CN111811938A - 应变砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于模型试验的应变砖及其制备方法，应变砖包括应变砖基体、聚氨酯板及应变片。应变砖的基体材料为模型试验中的相似材料，其通过在测量构件表面浇筑相似材料，待达到一定强度后切割生成的应变砖基体，可以完美贴合复杂测量构件的表面。将裁剪成的聚氨酯板逐一粘贴在基体表面，可以根据试验需求，部分包裹或完全包裹基体。最后应变片安装于聚氨酯板上，完成应变砖制作。应变砖贴合复杂测量构件表面，可以准确测量构件表面的压力；聚氨酯板部分包裹应变砖基体，不仅可以保证应变砖的强度，而且可以减小应变砖埋入对模型试验的影响，减小试验误差，提高量测精度。

Description

应变砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，具体涉及一种应变砖及其制备方法。

背景技术

随着经济建设的快速发展，我国的科学研究事业取得了巨大的进步，极大的加速了我国的现代化进程。模型试验作为一种重要的研究手段，可以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，得到具有定性或定量性质的试验结果。在开展模型试验的过程中，通常需要测量模型内部某一位置的应力状态。目前，常用的测量元件包括土压力盒和应变砖。

土压力盒为金属制品，受力后将在压力盒上方形成板梁结构，这将导致测量介质与土压力盒不能密切接触，进而影响测量结果。另一方面，土压力盒只能测试法线方向的压力值，如果需要测试一点的三维应力状态，往往需要在测点附近布置三个不同方向的土压力盒，这对尺寸较小的模型来说会是一个挑战。此外，土压力盒的造价也相对较高。所以，目前针对模型中一点的应力，部分学者采用应变砖的形式进行测量。

应变砖的基材通常要求与模型试验所用的相似材料一致。对于强度较高的相似材料，不会担心应变砖在安装与模型填筑过程中发生破损，但对于强度较低的相似材料，应变砖很容易在安装与模型填筑的过程中发生破损。应变砖一旦发生破损即会失效。针对这一问题，目前有部分学者采用聚氨酯来充当应变砖的基材。聚氨酯作为一种高分子有机材料，具有密度小(相较于)、线弹性等特点。但当前模型试验中，聚氨酯应变砖也存在着以下不足：

(1)难以反映真实相似材料

聚氨酯材料难以真实反映相似材料的物理力学特性(如强度参数和密度等)，因而制作的应变砖无法准确描述相似材料属性，降低了模型试验精度；不适用于测量相似材料塑性破坏阶段的变形和应力；

(2)简单规则形状

现有应变砖多为规则的矩形，在模型试验中当需要测试表面形态不规则的测量构件的法向压力时，由于应变砖不能很好的与测量构件的表面贴合，测量结果可能会偏离真实结果，产生试验误差；

(3)制作成本高，制作周期长

常规应变砖需要专门的浇筑模具和切削工具，且只能制作正方体、长方体形态的简单应变砖。对于较大尺寸应变砖(例如25mm×25mm)，中心聚氨酯凝固过程缓慢，这延长了应变砖的制作周期。

因此，有必要针对上述问题，本专利提出了一种贴近复杂相似模型表面的应变砖及其制备方法。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种贴近相似材料真实力学特性的应变砖及其制备方法。

一种应变砖，包括：

应变砖基体，采用模型试验中的相似材料制成，且所述应变砖基体贴合测量构件表面与所述测量构件的表面轮廓相适应；

聚氨酯板，贴合在所述应变砖基体的表面上，且所述聚氨酯板部分包裹或全包裹所述应变砖基体；

应变片，安装于所述聚氨酯板上。

在其中一个实施例中，所述聚氨酯板通过粘合剂贴合在所述应变砖基体的表面上。

在其中一个实施例中，所述粘合剂为聚氨酯。

一种应变砖制备方法，包括以下步骤：

采用与模型试验中相同的相似材料制备应变砖基体，且所述应变砖基体贴合测量构件的表面，与测量构件的表面轮廓相适应；

制备聚氨酯板；及

将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者全包裹在所述应变砖基体表面。

在其中一个实施例中，采用与模型试验中的相似材料制备应变砖基体，且所述应变砖基体贴合测量构件的表面，且与测量构件的表面轮廓相适应的步骤具体为：

在测量构件的表面浇筑所述相似材料，待所述相似材料具有一定强度后，脱模并切割出指定尺寸的所述应变砖基体。

在其中一个实施例中，所述制备聚氨酯板的步骤具体为：

在托盘中倒入聚氨酯，然后消除所述聚氨酯内的气体，将消除气泡后的所述聚氨酯置于恒温恒湿的环境中养护至完全凝固，然后在所述聚氨酯上根据所述应变砖基体的轮廓裁剪出所述聚氨酯板。

