模型试验 PPT
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结构模型试验
结构模型的分类
• 间接模型试验的目的是要得到关于结构整体性 的反应如内力在各构件的分布情况、影响线等。 因此，间接模型并不要求和原型结构直接的相 似。例如框架结构的内力分布主要取决于梁、 柱等构件之间的刚度比，因此，构件的截面形 状、材料等不必要求直接与原型相似，为便于 制作，可采用圆形截面或型钢截面代替原型结 构构件的实际截面。随着计算技术的发展，许 多情况下间接模型试验完全可由计算机分析所 代替，所以目前很少使用。
• 数据准确:由于试验模型较小，一般可在试验环境条件 较好的室内进行试验，因此可以严格控制其主要参数， 避免许多外界因素的干扰，保证了试验结果的准确度。
模型试验理论基础
• 模型的相似要求和相似常数 1.几何相似
hm hp
bm bp
lm lp
Sl
SA Sl2 SW Sl3 SI Sl4
Sx
q
pl
4 p
EpIp fp
相似原理/第三相似定理
• 第三相似定理:单值条件相似、由其导出的相似 准数相等，是两个现象相似的充分必要条件。
• 根据第三相似定理，当考虑一个新现象时，只 要它的单值条件与曾经研究过的现象单值条件 相同，并且存在相等的相似准数，就可以肯定 它们的现象相似。从而可以将已研究过的现象 结果应用到新现象上去。第三相似定理终于使 相似原理构成一套完整的理论，同时也成为组 织试验和进行模拟的科学方法。
结构模型试验
王柏生
结构模型试验
• 结构模型试验与原形试验相比较，具有下述特点： • 经济性好:由于结构模型的几何尺寸一般比原型小很多，
因此模型的制作容易，装拆方便，节省材料、劳力和 时间，并且同一个模型可进行多个不同目的的试验。
• 针对性强:结构模型试验可以根据试验的目的，突出主 要因素，简略次要因素。这对于结构性能的研究，新 型结构的设计，结构理论的验证和推动新的计算理论 的发展都具有一定的意义。
模型试验
2.2.4.时间相似
对结构的动力问题，在随时间变化的过程 中，要求结构模型和原型在对应的时刻进行比 较，要求相对应的时间成比例。虽然不直接采 用St时间相似常数，但速度，加速度等物理量 都与时间有关，按相似要求它们在模型与原型 中应成比例。
2.2.5.边界条件和初始条件
在材料力学和弹性力学中，常用微分方程 描述结构的变形和内力，边界条件和初始条件 是求微分方程的必要条件。原型与模型采用相 同组微分方程和边界条件及初始条件描述。
3、模型设计
•
1 1 ~ 200 50 1 1 ~ 30 10
1 25
1 1 ~ 100 50
1 1 ~ 20 4 1 1 ~ 20 4 1 1 ~ 10 4
1 25
1 400
1 1 ~ 300 50
1 75
3、模型设计
模型尺寸不准确是引起模型误差的主要原因之 一。模型尺寸的允许误差范围和原结构的允许误 差范围一样，为5%，但由于模型的几何尺寸小， 允许制作偏差的绝对值就较小，在制作模型时对 其尺寸应倍加注意。 模板对模型尺寸有重要的影响，制作模型板 的材料应体积稳定，不随温度、湿度而变化。有 机玻璃是较好的模板材料，为了降低费用，也可 用表面覆有塑料的木材做模型，型铝也是常用的 模板材料，它和有机玻璃配合使用相当方便。
（三）体力加载 在结构模型试验中，体力是一项重要的荷载 ，它是指结构、基础结构及其地基岩土的自重。
5、模型制作与加载方法
通常施加体力的方法有： ①、用分散集中载荷代替自重 ②、用面力代替体力的方法 ③、选高容重、低强度模型材料。 （四）预应力加载 对于预应力钢筋砼或其它预应力结构，预应力 产生的载荷在模型在施加的方法一般有两种。一 是采用锚头和张拉设备；另一种方法是施加外载 ，但应在弹性范围内。
第3章 河工模型试验
由此求得模型糙率为： 由此求得模型糙率为： 上游： 上游： 下游： 下游：
nm = 0.0232 ~ 0.0371 nm = 0.0107 ~ 0.0186
