模型试验的概念

模型试验是将发生在原型中的力学过程,在物理相似条件下，经缩小(或放大)后在模型上重演。对模型中的力学参数进行测量、记录、分析，并根据相似关系换算到原型中去，达到研究原型力学过程的目的。其理论基础是结构相似理论。

相似三定理

第一相似定理

彼此相似的现象，以相似常数组成的受现象制约的相似指标等于1或相同文字组成的相似准数为一不变量。

——目的确定相似条件，将方程分析法与量纲分析法统一起来先解相似准数，然后求相似条件。

第二相似定理

某一现象各物理量之间的关系方程式，都可以表示为相似准数之间的函数关系。

——解决没有确定物理方程描述的物理现象相似准数求解的方法。

第三相似定理

现象的单值条件相似，并且由单值条件导出来的相似准数的数值相等，是现象彼此的充分和必要条件。

——推广应用到与模型现象相似的现象中去。

模型试验的意义

①    模型试验作为一种研究手段，可以严格控制试验对象的主要参数而不受外界条件和自然条件的限制，做到结果准确。

②    模型试验有利于在复杂的试验过程中突出主要矛盾，便于把握、发现现象的内在联系。并且有时可用来对原型所得结论进行校验。

③    由于模型与原型相比，尺寸一般都是按比例缩小的。故制造加工容易，装拆方便，试验人员少，较之实物试验，能节省资金、人力和时间。

④    模型试验能预测尚未建造出来的实物对象或根本不能直接研究的实物对象的性能。

⑤    当其它各种分析方法不可能采用时，模型试验就成了现象相似性问题的研究手段。

模型试验的应用

·       代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。

·       作为结构分析计算的辅助手段。

·       验证和发展结构计算理论。

目前，相似理论和模型试验方法已用于物理、化学、工程结构、热力学、气象、航天等各个领域，并有着广泛的应用前景。

模型试验的程序

(1)   根据试验任务、目的，选择模型类型。

按模型试验研究范围可分为：弹性模型试验、强度模型试验。

按试验模拟的程度分类：断面模型试验（平面），半整体模型，整体模型试验。

按试验加载方法分类：静力结构模型试验，动力结构模型试验，等等。

(2)   对研究对象进行理论分析，用方程分析法或量纲分析法求相似准则。

(3)   确定几何相似常数，定出模型的几何尺寸。

在结构模型试验中，其几何尺寸的确定需要综合考虑模型类型、材料、制作条件、加载能力、测点布置以及设备条件等，以便确定出一个优化的几何尺寸。

(4)   根据相似准则，计算各参数在模型试验中的数值——模型设计。

(5)   绘制模型制造、测点布置和载荷分置图。

(6)   安排试验顺序。

(7)   进行试验和量测。

(8)   数据整理，并把模型数据转换到原型上去，或确定试验结果可以应用的条件。

模型试验测试系统

一个典型的测试系统主要由如下部分组成：

测试系统的主要性能指标包括：精度和误差，稳定性，量程，分辩率，传递特性等。

特色产品

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模型试验相关研究

长沙理工大学土木工程学院团队设计杠杆加载装置，通过室内模型试验测试基桩穿过三种高度溶洞时桩顶竖向荷载作用下的桩身应变及桩侧土体竖向荷载作用下的桩身应变、水平位移和土压力，研究桩顶荷载作用下桩身轴力传递规律及桩侧堆载作用下桩身弯矩、水平位移和土压力变化规律，并与未穿溶洞桩对比，为岩溶地区穿过不同高度溶洞嵌岩桩基础设计提供试验依据。其中采用日本TML公司TDS-540进行应变数据的采集。

参考文献：周德泉. 溶洞高度影响嵌岩桩轴力传递及桩侧超载响应试验[J]. 湖南大学学报, 2022(7).

中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院团队基于直墙半圆拱形冻结壁弹塑性设计理论，在实验室建立了竖直孔和倾斜孔两种冻结形式的三维实验模型，模拟了两种冻结形式下冻结壁处于积极冻结期、维护冻结期及解冻状态下的温度场分布规律。对比分析斜井冻结壁的扩展和解冻规律，分别评价两种形式下冻结壁的温度性，为开展斜井倾斜孔冻结工业性试验提供指导。其中采用日本TML公司TDS-530（现TDS-540）进行温度采集。

参考文献：陈骏. 两种斜井冻结方式的温度场模型实验研究[J]. 煤炭工程, 2022(4). 

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