动态载荷作用力后方的被测材料表面的垂向回弹变形速度；第二类测速仪用于测量动态载荷作用力前方的被测材料表面的垂向向下变形速度。
本发明实施例提供的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，通过第一类测速仪和第二类测速仪可同时快速、准确获取被测材料表面的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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，下面描述中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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁的结构示意图；
图中，1：第一类测速仪；2：第二类测速仪；3：横梁本体；4：陀螺仪；5：测距仪；6：被测材料；7：第三类测速仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
针对现有技术中对测量材料表面变形速度的需求，本发明实施例提供一种材料表面变形速度的测量横梁，该测量横梁能够同时获取被测材料的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度。参见图1，该横梁包括：横梁本体3、第一类测速仪1和第二类测速仪2；第一类测速仪1和第二类测速仪2均安装于横梁本体3上，横梁本体3安装于测量载体上；测量载体用于沿被测材料6表面移动，并对被测材料6表面施加动态载荷；第一类测速仪1用于测量动态载荷作用力后方的被测材料6表面的垂向回弹变形速度；第二类测速仪2用于测量动态载荷作用力前方的被测材料6表面的垂向向下变形速度。
其中，第一类测速仪1和第二类测速仪2的类型均可以为多普勒测速仪，本发明实施例对此不作限定。横梁本体3为长方体部件，横梁本体3可安装于测量载体上，具体的安装方式为横梁本体3的中心轴线与测量载体的移动方向平行。横梁本体3为刚性横梁，即在测量过程中横梁本体3自身的形变量较小。本发明实施例对测量载体和被测材料6具体的类型不作限定，例如，测量载体为汽车，被测材料6为路面；或者，测量载体为火车，被测材料6为钢轨。测量载体在沿被测材料6表面移动时，可以向被测材料6施加载荷，随着测量载体的移动，在被测材料6的表面形成移动载荷。
测速仪按照用途可分为第一类测速仪1和第二类测速仪2，第一类测速仪1用于测量动态载荷作用力后方的材料表面垂向回弹变形速度(速度方向垂直向上)，第二类测速仪2用于动态载荷作用力前方的材料表面垂向向下变形速度。其中，动态载荷作用力前方指测量载体的移动方向，动态载荷作用力后方指与测量载体的移动方向相反的方向。第一类测速仪1具体可设置于动态载荷施加点的后方，第二类测速仪2可设置于动态载荷施加点的前方，即沿测量载体的移动方向上，第一类测速仪1设置于第二类测速仪2的后方。
本发明实施例提供的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，通过第一类测速仪和第二类测速仪可同时快速、准确获取被测材料表面的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁还包括：第三类测速仪7；第三类测速仪7安装于横梁本体3上；第三类测速仪7用于测量动态载荷作用力前方的被测材料6表面的变形区域外的噪声速度。具体地，沿测量载体的移动方向上，第三类测速仪7可设置于横梁本体3上的第二类测速仪2的前方。第三类测速仪7用于动态载荷作用力前方的材料表面变形区域外的噪声速度。基于速度噪声可进一步计算获得被测材料6的模量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁还包括：测距仪5和判断模块；测距仪5安装于横梁本体3的两端；测距仪5用于测量横梁本体3距离被测材料6表面的工作高度；判断模块用于根据工作高度判断测速仪与被测材料6之间的距离是否在设定的距离范围内；若不在距离范围内，则确认测速仪采集的速度数据的质量低；测速仪包括第一类测速仪1、第二类测速仪2及第三类测速仪7中的至少一种。具体地，横梁两端可加装测距仪5，用于监控横梁的工作高度，进而监控测速仪的工作状态，以保障多普勒测速仪数据采集的质量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁还包括：陀螺仪4；陀螺仪4安装于横梁本体3上；陀螺仪4用于测量横梁本体3在惯性空间中的三轴角速度。其中，陀螺仪4可以为光纤陀螺仪4。陀螺仪4具体可设置于第二类测速仪2与第三类测速仪7之间。陀螺仪4安装在横梁本体3上，陀螺仪4的个数为3个，3个陀螺仪4成空间正交布置。陀螺仪4用于测量横梁本体3在惯性空间中的三轴角速度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁还包括：获取模块；获取模块用于根据垂向回弹变形速度、垂向向下变形速度、噪声速度及三轴角速度，基于挠曲线方程获取被测材料6的模量。
具体地，材料表面的变形速度结合挠曲线方程，可获取被测材料6的模量。例如，在路面模量的测量中，将测量横梁可同时获取路面的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度。将测量的路面变形速度与挠曲线斜率方程(对挠曲线方程求导：y′(x)＝Ae-Bx(sin(Bx)))相结合，其中x为距离载荷中心的挠曲线水平位置，y为挠度，A、B为未知挠曲线参数。通过建立挠曲线斜率方程组，可求解挠曲线参数，进而获取路面模量。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第一类测速仪1包括多个第一测速仪，第一测速仪与动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第一预设距离范围内，第一测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第一度数范围内，两个第一测速仪的安装角度之差小于第一设定值。
例如，第一类测速仪1含多个第一测速仪，其与载荷中心的水平安装距离为0m～1.5m(第一距离范围)，对不同的应用场景，第一测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度为1°～10°(第一度数范围)，第一类测速仪1间任意两个测速仪的安装角度差小于1°(第一设定值)。
第二类测速仪2包括多个第二测速仪，第二测速仪与动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第二距离内，第二测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第二度数范围内，两个第二测速仪的安装角度之差小于第二设定值。