坝下游来说，采用水泥沙浆粉面； 坝下游来说，采用水泥沙浆粉面；坝上游采用水泥 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方， 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方，进行小 范围的梅花加糙。 范围的梅花加糙。
12
3.2 变态定床河工模型
采用变态河工模型的原因
实验场地的限制 水流条件的限制 模型沙选择的限制 实验量测精度和时间的限制
13
3.2 变态定床河工模型
相似条件
满足重力相似
流速比尺：λu = λ 流速比尺：
1/ 2 h
λQ = λl λ3 / 2 h 流量比尺： 流量比尺：
λ n = λ l1 2 λ h− 2 3 重力相似和阻力相似同时满足： 重力相似和阻力相似同时满足：
h uc = k d
y
γs −γ gd γ
γ s――泥沙、水的容重； , γ 泥沙 水的容重； 泥沙、
――泥沙粒径 d 泥沙粒径 得起动流速比尺
λu
c
1 λh 1 2 2 λγ s −γ λd = λu = λ d γ
y
23
推移质运动的相似条件
输沙条件相似
由窦国仁推移质输沙率公式 式中： 式中：
k0 γ s u3 (u − uc′ ) gb = 2 C0 γ s − γ gω
γ
′ 止动流速 u――止动流速，一般取 止动流速， c
g b ――单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率 k――综合系数，对于全部底沙取为0.1； 综合系数， 0.1； 综合系数 对于全部底沙取为0.1 0
实验结构模型试验
SK
SP Sx
S SL2 SL
S SL
时间相似：动力学问题中，要求模型和原型的速度、加速度在对应的
时刻成比例，与其相应的时间也成比例；
St
t1m t1P
t2m t2 p
t3m t3P
边界条件相似：模型的支承和约束条件可以由与真型结构构造相同的
条件来满足和保证；
初始条件相似：动力学问题，包括：初始几何位置、质点位移、速
Sw SL S
面荷载相似常数：
Sq S
弯矩或扭矩相似常数：
SM SL3S
物理相似：要求模型与真型的各相应点的应力和应变、刚度和变形间的 关系相似；
正应力相似常数： 剪应力相似常数： 泊松比相似常数：
刚度相似常数：
S
m P
Em m EP P
SE S
S
m P
Gm m GP P
SGS
S
m P
几何相似
长度相似常数
面积、截面模量、惯性S矩L 相 似llmp常数bbmp
hm hp
m、p表示模型和真型
SA SL2
SW
S
3 L
S
位移、长度、应变之间关系，位移相似常数
I
S
4 L
Sx
xm xp
mlm plp
S SL
质量相似：在结构动力学问题中，要求模型与真型结构对应部分的质量成比例
Sm
m1m m1 p
模型试验与足尺结构试验相比，有一下特点： （1）经济性好； （2）数据准确； （3）针对性强； （4）可以在实验室内进行大型结构和整体结构的模型试验。
鉴于模型试验的以上特点，模型试验广泛用于验证和发展结 构设计理论，检验计算分析结果的准确性。
水动力试验课程ppt-2015-试验研究课程-第二讲-试验设施
船舶与海洋工程试验研究第二讲上海交通大学海洋工程国家重点实验室内容提要一、模型试验概述二、模型试验设施介绍三、国内外海洋工程水池概况四、我校海洋工程水池模型试验基础232005年秋季“卡特里娜”和“丽塔”飓风毁坏了墨西哥湾地区113座石油平台、457条油气管道。
恶劣的海洋环境是影响海洋工程设施安全性的重要因素1980年3月，北海的挪威“基兰”号石油平台被波涛吞没，死亡120多人。
模型试验研究的必要性4●海洋环境恶劣，海洋工程往往技术复杂、投资巨大、风险极高，其技术性能、安全性能和作业性能等均需要充分研究和论证。
●常用研究手段：数值模拟（Numerical Simulation ）模型试验（Model Test ）●结构有限元分析理论与软件（SESAM、NASTRAN等）均相当成熟，结构强度分析等可通过数值模拟来完成。
●在水动力性能分析方面，虽然凭借当今计算流体力学（CFD）的水平，可以进行数值模拟与计算，然而，由于计算中常引入诸多假定或经验数据，计算结果可靠度欠佳。
