模型試驗的概念

模型試驗是將發生在原型中的力學過程,在物理相似條件下，經縮小(或放大)后在模型上重演。對模型中的力學參數進行測量、記錄、分析，并根據相似關系換算到原型中去，達到研究原型力學過程的目的。其理論基礎是結構相似理論。

相似三定理

第一相似定理

彼此相似的現象，以相似常數組成的受現象制約的相似指標等于1或相同文字組成的相似準數為一不變量。

——目的確定相似條件，將方程分析法與量綱分析法統一起來先解相似準數，然后求相似條件。

第二相似定理

某一現象各物理量之間的關系方程式，都可以表示為相似準數之間的函數關系。

——解決沒有確定物理方程描述的物理現象相似準數求解的方法。

第三相似定理

現象的單值條件相似，并且由單值條件導出來的相似準數的數值相等，是現象彼此的充分和必要條件。

——推廣應用到與模型現象相似的現象中去。

模型試驗的意義

①    模型試驗作為一種研究手段，可以嚴格控制試驗對象的主要參數而不受外界條件和自然條件的限制，做到結果準確。

②    模型試驗有利于在復雜的試驗過程中突出主要矛盾，便于把握、發現現象的內在聯系。并且有時可用來對原型所得結論進行校驗。

③    由于模型與原型相比，尺寸一般都是按比例縮小的。故制造加工容易，裝拆方便，試驗人員少，較之實物試驗，能節省資金、人力和時間。

④    模型試驗能預測尚未建造出來的實物對象或根本不能直接研究的實物對象的性能。

⑤    當其它各種分析方法不可能采用時，模型試驗就成了現象相似性問題的研究手段。

模型試驗的應用

·       代替大型結構試驗或作為大型結構試驗的輔助試驗。

·       作為結構分析計算的輔助手段。

·       驗證和發展結構計算理論。

目前，相似理論和模型試驗方法已用于物理、化學、工程結構、熱力學、氣象、航天等各個領域，并有著廣泛的應用前景。

模型試驗的程序

(1)   根據試驗任務、目的，選擇模型類型。

按模型試驗研究范圍可分為：彈性模型試驗、強度模型試驗。

按試驗模擬的程度分類：斷面模型試驗（平面），半整體模型，整體模型試驗。

按試驗加載方法分類：靜力結構模型試驗，動力結構模型試驗，等等。

(2)   對研究對象進行理論分析，用方程分析法或量綱分析法求相似準則。

(3)   確定幾何相似常數，定出模型的幾何尺寸。

在結構模型試驗中，其幾何尺寸的確定需要綜合考慮模型類型、材料、制作條件、加載能力、測點布置以及設備條件等，以便確定出一個優化的幾何尺寸。

(4)   根據相似準則，計算各參數在模型試驗中的數值——模型設計。

(5)   繪制模型制造、測點布置和載荷分置圖。

(6)   安排試驗順序。

(7)   進行試驗和量測。

(8)   數據整理，并把模型數據轉換到原型上去，或確定試驗結果可以應用的條件。

模型試驗測試系統

一個典型的測試系統主要由如下部分組成：

測試系統的主要性能指標包括：精度和誤差，穩定性，量程，分辯率，傳遞特性等。

特色產品

土工離心機模型試驗系統

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TMR-300小型多通道動態數據采集系統

KPG-PA/KPH-PA 超小型孔隙水壓計 50~100kPa

KPE-PB 小型孔隙水壓計 200kPa~2MPa

PDA-PB/PDB-PB 超小型壓力傳感器_土壓計 50kPa ~ 3MPa

模型樁荷載試驗系統

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CDP 位移傳感器 5~100mm

CLP-NB 壓縮型荷載傳感器 10kN~10MN

F系列 GOBLET一般用途應變片

大型結構構件及結構模型抗震性能評估測試系統

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T-ZACCS 9 TS-960高速·高精度·高性能數據記錄儀

F系列 GOBLET一般用途應變片

P系列 混凝土用聚酯應變片

CDP 位移傳感器 5~100mm

DP-G/DP-E 拉線式位移傳感器 500~2000mm,5000mm

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BTM/BTMC系列 螺栓應變片_螺栓軸力測量

風洞實驗室振動沖擊動態信號測試系統

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模型試驗相關研究

長沙理工大學土木工程學院團隊設計杠桿加載裝置，通過室內模型試驗測試基樁穿過三種高度溶洞時樁頂豎向荷載作用下的樁身應變及樁側土體豎向荷載作用下的樁身應變、水平位移和土壓力，研究樁頂荷載作用下樁身軸力傳遞規律及樁側堆載作用下樁身彎矩、水平位移和土壓力變化規律，并與未穿溶洞樁對比，為巖溶地區穿過不同高度溶洞嵌巖樁基礎設計提供試驗依據。其中采用日本TML公司TDS-540進行應變數據的采集。

參考文獻：周德泉. 溶洞高度影響嵌巖樁軸力傳遞及樁側超載響應試驗[J]. 湖南大學學報, 2022(7).

中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院團隊基于直墻半圓拱形凍結壁彈塑性設計理論，在實驗室建立了豎直孔和傾斜孔兩種凍結形式的三維實驗模型，模擬了兩種凍結形式下凍結壁處于積極凍結期、維護凍結期及解凍狀態下的溫度場分布規律。對比分析斜井凍結壁的擴展和解凍規律，分別評價兩種形式下凍結壁的溫度性，為開展斜井傾斜孔凍結工業性試驗提供指導。其中采用日本TML公司TDS-530（現TDS-540）進行溫度采集。

參考文獻：陳駿. 兩種斜井凍結方式的溫度場模型實驗研究[J]. 煤炭工程, 2022(4). 

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