应力测量方法的历史
应力测量仪原理
应力测量仪原理
应力测量仪的原理是利用材料的形变量与施加在材料上的应力大小之间的关系进行测量。
其中最常用的方法是使用电阻应变片作为测量元件。
电阻应变片是一种金属薄片或细丝，有着良好的电阻性能。
当外力作用于其表面时，电阻应变片会发生形变，并且其电阻值也会相应改变。
这是因为在形变过程中，应变导致了电阻应变片中线路的长度和截面积的变化，从而引起了电阻值的变化。
应力测量仪中通常会将电阻应变片粘贴或焊接在需要测量应力的材料表面上。
当材料受到应力时，电阻应变片也会相应受到应变，导致电阻值的变化。
通过连接电阻应变片的电路，可以测量出电阻值的变化情况。
为了测量电阻值的变化，通常会使用一种称为电桥的电路。
电桥电路中包含了一个可变电阻和一个标准电阻，通过改变可变电阻来使电桥平衡，即使电桥两个分支中的电流相等。
当电桥平衡时，通过测量电桥两个分支之间的电压差，可以间接地得到电阻值的变化。
当电阻值的变化被测量到后，可以根据电阻应变片的性能参数，如灵敏度等，将电阻值的变化转换为应力值。
不同类型的电阻应变片具有不同的灵敏度和线性特性，因此在实际应用中需要对其进行校准，以确保测量结果的准确性。
除了电阻应变片，应力测量仪还可以使用其他原理，如压阻式、
电容式、磁性等。
这些不同原理的应力测量仪有着自己的优缺点，在特定应用环境中选择合适的原理进行测量。
5、地应力
Drilling Direction and Stress
Favored hole orientation
v
The best orientation to increase hole stability minimizes the principal stress difference normal to the borehole axis 60° cone
水平主应力的测量：
测量的对象：水平地应力的大小和方向
地应力方向的测量方法：井壁崩落椭圆法 地质力学方法 压裂裂缝监测法 地应力大小的测量方法：水力压裂试验 声发射Kaiser效应
岩心差应变实验法
一、井壁崩落椭圆法判断水平地应力方向
水平最大主应力方向
一般情况下，井壁坍
塌形成的椭圆形井眼，
长轴与最大水平主地 应力方向垂直
（理论依据是什么？）
水平最小主应力方向
井壁发生坍塌后的井眼形状与井眼钻开后应力的重分布有关井眼坍塌破坏形状σ Nhomakorabeah
σ
H
σ
H
σ
h
井眼坍塌长轴方向的变化
水平最小主应力 节理破碎地层塌块 大，井眼长轴在最 大水平地应力方位 水平最小主应力
水平最大主应力
完整地层塌块小， 井眼长轴在最小水 平地应力方位
井壁崩落椭圆资料的获取与识别
应力
取心方式与实验设备
加载装臵
声信号接收设备
实验步骤：
加工好的岩样套上橡胶封隔套，装入高压釜中；
加围压至设定值，并使之保持恒定；
以恒定的加载速给岩样施加向载荷；记录下加载过程 中岩样内部微破坏所发出的声发射信号 将向载荷卸致零，进行第二次加载； 绘出二次加载过程中的声发射信号载荷的变化曲线。
应力检测原理
应力检测原理
应力检测原理是通过测量物体受力后产生的形变或应变来判断其受力状态的一种测试方法。
在实际应用中，常用的应力检测原理包括电阻应变片原理、应变计原理和激光干涉法原理。
首先，电阻应变片是一种具有性能稳定、可重复使用的应力测量元件。
它通过在应力作用下形成电阻值变化，来间接反映物体的应变情况。
当物体受到压力或拉伸时，电阻应变片会随之发生形变，进而改变其电阻值。
通过测量电阻的变化，可以推算出物体所受的应力。
其次，应变计原理是一种更加直接的应力测量方法。
应变计是一种高精度的电阻应变元件，通过粘贴在被测物体的表面，当物体受到力的作用时，应变计会产生应变，并且应变的大小与物体所受的应力成正比。
应变计内部具有电阻，通过测量电阻的变化，可以获得物体所受的应力值。
最后，激光干涉法原理是一种非接触、高精度的应力测量方法。
该方法利用激光的干涉原理，通过激光束的反射和干涉，测量物体表面形变的微小位移。