●因此，迄今为止，海洋工程界仍然一致认为水动力模型试验的结果最为可靠，并以此作为设计、建造浮式海洋平台的最终定夺。
●几乎任何一座浮式海洋平台的设计、建造都要进行物理模型试验。
5模型试验研究的作用●随着数值模拟技术和计算机技术的进步，模型试验研究的作用也在发生改变。
●早期，主要通过模型试验获得海洋工程结构物的水动力性能，并进行方案的优化设计。
●现在，方案设计的大量优化工作依据数值模拟结果在计算机上完成，模型试验主要用于对数值预报结果的验证，预报非线性和不可预知性的水动力特性，以及对优化设计方案技术性能的认证，并提供最直接和最可靠的性能依据。
●有时，模型试验还能够最直观地让我们发现未知现象，丰富对自然界的认识。
67FP 12.5m()原设计14.5m()更改设计原设计系泊链系泊系统支撑机构更改设计首部型线BZ25-1 FPSO 2002年~2003年挪威APL 公司委托交大进行的渤海BZ25-1 FPSO 系统工程试验研究中，发现浅水非线性水动力作用造成FPSO 运动与系泊力异常，进而部分更改了FPSO 型线和系泊系统的设计方案原设计现设计原方案试验80 0 0Time (s) 0Time (s)02001年美国SOFEC 公司委托交大进行的FPSO 系统试验研究中，发现设计方案会产生意外的波浪砰击现象。
建筑结构试验课件：结构模型试验
二、模型试验的理论基础
二、模型试验的理论基础
模型试验的理论基础是相似原理和量纲分析。相 似是指模型结构和原型结构的主要物理量或物理 过程相似。相似原理是指模型设计时需与原型结 构保持相似，包括过程相似、几何相似、质量相 似、荷载相似、应力与应变相似、时间相似、边 界条件和初始条件相似等，才能根据模型试验的 数据和结果推算出原型结构的数据和结果。
具有分布质量的试件，用密度表示更合适：
S
m p
Sρ：称为密度相似常数
密度相似常数可由质量相似常数和几何相似常数 表达：
S
Sm Sl3
二、模型试验的理论基础
c 荷载相似：荷载相似要求模型和原型在对应部位 所受的荷载大小成比例，方向相同。
Sp
pm pp
Am m Ap p
S Sl2
Sw S Sl
Sq S SM S Sl3
✓定量试验 通过模型试验直接得到原型结构的性能指标是模 型试验的主要目的
一、 概述
4. 按试验加载方法 ✓静力模型试验 ✓动力模型试验 ✓拟静力模型试验 ✓拟动力模型试验
5. 按模型试验模拟的受力复杂程度 ✓截面模型试验或节段模型试验 ✓局部模型试验 ✓整体模型
一、 概述
模型试验的特点
1. 经济性好 几何尺寸按比例缩小，可取原型结构的1/6~1/2， 有时可取1/20~1/10或者更小。模型制作容易， 装拆方便，节省材料、劳动力、时间和空间，并 且同一个模型可进行多个不同目的的试验。大幅 度降低加载设备的容量和使用。
二、模型试验的理论基础
2. 相似指标
两个系统中的相似常数之间的关系称为相似指标。
Pp
Pm
hp
hm
lp
bp
桥梁模型试验
5.辅助开关检查
城市轨道交通车辆检修
检查辅助开关时应测量开关触点的接触 阻值，同时还需检查机械部件的工作情 况。
此外，在高速开关使用到一定期限时， 应更换机构内所有底色弹簧部件。
第五章 桥梁模型试验
同济大学桥梁工程系版权所有
6.2 牵引及控制系统检修 二）高速断路器检修
城市轨道交通车辆检修
第五章 桥梁模型试验
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高速断路器典型结构和主要部件
城市轨道交通车辆检修
高速断路器典型结构
1 主电路 2 脱扣装置 3 闭合装置 4 辅助触点
5 灭弧罩 6 下部连接 7 动触点 8 左连接
9 右连接 10 盖子 11 托盘 12 导轨
第五章 桥梁模型试验
同济大学桥梁工程系版权所有
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第五章 桥梁模型试验
概述
按不同试验目的设计桥梁模型
相似模型——仿造原型，按一定的比例关系，具有 全部或部分原型的结构特性。要求能把模型试验结 果翻回原型。一般用于检验设计或提供设计依据。