例如，第二类测速仪2含多个第二测速仪，其与载荷中心的水平安装距离为0m～2.5m(第二距离范围)；对不同的应用场景，第二测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度为-10°～-1°(第二度数范围)，第二类测速仪2间任意两个第二测速仪的安装角度差小于1°(第二设定值)。
第三类测速仪7包括一个第三测速仪，第三测速仪与动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第三距离范围内，第三测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第三度数范围内，第三测速仪与第二测速与的安装角度之差小于第三设定值。
例如，第三类测速仪7含1个第三测速仪，它与载荷中心的水平安装距离为2.5m～4.5m(第三距离范围)；对不同的应用场景，第三测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度为1°～10°(第三度数范围)，第三类测速仪7与第二类测速仪2的安装角度差小于1°(第三设定值)。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，第一测速仪、第二测速仪和第三测速仪中任意两个测速仪的重心在高程方向的安装高度差小于第一设定距离；第一测速仪、第二测速仪和第三测速仪中任意两个测速仪的重心在垂直于测量载体的移动方向的水平方向的安装距离差小于第二设定距离。
例如，测速仪的重心在高程方向的安装高度差小于0.25m(第一设定距离)，测速仪的重心在垂直于行车方向的水平方向的安装距离差小于0.2m(第二设定距离)。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，横梁本体3通过减震气囊与测量载体连接。其中，减震气囊使用的气压范围为5atm±3atm(506.625kPa～303.975kPa)。
参见图1，在一个具体实施例中，测点D1,D2,…,Dm对应的测速仪为第一类测速仪1(多普勒测振仪)；测点P1,P2,…,Pn对应的测速仪为第二类测速仪2(多普勒测振仪)；测点R对应的测速仪为第三类测速仪7(多普勒测振仪)；
测点D1,D2,D3分别距离载荷中心的水平距离为100mm、300mm、750mm；
测点P1,P2,P3分别距离载荷中心的水平距离为100mm、300mm、750mm；
测点R距离载荷中心的水平距离为3600mm；
第一类测速仪1与垂线沿顺时针方向的安装角度约为2°；
第二类测速仪2与垂线沿顺时针方向的安装角度约为-2°；
第三类测速仪7与垂线沿顺时针方向的安装角度约为-2°；
测速仪的重心在高程方向的安装高度差小于0.05m；
测速仪的重心在垂直于行车方向的水平方向的安装距离差小于0.01m；
减震气囊使用的气压约为5atm。
综上，本发明实施例提供的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，具有如下优点：
1、设计了一种可快速、准确获取被测材料表面变形速度的测量横梁，间接解决了传统材料模量测量方法存在测量效率低、测量结果受材料表面纹理起伏影响误差较大等问题；
2、可同时获取被测材料的垂向回弹变形速度和垂向向下变形速度；
3、设计了测量横梁在安装使用过程中与测量载体通过减震气囊链接，保障了测量横梁工作时状态的可靠性；
4、通过横梁两端加装测距仪，可监控多普勒测速仪的工作状态，以保障多普勒测速仪数据采集的质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，其特征在于，包括：横梁本体、第一类测速仪和第二类测速仪；所述第一类测速仪和所述第二类测速仪均安装于所述横梁本体上，所述横梁本体安装于测量载体上，所述横梁本体通过减震气囊与所述测量载体连接；
所述测量载体用于沿被测材料表面移动，并对被测材料表面施加动态载荷；所述第一类测速仪用于测量动态载荷作用力后方的所述被测材料表面的垂向回弹变形速度；所述第二类测速仪用于测量动态载荷作用力前方的所述被测材料表面的垂向向下变形速度；
还包括：第三类测速仪；所述第三类测速仪安装于所述横梁本体上；所述第三类测速仪用于测量动态载荷作用力前方的所述被测材料表面的变形区域外的噪声速度；
还包括：陀螺仪；所述陀螺仪安装于所述横梁本体上；所述陀螺仪用于测量所述横梁本体在惯性空间中的三轴角速度；
还包括：获取模块；所述获取模块用于根据所述垂向回弹变形速度、所述垂向向下变形速度、所述噪声速度及所述三轴角速度，基于挠曲线方程获取所述被测材料的模量；
还包括：测距仪和判断模块；所述测距仪安装于所述横梁本体的两端；所述测距仪用于测量所述横梁本体距离所述被测材料表面的工作高度；所述判断模块用于根据所述工作高度判断测速仪与所述被测材料之间的距离是否在设定的距离范围内；若不在所述距离范围内，则确认测速仪采集的速度数据的质量低；所述测速仪包括所述第一类测速仪、所述第二类测速仪及所述第三类测速仪中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，其特征在于：
所述第一类测速仪包括多个第一测速仪，所述第一测速仪与所述动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第一距离范围内，所述第一测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第一度数范围内，两个所述第一测速仪的安装角度之差小于第一设定值；
所述第二类测速仪包括多个第二测速仪，所述第二测速仪与所述动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第二距离范围内，所述第二测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第二度数范围内，两个所述第二测速仪的安装角度之差小于第二设定值；
所述第三类测速仪包括一个第三测速仪，所述第三测速仪与所述动态载荷的载荷中心的水平安装距离处于第三距离范围内，所述第三测速仪与垂线沿顺时针方向的安装角度处于第三度数范围内，所述第三测速仪与所述第二测速与的安装角度之差小于第三设定值。
3.根据权利要求2所述的动态载荷作用下材料表面变形速度测量横梁，其特征在于：
所述第一测速仪、所述第二测速仪和所述第三测速仪中任意两个测速仪的重心在高程方向的安装高度差小于第一设定距离；
所述第一测速仪、所述第二测速仪和所述第三测速仪中任意两个测速仪的重心在垂直于所述测量载体的移动方向的水平方向的安装距离差小于第二设定距离。
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