相似模拟实验与测试技术介绍

• 相似理论是研究自然界相似现象的相似原理的一 门科学，它提供了确定相似判据的方法，是指导 模型试验、整理试验结果，并将试验结果应用于 原型的理论基础。
• 现象相似，是指两个现象在性质和功能上的相似。 现象相似又称为系统相似，”系统”是指由意义 明确的关系所联系在一起的物理量的集合。一般 说来，系统可用数学模型来描述。反映系统本质 规律的数学方程组，加上某些单值条件便确定了 一个系统。数学模型为我们判断系统相似提供了 极大的方便。
相似模拟实验与测试技术
采矿工程硕士11级
安徽理工大学能源学院 钱 彪 2012.4
基本概念
• 1.岩石力学模拟方法 （analog method for rock mechanics） 根据相似原理，运用矿山岩石力学 的理论与法则， 在模型上研究岩体在各种不同受力状 态下产生变 形和破坏规律的方法。
• 岩石力学模拟方法，包括数学模拟和物理模拟。数 学模拟灵活方便，随着电子计算机的发展，用以解 决的 问题越来越广泛和富有成效。物理模拟，既 能全面模拟 原型，又能直观地显示岩石的力学过 程。这两种模拟方 法配合于原型研究，往往是解 决复杂岩石力学课题的 有效途径。
基本概念
• 岩石力学的研究对象，主要是作为地质体一部分 的工程 岩体。这种复杂的介质，处于多因素同时作用的 地质环 境中，又受到工程活动的干扰，矿山工程的原型 研究必 然存在难以克服的问题，诸如:(l)导致岩石变 形和破坏的 因素很多，如果抑止其余因素而只单独研 究某一因素的 作用，就妨碍了理性认识的深化。(2)每 个矿区的地质及 工程条件相差很大，某一矿区的试验 研究成果，很难直 接用于其他矿区。(3)就现有测试手 段，不能探测全矿区 尤其是深部岩体破坏状态，获取全 部资料。(4)试验研究 周期长，花费人力及资金多。然而 模拟研究却可在一定 程度上克服以上问题，因而成为 了岩石力学研究中不可 替代的有效方法之一 .
基本要求
• 1.对于相似理论，应作到内容熟、概念清，能灵活、熟练 地应用，同时搞清其使用的条件和限制。
• 2.对于相似材料，要求了解以石膏为主要成分的脆性相似 材料的力学性能；掌握材料配比的原则和用正交试验进行 材料配比的方法；初步学会测定材料力学指标的手段。
• 3.对于模型设计，要求初步掌握从立项、选择相似材料、 试验设备、测试方法到模型试验的整个程序。
• 3.李鸿昌.矿山压力的模拟试验.中国矿业大学
出版社.1988
• 4.袁文忠.相似理论与静力学模型试验.西南交
大出版社.1998
1.相似理论
1.1 相似的概念
• 相似现象存在于自然、人类社会和人们的思维活动中。 文学修辞中的比喻；表演艺术中的神似和形似；飞机和鸟 儿的飞行。
• 几何相似 三角形相似条件：对应角相等，对应边成比例（比例系
• 模型试验的优点：直观性；单因素分析（试验对象的主要 参数可控、主要因素影响可重复试验）；省时、省力、省 物；适应性（弥补数学分析的不足）。
• 模拟试验的局限性：相似条件/ 细部模拟/ 测试技术/ 干扰
课程教学
• 课程主要内容 • 1.相似理论 相似 相似三定理 单值条件 • 2.相似材料 • 3.模型设计与制作 • 4.相似实验测试 • 5.研究实例与实验 • 课程考查：作业、实验、考试
数相等）。 • 相似关系分类：纵向相似-由于客观事物内部的物理、化
学联系而形成相似关系；横向相似-由于系统与系统之间 的相互联系和相互作用而形成的相似关系。相似现象：动 力相似 几何相似 现象相似 本质相似 静态相似 动态相似 宏观相似 微观相似 • 物理相似：指具有相同性质的现象间的相似，如运动相似、 动力相似等。 • 数学相似：能被相同的数学表达式描述，具有不同性质的 物理现象间的相似。
模型试验
• 模型与原型——将所研究的对象根据相似原理按比例制成 的物体或系统叫模型。被研究的对象称为模型的原型。
• 模型试验——按一定的几何、物理关系，用模型代替原型 进行测试研究，并将试验结果用于原型的试验方法。
• 模型试验的主要作用： 1.对复杂的、难以建立准确的数学模型的结构的力学行为 进行研究，为设计和施工方案提供参考依据，直接服务于 工程目的； 2.为建立新的理论或数学模型提供依据； 3.检验新理论或数学模型的正确性和实用性。
基本概念
• 2.岩石力学物理模拟 （physical analog for rock mechanics ）矿山 岩石力学研究中的物理模拟， 包括相似材料模拟、光测 弹性材料模拟、底摩擦模拟及 离心模拟。
• 相似材料模拟，是采用力学上相似于原型材 料的人工材 料，按一定比例建造一个相似于原型的力 学结构系统， 施以相似于原型的载荷和工程活动，借以 研究原型的力 学过程及其结果。
基本概念
• 3.相似原理 （theory of similarity ） 关于不 同规模物理现象保持相似的条件的学说，
是用于指导 实验的理论。在实验研究中通常要解 决以下三个问题: • ①实验中应该测量哪些物理量? • ②实验的结果应整理 成什么形式? • ③实验求得的公式可以推广应用到什么 样的范围 中去? • 相似原理正是针对这些问题从实践中 总结出来并 用以指导实验研究的理论基础。
• 4.对于模型试验，要求了解模型制作、试验实施的全过程。 对线弹性模型试验、破坏模型试验和地质力学模型试验等 三种模型试验的特点和任务有所了解。
• 5.学会数据的处理方法。
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参考文献
• 1.李晓红.岩石力学模拟技术. 科学出版社.2007 • 2.顾大钊.相似材料与相似模型.中国矿业大学
出版社.1995
1.2 相似三定理
• 光测弹性材料模拟也 是以模型研究原型的力学问题，相 似条件只有其结构 材料的弹性性质及型体的几何尺寸， 研究的内容仅局 限于弹性范围内的应力分布状态。
• 底摩擦模拟，是把结 构模型置于可定向平移的底盘上， 借运行的底盘与模 型之间产生的摩擦力模拟重力，研究 工程岩体在重力 场中的破坏机制。
• 离心模拟是以离心力模拟重力的模 拟实验方法。