缩尺模型——缩小的原型试验代表物，不要求满足 严格的相似条件，只要求与原型大体相似。一般将 试验结果与理论计算对比，用来验证新理论或新计 算方法。
第五章 桥梁模型试验
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6.2 牵引及控制系统检修
二
牵引逆变器检修
城市轨道交通车辆检修
一）牵引逆变器简介
VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模 式，早期城轨车辆VVVF的功率元件是 GTO，近年来，随着IGBT技术的不断发 展，目前VVVF的功率元件已经普遍采用 IGBT元件。牵引逆变器的设计一般为模 块化。
1 叉杆 2 闭合杆 3 前盖板 4 闭合线圈 5 线圈芯组件 6 后盖板
城市轨道交通车辆检修
检查辅助开关时应测量开关触点的接触 阻值，同时还需检查机械部件的工作情 况。
此外，在高速开关使用到一定期限时， 应更换机构内所有底色弹簧部件。
第五章 桥梁模型试验
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6.2 牵引及控制系统检修 二）高速断路器检修
城市轨道交通车辆检修
第五章 桥梁模型试验
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高速断路器典型结构和主要部件
城市轨道交通车辆检修
高速断路器典型结构
1 主电路 2 脱扣装置 3 闭合装置 4 辅助触点
5 灭弧罩 6 下部连接 7 动触点 8 左连接
9 右连接 10 盖子 11 托盘 12 导轨
第五章 桥梁模型试验
同济大学桥梁工程系版权所有
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第五章 桥梁模型试验
概述
按不同试验目的设计桥梁模型
相似模型——仿造原型，按一定的比例关系，具有 全部或部分原型的结构特性。要求能把模型试验结 果翻回原型。一般用于检验设计或提供设计依据。
缩尺模型——缩小的原型试验代表物，不要求满足 严格的相似条件，只要求与原型大体相似。一般将 试验结果与理论计算对比，用来验证新理论或新计 算方法。
第五章 桥梁模型试验
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6.2 牵引及控制系统检修
二
牵引逆变器检修
城市轨道交通车辆检修
一）牵引逆变器简介
VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模 式，早期城轨车辆VVVF的功率元件是 GTO，近年来，随着IGBT技术的不断发 展，目前VVVF的功率元件已经普遍采用 IGBT元件。牵引逆变器的设计一般为模 块化。
1 叉杆 2 闭合杆 3 前盖板 4 闭合线圈 5 线圈芯组件 6 后盖板
相似理论与模型试验ppt课件
对于原型：
Fp M pap
(1)
对于模型
Fm M mam
(2)
如果模型与原型相似，则各对应物理量成比例：
Fm SF Fp
mm Smmp
am Saap
(3)
力相似常数
质量相似常数
加速度相似常数
将(3)代入(2)，与(1)相比有：
相似指标
SF SmSa
Fp
mpap
SF 1
(4)
SmSa
（4）式为判别模型与原型是否相似的条件，称为相似指标，若两 个物理系统现象相似，则它们的相似指标为1。
面积相似常数
截面抵抗矩相 似常数
惯性矩相似常 数相似常数
SA
Am Ap
hm bm hp bp
Sl2
SW
Wm Wp
1 6
bm
h2 m
1 6
bp
h2 p
Sl3
SI
Im Ip
1 12
bm
h3 m
1 12
bp
h3 p
Sl4
2.质量相似
➢ 要求模型与原型结构对应部分质量成比例。
➢ 质量之比称为质量相似常数。 代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。
假若确定a1 , a4, a5,则：
n-k 个导出量的量纲可用基本量纲表示：
量纲表示：麦克斯韦尔符号，比如[L],[M],[T]，表示长度，质量和时间的量纲。