物体在受力作用下会出现形变，根据形变产生的位移，可以计算出物体所受的应力大小。
以上是常用的应力检测原理，通过采用合适的测量原理，可以准确地判断物体受力状态，为工程设计和科学研究提供重要数据支持。
应力测量方法
应力测量方法有多种，其中包括电阻应变测量法。
此外，还有光弹性方法、X射线衍射法、中子衍射法、超声法、脆性涂层法、压痕法、磁测法、云纹干涉法、莫尔条纹法等方法。
电阻应变测量法：这种方法利用电阻应变计测量技术，不仅可以用于模型实验，也可以在线进行应变、应力、压力等力学的测量。
其实际应用效果较好，还可以进行远距离应变遥测，利用此技术可制成相应的传感器和测力装置。
光弹性方法：这是光测法的一种，通过光弹性效应来测量应力。
它适用于解决扭转和轴对称的问题，还可以研究应力传播和热应力的动态过程。
X射线衍射法：利用X射线的衍射现象来测量应力。
通过测量衍射角的变化，可以推断出材料内部的应力状态。
超声法：通过超声波在材料中的传播特性来推断应力状态。
不同应力状态下的材料，超声波传播速度会有所变化，从而可以反演出应力状态。
以上各种方法各有特点，电阻应变测量法操作简单，适用于各种环境和条件；光弹性方法直观性强，适用于透明材料；X射线衍射法和超声法非接触、无损，但设备复杂，数据处理难度较高。
请根据具体需求和条件选择合适的方法。
第六节真实应力应变曲线课件
应变速率
高应变速率
高应变速率条件下，材料的应力应变响应时间缩短，真实应力应变曲线表现出较高的峰值应力和较短的形变平台 。
低应变速率
低应变速率条件下，材料的应力应变响应时间延长，真实应力应变曲线表现出较低的峰值应力和较长的形变平台 。
02 真实应力应变曲线的测量 方法
直接拉伸法
总结词
直接拉伸法是一种常用的测量真实应力应变曲线的方法，通 过直接对试样施加拉伸力，记录其变形量，从而得到应力应 变关系。
详细描述
在直接拉伸法中，试样通常为长条形，一端固定，另一端施 加逐渐增大的拉伸力，同时测量试样的变形量。通过计算可 以得到应力应变曲线。该方法具有简单、直接的优点，适用 于各种材料。
屈服阶段
屈服阶段
当外力继续增加并超过某一临界值时 ，材料进入屈服阶段，此时材料开始 发生塑性形变，即在外力作用下发生 不可逆的形变。该阶段的应力应变关 系不再呈线性关系。
总结词
描述材料在屈服阶段的应力应变关系 和特点。
详细描述
在屈服阶段，真实应力应变曲线出现 一个拐点，表示材料开始发生塑性形 变。此时，应力应变关系不再呈线性 关系，而是出现一定的非线性。随着 应力的增加，应变迅速增加，但形变 不再完全恢复。这一阶段材料的力学 性质表现为塑性行为，需要较大的外 力才能使材料发生形变。
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曲线表现出应变硬化或软化的特性，即随 着应变的增加，材料的应力表现会发生变 化。
屈服点
断裂点
曲线通常会有一个屈服点，表示材料开始 发生屈服，即应力不再随应变线性增加。
地应力及其测量原理
2 水压致裂法
σ
初始劈裂压力
开启压力
稳定开裂压力
关闭压力 σ
p
σ
σ3 －σ
σ
σ
0 3
在水压力为pb，原始应力
为σ1、σ3共同作用下，孔周 σ10
Pb
σ10
边岩体中切向应力：
σ
0 3
1 2
0 1
0 3
1
R02 r2
pb
R02 r2
1 2
0 1
3 地应力及其测量原理
3.1 概 述
概念：a 地层未受到扰动时，存在于地层 内各点的应力称为原岩应力，或称为原始应 力，或称为初始地应力（in situ stress）。它 是地下工程围岩变形、破坏、支护结构受力 的根本渊源。
b 当地层被开挖后，存在于开挖空间周 围岩体中重新分布的应力称为次生应力，也 叫诱发应力（induced stress）。
1 在地下工程中
1）围岩稳定与支护结构设计； 2）地下洞室走向选择； 3）地下洞室断面几何形状； 4）坚硬脆性岩体中的岩爆；
2 在地上工程中