在其中一个实施例中，消除所述聚氨酯内的气体的步骤具体为：

将盛有所述聚氨酯的所述托盘置于振动台或消气装置中，以消除所述聚氨酯内的气体。

在其中一个实施例中，将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者全包裹在所述应变砖基体表面的步骤之后还包括：

通过测量不同厚度的聚氨酯板应变砖的单轴试验曲线和聚氨酯板应变砖的应变曲线，选择与相似材料试件的单轴试验曲线最为接近，且应变砖应力应变曲线波动较小的厚度作为最优聚氨酯板厚度。

在其中一个实施例中，将应变片安装于所述聚氨酯板上的步骤具体为：

将所述应变片粘贴在所述聚氨酯板上，并在应变片的表面涂抹保护层以保护所述应变片。

在其中一个实施例中，将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者全包裹在所述应变砖基体表面的步骤之后还包括：

将制备形成的所述应变砖置于模型试验中的测量构件表面，然后浇筑相似材料，完成模型试验的模型制作。

上述应变砖及其制备方法，应变砖基体采用模型试验中的相似材料制成，因此可以保证应变砖真实反映相似材料的物理力学特性，能够用于测量相似材料塑性破坏阶段的变形和应力。聚氨酯板环形包裹或全包裹应变砖基体，可以保证应变砖的强度，避免应变砖在安装和模型填筑过程中发生破损，可以减小应变砖埋入对模型试验的影响，减小试验误差，提高量测精度。应变砖基体贴合测量构件的表面，与测量构件的轮廓相适应，应变砖基体能够良好贴合复杂测量构件的表面，可以准确测量构件表面的压力。

附图说明

图1为一实施方式中应变砖的结构示意图；

图2为另一实施方式中应变砖的结构示意图；

图3为一实施方式中应变砖制备方法的流程图；

图4为在测量构件表面预定位置形成应变砖基体的示意图；

图5为将应变砖基体从相似材料中取出的示意图；

图6为将盛有聚氨酯的托盘置于振动台中消气的示意图；

图7为将盛有聚氨酯的托盘置于高压消气装置中消气的示意图；

图8为在聚氨酯上裁剪出聚氨酯板的示意图；

图9为聚氨酯板贴合到应变砖基体上的示意图；

图10为应变砖装入到测量构件表面相似材料内的示意图；

图11为将应变砖置于试件内的示意图；

图12为含有应变砖的试件进行测试的示意图。

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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1及图2，一实施方式中应变砖100，用于模型试验中测量模型某一位置的应力状态。具体地，该应变砖100包括应变砖基体110、聚氨酯板120及应变片130。

请一并参阅图4及图5，应变砖基体110采用模型试验中的相似材料12制成，以能够真实反映相似材料12的物理力学性能。应变砖基体110贴合测量构件10的表面与测量构件10的轮廓相适应，以保证应变砖100能够很好地与测量构件10的表面贴合，避免试验产生误差。

其中，当测量构件10的表面为规则形态时，应变砖基体110为规则形态，其尺寸可以根据试验需求设置。当模型试验中测量构件10表面形态不规则时，应变砖100与测量构件10相接触的表面与测量构件10的表面形态一致。

请一并参阅图9，聚氨酯板120贴合在应变砖基体110的表面上。一实施方式中，聚氨酯板120通过粘合剂150贴合在应变砖基体110的表面上。具体地，粘合剂150可以为聚氨酯。聚氨酯板120环向包裹或者全包裹应变砖基体110，以保证应变砖100的强度，避免应变砖100在安装于模型填筑的过程中防发生破损失效。

聚氨酯板120环向包裹应变砖基体110时，聚氨酯板120不包裹应变砖基体110贴合测量构件10的表面，聚氨酯板120绕垂直于测量构件10的轴线环向包裹应变砖基体110。另外，为了尽可能降低聚氨酯板120对应变砖100的影响，除非相似材料12的强度非常低，否则应尽量避免将应变砖基体110完全包裹住，以免影响测试效果。

应变片130安装于聚氨酯板120上，应变片130安装于聚氨酯板120上形成应变测试板140。应变测试板140可以根据需要安装在应变砖基体110的不同侧壁上，或者安装于应变砖基体110的一面、两面或者三面。一实施方式中，应变片130粘贴在聚氨酯板120上，应变片130表面涂抹形成有保护层。具体地，保护层为硅橡胶。