对于具有分布质量部分，用质量密度ρ表示。 将上式代入模型系统，得：
将上式并与模型系统相比较，得相似准数如下
将各物理量的相似常数代入上式，即得相似条件
由第二相似定理，可以有：
模型系统各物理量为 由于 π 数对于相似的物理现象具有不变的形式，故模型设计时需模型物理量与原型物理量满足下式，即：
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【模型结构动力试验分析】通过对模型动态响应 规律的分析验证理论,为拟建结构选择合理的结构 形式,为既有结构的合理使用提供建议。斜张桥 1/160全模型风洞试验。
❖5.2 相似概念
❖ 一、相似的含义（P183） ❖ 二、相似量的表达
❖ 1. 几何相似
❖ 2. 荷载相似 ❖ 3. 时间相似 ❖ 4. 质量相似
❖一 、模型试验的优点
1. 经济性好；2. 针对性强；3. 数据准确。
图5.1 分析方法的比较
❖ 二、模型试验的应用范围
1. 代替大型结构试验或作为大型结构试验的 辅助试验；
2. 作为结构分析计算的辅助手段； 3. 验证和发展结构设计理论。
【桥梁结构试验】是验证设计理论，把握复杂受力 区域最好的方式。桥梁结构试验是研究模拟理论、 试验设备研发、测试方法、试验数据处理等方面。
❖5.3 模型设计（P190自学）
【思考题】
1.下列试验中可以不遵循严格的相似条件的是 ( )。 A.缩尺模型试验 B.相似模型试验 C.足尺模型试验 D.原型试验
2. 研究结构在荷载作用下的弹性、弹塑性直 至破坏各阶段全过程结构的模型试验的优点，做如下表
2）两个同量纲参数的比是无量纲参数，其值不随 所取单位的大小而变。
3）一个完整的物理方程式中，各项的量纲必须相 同，因此方程才能用加、减并用等号联系起来， 这一性质称为量纲和谐。
❖ 比如，在
中，只有各项的量纲相同，
该方程才能成立。
4）组合量纲可以和基本量纲组成无量纲组合，基 本量纲之间不能组成无量纲组合。一个组合量纲 与其他量纲至少能够组成一个无量纲组合。
❖ 三、相似原理（P184） ❖ 四、量纲分析（P186）
1.量纲、无量纲量
量纲（因次）：表征各种物理量性质和类别的标志。
❖ 是指物理量所包含的基本物理要素及其结合形式， 表示物理量的类别，是物理量的质的特征。
❖ 在量度物理量数值大小的标准（单位）确定之后， 一个具体的物理量就对应于一个数值，有了比较意 义上的大小，这是物理量的量的特征。
述中，哪一点是不对的?( ) A，制作复杂，技术要求高 B．可以根据试验目的，突出主要因素，针 对性强 C. 可以严格控制其主要参数，避免许多外 界因素干扰，保证数据准确 ． D．只能表达实体的指定特征
4. 原型试验的对象是( )。
A.满足几何相似的模型
B.实际的结构或构件
C.满足力学相似的模型
D.满足材料相同的结构或构件
第5章 模型试验
❖5.1 概述
模型试验是按照真实的结构或者真实的构 件，按照比例、材料，比例相似、尺寸相似、 材料相似、荷载也相似要求做成比较小的构件， 一般的是在试验室来做，成本相对较低且可反 复观察，所以是结构试验当中用的最多的，尤 其是科学研究性试验中多采用。
采用模型试验时，相似设计要求模型和原 型能描述同一物理现象，要求模型材料和原型 材料的物理性能、力学性能和加工性能。
5.用量纲分析法进行结构模型设计时，下列量
纲不属于基本量纲的是（ ）。
A．质量M
B．应力σ
C．长度L
D．时间T
6. 建筑结构的模型试验的优点,如下表 述中,( ）是不对的。 A． 制作容易，节省材料、时间、人力 B．可以根据试验目的,突出主要因素,针 对性强 C． 可以严格控制其主要参数，避免许 多外界因素干扰，保证数据准 D． 能表达实体的一切特征
❖ 量纲可分为基本量纲和诱导量纲。
基本量纲：互不依赖，互相独立的量纲。
基本量纲具有独立性，比如与温度无关的动力 学问题可选取长度[L]、时间[T]和质量[M]为基本量 纲。
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
9
❖ 2.量纲性质
1）两个物理量相等，是指不仅数值相等，而且量 纲也要相同。