主要是基坑开挖后，底部岩体在原岩应 力作用下出现底鼓而影响上部结构稳定。
3.3 地壳浅部地应力的变化规律
3.3.1 地应力是个非稳定应力场
3.3.2 实测垂直应力 z 基本等于上覆岩
2） 孔壁应变法
只需在一个钻孔内进行量测，即可确定六个空间 应力分量。
z
20 xFra bibliotek0 y
cos
2
4
0 xy
sin
2
地应力测量
地应力测量的国内外研究现状0 引言地应力（in-situ stress），又称原岩应力，也称岩体初始应力或绝对应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因产生的。
在一定时间和一定地区内，地壳中的应力状态是各种起源应力的总和。
主要由重力应力、构造应力、孔隙压力、热应力和残余应力等耦合而成,重力应力和构造应力是地应力的主要来源。
地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场（雷化南，等译.1976）。
而重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。
因此，岩石中的原地应力是由主动施加的力和积蓄的残余应变两者引起的。
地应力测量（In situ stress measurement），就是确定拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过多个点的量测来完成的。
地应力测量是一项综合性的测试，可以说任何一种单一的方法都不能很好地完成，往往需要几种方法结合起来对比使用，才可以保证结果的可靠性。
即使如此，地应力测量中也往往会出现同一测点测量值分散的情况。
地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现岩土工程开挖设计和决策科学化的前提。
地应力对矿山开采、地下工程和能源开发等生产实践均起着至关重要的作用，所以地应力研究是当前国际采矿界上的一个前沿性课题，近几十年来，世界上许多国家均开展了地应力的测量及应用研究工作,取得了众多的成果。
1 地应力测量在国外发展概况及研究现状人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设，最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。
1932年，美国人劳伦斯(Lieurace)在胡佛坝(HooverDam)下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。
拉曼方法测量应力
拉曼方法测量应力
拉曼光谱技术是一种非破坏性、高精度和高速测量应力的方法。
它通过测量拉曼光谱中的振动能级来推断材料内部的应力状态。
在拉曼光谱中，原子中的电子吸收或释放能量，这种能量变化对应着原子振动的频率。
当材料受到应力作用时，其原子振动的频率发生改变，导致拉曼光谱中的振动能级发生变化。
因此，通过分析拉曼光谱中的振动能级，可以推断材料内部所受的应力状态。
拉曼光谱技术在应力测量中的应用包括:
1. 材料力学测试：拉曼光谱技术可以用于材料力学测试，例如拉伸、压缩、弯曲等。
通过测量拉曼光谱中的振动能级，可以推断材料在受到应力作用时所经历的变形状态。
2. 陶瓷材料应力测量：陶瓷材料具有高硬度、高韧性和高应力承受能力，但它们也易于断裂。
拉曼光谱技术可以用于测量陶瓷材料中的应力状态，以便预测它们的断裂风险。
3. 机械工程应力测量：拉曼光谱技术可以用于机械工程应力测量，例如汽车制造、飞机制造、船舶制造等。
通过测量拉曼光谱中的振动能级，可以推断机械工程系统中的材料应力状态，从而帮助优化制造过程和设备性能。
4. 生物医学应力测量：在生物医学领域，拉曼光谱技术可以用于测量组织中的应力状态。
例如，通过测量拉曼光谱中的
振动能级，可以推断肿瘤组织中的应力状态，从而帮助医生诊断和预测疾病发展。