请参阅图3至图5，本发明还提供一种应变砖制备方法。具体地，该制备方法包括如下步骤：

步骤S110：采用与模型试验中相同的相似材料12制备应变砖基体110，应变砖基体110贴合测量构件10的表面，与测量构件10的表面轮廓相适应。

具体地，制备应变砖基体110的具体方法为：在测量构件10的表面浇筑与测量构件10材料相同的相似材料12，并在成型后在测量构件10的预定位置，切割出指定尺寸的应变砖基体110。其中，应变砖基体110采用模型试验中相同的相似材料12制成，以能够真实反映相似材料12的物理力学性能。由于应变砖基体110为贴合测量构件10的表面凝固成型，因此应变砖基体110贴合测量构件10的表面与测量构件10的轮廓相适应，能够保证后续应变砖100贴合测量构件10。

其中，当测量构件10的表面为规则形态时，应变砖基体110为规则形态，其尺寸可以根据试验需求设置，如应变砖基体110依据试验需求取长×宽×高＝20mm×20mm×20mm，或者30mm×30mm×30mm。当模型试验中测量构件10表面形态不规则时，应变砖100与测量构件10相接触的表面与测量构件10的表面形态一致，同时同样可控制其规则断面的尺寸为20mm或30mm。

步骤S120：制备聚氨酯板120。

请参阅图6至图8，具体地，在托盘30中倒入聚氨酯20，然后消除聚氨酯20内的气体，以保证成型的聚氨酯20内没有孔隙。一实施方式中，将盛有聚氨酯20的托盘30置于振动台42或高压的消气装置44中，以消除聚氨酯20内部的气体。将消除气泡后的聚氨酯20置于恒温恒湿环境中养护至完全凝固，然后在聚氨酯20上裁剪出聚氨酯板120。具体地，裁剪出聚氨酯板120时，需要根据应变砖基体110的外形尺寸，在聚氨酯20表面绘制裁剪线22，然后裁剪成任意形态及给定尺寸的聚氨酯板120。

步骤S130：将应变片130安装于聚氨酯板120上，将聚氨酯20至板贴合到应变砖基体110的表面上，且使聚氨酯板120环向包裹或者全包裹应变砖基体110。

请参阅图9，具体地，将应变片130粘贴在聚氨酯板120上，以形成应变测试板140，将聚氨酯板120贴合到应变砖基体110的表面上，从而制备出应变砖100。应变测试板140可以根据需要布置在应变砖基体110的不同侧壁上，或者布置于应变砖基体110的一面、两面或者三面。

一实施方式中，应变片130的表面涂抹有保护层以保护应变片130。具体地，保护层可以为硅橡胶。应变片130在聚氨酯板120上安装有3片，3片应变片130在聚氨酯板120上呈扇形分布，其中一个应变片130与聚氨酯板120的侧边平齐，另外一个应变片130与聚氨酯板120的该侧边垂直，位于中间的应变片130与聚氨酯板120的该侧边呈45°夹角，以实现测试三维应力状态。

聚氨酯板120环向包裹或者全包裹应变砖基体110，可以保证应变砖100的强度，避免应变砖100在安装于模型填筑的过程中防发生破损失效。具体地，聚氨酯板120通过粘合剂150贴合到应变砖基体110上。一实施方式中，粘合剂150可选用聚氨酯20。聚氨酯板120环向包裹或者全包裹应变砖基体110时，应变测试板140的聚氨酯板120，搭配其他未安装应变片130的聚氨酯板120，环向包裹或者全包裹应变砖基体110。

聚氨酯板120环向包裹应变砖基体110时，聚氨酯板120不包裹应变砖基体110贴合测量构件10的表面，聚氨酯板120绕垂直于测量构件10的轴线环向包裹应变砖基体110。另外，为了尽可能降低聚氨酯板120对应变砖100的影响，除非相似材料12的强度非常低，否则应尽量避免将应变砖基体110完全包裹住，以免影响测试效果。

请参阅图10，上述应变砖100制备完成后，将应变砖100置于模型试验中的测量构件10表面，然后浇筑相似材料12，完成模型试验的模型制作。由于应变砖基体110是在测量构件10的表面浇筑成型，因此可以保证制备出的应变砖100很好地贴合测量构件10的表面，且无需制作专门的应变砖100模具。同时，可以根据测试需求粘贴应变测试板140，布置形式较为灵活。

请参阅图11，一实施方式中，由于聚氨酯板120的厚度将对制备的应变砖100的力学性能产生一定的影响，因此需要验证聚氨酯板120的厚度是否满足要求。具体地，在模型试验前，即步骤S130之后，采用相似材料12制作试件50。具体地，试件50可以为圆柱体试件，其直径×高＝100mm×200mm。