拉曼光谱技术在应力测量中的应用非常广泛，它可以帮助人们更好地理解材料内部的应力状态，并为各种工程和应用领域提供高精度、非破坏性的应力测量方法。
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应力测试方法的概述
在几乎所有的机械设备中, 都有金属构件承受负载。
这些构件内部应力的大小及其变化是造成失效( 如疲劳等) 的主要原因。
金属构件内部应力的大小变化除了与其受力情况有关外, 还与其加工过程, 形变及周围的温度有关。
为了维护、检查这些和延长使用寿命, 长期以来人们很关注应力的检测。
应力的测量方法也很多, 如盲孔法、x 射线法、磁力法、超声方法等。
由于超声波所固有的特性, 如穿透能力强、仪器设备简单、测量速度快、低成本等, 利用超声波无损测量材料表面和内部的应力状况的潜力是显而易见的。
目前应力超声波测量的主要理论有:
1 声速与应力关系的Hu g h e s 和ke lly 理论
超声波测量应力方法是基于声弹性效应, 其理论基本假设为: ( 1 ) 固体连续性假设; ( 2 ) 声波的小扰动叠加在物体静态有限变形上; ( 3 ) 物体是超弹性的、均匀的; ( 4 ) 物体在变形中可视为等温或等熵过程。
1949 年Hughes 利用超声波测量晶体的三阶弹性常数, 以此为基础, 随后超声波应力测量技术得到了较大的发展。
1953 年Hughes 和Kelly 利用Lame 常数λ和μ, 以及Murnaghan 常数l 、m 和n提出了各向同性材料的声弹性理论表达式, 建立了超声波在材料中传播速度与应力之间的关系。
设固体不存在机械耗散过程，可得质点的运动方程为：
（1）
式中
是固体的单位体积中的势能, η是拉格朗日坐标下的应变矩阵, ai, xk( i , k =1 , 2 , 3 ) 是拉格朗日坐标和位移坐标。
这一方程是研究声波在固体中传播的基础。
利用( 1 ) 式, Hughes 和kelly 从理论上研究了各向同性中的波速与附加静压力或常应力的关系, 这些关系也是后来人们测量固体应力的理论基础。
选自变量为拉格朗日变量a , b , c , 质点位移用u , v, w 把表示, 由力学定律方程( 1 ) 可以写成
将上面方程中Ti j用位移表示, 最终可得出三个位移分量满足的波动方程组。
Hughes 和kelly 从理论上给出了六种情况将二个拉梅常数λ和μ三个默纳汉常数l , m, n 与应力联系起来。
( 1 ) 静压情况下纵波传播
Ti j=- p , Ti j=0 , i≠j , 假设位移分量与拉格朗日坐标成正比, 得u=αa , v=αb , w=αc 。
固体加了静压有纵波传播, 则三个位移分量为u=αa+Aej [ ωt - ( 1+a ) kta ],v=αb , w=αc , 定义频率为ω的波速为Vl P=ω/kl。
取到α的线性项, 最后可得:
Cl为P=0 时的波速。
2 ) 静压情况下横波传播
这时同理推出
( 3 ) 在纵波传播方向上加一个单向压应力情况
T11=- T, T22=T33=T23=T31=T12=0 。
三个位移分量为
可得：
( 4 ) b 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播纵波
这时可得：
( 5 ) b 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播横波
这时。
可得波速：
( 6 ) c 方向上加压力( 或拉力) a 方向传播横波
这时可得波速：
上面的6 个公式将声速与应力联系起来, 从而可通过声速的测定来得到应力的值。
2 基于声弹性双折射理论的应力测量
由于应力引起材料各向异性使得入射的横波分解成两个波[ 4], 这两个波的传播速度不同, 这种现象称为声弹性双折射。
考虑平面应力状态下的弱正交异性板, 取坐标系oxyz, 其中x, y 分别为主应力T1, T2的方向, z 为板材的厚度方向。