请参阅图12，将应变砖100置于试件50中，图中示出了环向包裹的应变砖100和全包裹的应变砖100分别装入试件50内的状态。应变砖100置于试件50内后，将试件50安装于测试平台60上，测试平台60本身的测量***对含有应变砖100的试件50进行力学特性测量，并借助计算机80采集试验过程中试件50的测量数据。另一方面，将应变砖100的数据引线132与应变采集***70相连接，并借助计算机80采集试验过程中应变砖100的测量数据。通过对比两种方法测得的结果，即可验证聚氨酯板120在该厚度下应变砖100的准确性，从而验证聚氨酯板120是否满足要求。

其中，测试平台60能够测量相似材料试件50的单轴试验曲线，而应变采集***能够测量应变砖100的应变曲线，通过比较相似材料试件50和不同厚度聚氨酯板120包裹形成的应变砖100试验曲线，选择应变砖100应变曲线波动较小，且与相似材料试件50单轴试验曲线最为接近的聚氨酯板120厚度作为最优制作厚度。

上述应变砖100及其制备方法，应变砖基体110采用模型试验中相同的相似材料12制成，因此可以保证应变砖100真实反映相似材料12的物理力学特性，能够用于测量相似材料12塑性破坏阶段的变形和应力。聚氨酯板120环向包裹或全包裹应变砖基体110，可以保证应变砖100的强度，避免应变砖100在安装和模型填筑过程中发生破损。应变砖基体110是在测量构件10的表面浇筑成型，应变砖基体110能够良好贴合测量构件10的表面，避免试验产生误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种应变砖，其特征在于，包括：

应变砖基体，采用模型试验中的相似材料制成，且所述应变砖基体贴合测量构件表面与所述测量构件的表面轮廓相适应；

聚氨酯板，贴合在所述应变砖基体的表面上，且所述聚氨酯板部分包裹或全包裹所述应变砖基体；

应变片，安装于所述聚氨酯板上。

2.根据权利要求1所述的应变砖，其特征在于，所述聚氨酯板通过粘合剂贴合在所述应变砖基体的表面上。

3.根据权利要求2所述的应变砖，其特征在于，所述粘合剂为聚氨酯。

4.一种应变砖制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用与模型试验中相同的相似材料制备应变砖基体，且所述应变砖基体贴合测量构件的表面，与测量构件的表面轮廓相适应；

制备聚氨酯板；及

将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者全包裹在所述应变砖基体表面。

5.根据权利要求4所述的应变砖制备方法，其特征在于，采用与模型试验中的相似材料制备应变砖基体，且所述应变砖基体贴合测量构件的表面，且与测量构件的表面轮廓相适应的步骤具体为：

在测量构件的表面浇筑所述相似材料，待所述相似材料具有一定强度后，脱模并切割出指定尺寸的所述应变砖基体。

6.根据权利要求4所述的应变砖制备方法，其特征在于，所述制备聚氨酯板的步骤具体为：

在托盘中倒入聚氨酯，然后消除所述聚氨酯内的气体，将消除气泡后的所述聚氨酯置于恒温恒湿的环境中养护至完全凝固，然后在所述聚氨酯板上根据所述应变砖基体的轮廓裁剪出所述聚氨酯板。

7.根据权利要求6所述的应变砖制备方法，其特征在于，消除所述聚氨酯内的气体的步骤具体为：

将盛有所述聚氨酯的所述托盘置于振动台或消气装置中，以消除所述聚氨酯内的气体。

8.根据权利要求4所述的应变砖制备方法，其特征在于，将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者全包裹在所述应变砖基体表面的步骤之后还包括：

通过测量不同厚度的聚氨酯板应变砖的单轴试验曲线和聚氨酯板应变砖的应变曲线，选择与相似材料试件的单轴试验曲线最为接近，且应变砖应力应变曲线波动较小的厚度作为最优聚氨酯板厚度。

9.根据权利要求4所述的应变砖制备方法，其特征在于，将应变片安装于所述聚氨酯板上的步骤具体为：

将所述应变片粘贴在所述聚氨酯板上，并在应变片的表面涂抹保护层以保护所述应变片。

10.根据权利要求4所述的应变砖制备方法，其特征在于，将应变片安装于所述聚氨酯板上，将所述聚氨酯板贴合到所述应变砖基体的表面上，且将所述聚氨酯板部分包裹或者完全包裹在所述应变砖基体表面的步骤之后还包括：

将制备形成的所述应变砖置于模型试验中的测量构件表面，然后浇筑相似材料，完成模型试验的模型制作。

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