当有两个沿x, y 方向偏振的横波沿z 方向入射时, 有：
其中, Vzx, Vzy分别是沿x, y 方向的偏振, 沿z 方向传播的横波的波速; VT= ( Vzx+Vzy) /2 为两个横波的平均速度; α为织构效应引起的声各向异性, 对各向同性材料α=0 ; T1, T2为主应力; CA为声弹性双折射系数。
在实际应用中, 通常固定距离, 测量横波传播时间tzx, tzy, 则上表达式可写成:
此可以看出, 可以不用测定板的厚度, 仅通过传播时间的测量就可获得应力, 这是双折射方法的一大优点。
3 基于纵波声弹性公式的应力测量
利用纵波速度的变化可得：
Vzz为试件在平面应力T1, T2状态下纵波的传播速度; V0zz为无应力时的纵波速度; Cp为纵波声弹性系数。
在仅有轴向应力作用下, 纵波速度与应力关系为:
此公式是用超声波测定螺栓轴向应力的基础。
4 基于瑞利波声弹性公式的应力测量
对于平面应力的弱正交异性板, 瑞利波声弹性关系为:
式中, Ki j( i , j =x, y) 为表面波声弹性系数; Vx, Vy分别为平面应力状态下, 瑞利波沿主应力x 和y 方向的传播速度; V0x, V0y分别为无应力状态下, 瑞利波沿着应力x 和y 方向的传播速度。
通常V0x≠V0y, 对各向同性材料才有
V0x=V0y。
上式就是固体表面应力测量的理论基础。
从以上的原理可以看出, 这里得到的应力值是沿着声波传播路径上的平均应力。
在试件中声速的变化主要是来源于弹性模量和密度的改变, 但这两种变化都很小, 至多有0.1% , 因此, 应力测量的精度取决于声速测量的灵敏度。
目前自动声速测量的灵敏度可达10- 7~ 10- 8s , 相应的应力分辨率约几个MPa , 当然这里的应力分辨率与声波在式件中的声程有关, 声程越长分辨率越高, 反之越低。
5 存在的问题及发展方向
人们已从理论上得到了体波、瑞利波等非频散波的波速与应力的关系, 并在实践中得到了应用, 如螺栓应力的超声波测量等。
由于实际中工程构件的多样性和复杂性, 有些构件因几何尺寸的限制而不能应用现有的理论解决应力的超声波测量, 如薄板( 如1mm 厚) 内部的应力测量, 管状构件内部的应力测量等, 因此有必要对更为复杂的有频散性的导波与应力关系进行研究, 如薄板中的Lamb 波、SH 波等导波。
固体材料中的应力与声速的关系实际上体现了声波的非线性效应, 对于导波Lamb 波和SH 波由于自身组成的复杂性和波的频散性, 直到近年来才有人研究其非线性现象, 至今还没有得到其波速与应力的关系。
要想将Lamb 波等导波用于应力的测量还需理论上有所突破。
从理论上讲实际的应力包含了织构效应与应力效应。
织构效应可以在试无应力状态下进行测量, 但通常情况下都是未知的。
因此如何从实测的应力中去除织构效从而得到需要的应力效应部分, 是声弹性测量中一个关键问题。
对于织构效应的分离目前有了一些方法, 但要完全解决问题还需要进一步的研究。
利用超声波技术检测应力的基本原理是基于材料的声弹效应。
但由于超声波的声弹效应是一种弱效应, 应力引起的声速变化非常小, 要测出这个变化,
需要灵敏度和精度非常高的测量技术和仪器设备。
此外固体中的声速不仅依赖于固体中的应力而且还依赖于温度, 温度的影响体现在热膨胀系
数、密度、弹性常数的变化, 而温度对声速的影响和应力对声速的影响是在同一量级上, 目前解决的方法是利用微机系统建立波速与温度和应力的相互关系。
当前比较成熟超声波应力测量的应用有螺栓轴向应力测量, 铁路刚轨应力的测量等。
超声波应力测量即可以是试件加载应力的测量, 也可以是进行残余应力的测量。
理论上讲, 固体材料中的应力都可由声速反映出来, 因此超声波应力测量是超声波无损检测的重要内容, 但实际情况十分复杂, 致使应力的超声波应力测试技术仍处于发展阶段, 它所包括的超声学, 材料科学, 力学, 信号的检测及处理等针对性理论和相关实验设备及技术, 都有待于进行进一步的研究工作。