土壓力傳感器匹配誤差的有限元模擬實(shí)例分析

張勝利 王君樓 宋洪江

摘要:土壓力量測是土木工程技術(shù)中的重要內(nèi)容,研究傳感器的匹配誤差是傳感器應(yīng)用和發(fā)展中的重要一環(huán)。本文通過對雙膜活塞式土壓力傳感器匹配誤差的有限元模擬,對該問題的機(jī)械能了初步探析。

關(guān)鍵詞:土壓力傳感器匹配誤差有限模擬實(shí)例分析

中圖分類號:TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0096-01

土壓力量測是土木工程技術(shù)中的重要內(nèi)容,是土力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)研究的一個基本方面,是工程測試中的主要內(nèi)容之一。大量實(shí)際工程間題的解決,常常主要依靠現(xiàn)場土壓力直接的量測結(jié)果。

由于傳感器的物理和力學(xué)性質(zhì)不可能完全相同,傳感器必將改變土體中原因的應(yīng)力場,傳感器上感應(yīng)到的應(yīng)力和原有應(yīng)力場有差異。這種因傳感器和介質(zhì)性質(zhì)差異帶來的誤差通常稱為匹配誤差。有試驗(yàn)表明,這種匹配誤差可以達(dá)到實(shí)際值的一倍甚至幾倍,對試驗(yàn)結(jié)果有至關(guān)重要的影響。研究土壓力傳感器在土體中的工作狀態(tài),對傳感器的匹配誤差進(jìn)行定性、定量分析,是傳感器測試技術(shù)重要一環(huán)。

本文研究土壓力傳感器在應(yīng)用中的性能,主要分析土壓力傳感器對土介質(zhì)中應(yīng)力場的影響,并據(jù)此進(jìn)行的工作誤差的分析。具體方法為:針對目前使用較多的雙膜活塞式土壓力傳感器,通過數(shù)值模擬及理論分析,了解其工作機(jī)理及性狀,確定匹配誤差較小的土壓力傳感器幾何尺寸、結(jié)構(gòu)形式、模量等參數(shù),對元件設(shè)計及使用提出有針對性的建議,并為以后的室內(nèi)試驗(yàn)提供有價值的參考數(shù)據(jù)。

1匹配誤差研究方法

傳統(tǒng)研究方法包括理論研究和試驗(yàn)研究兩方面。

1947年美國水道試驗(yàn)站(WES)的泰勒(D.W.Taylor)就提出了理論公式,此后YCLoh,KRPeattic和RWSparrow對泰勒的公式進(jìn)行了應(yīng)用推廣,此后他們進(jìn)行了自己推導(dǎo)。此外前蘇聯(lián)巴蘭洛夫(Д.С.Ьараноь)、美國阿寶特(P.A.Абботт)、丹麥V.Askergcard等對該問題進(jìn)行了理論推導(dǎo)并得到一定成果。這些公式均考慮了土介質(zhì)和傳感器的共同作用,可以將匹配誤差表示為與傳感器高徑比、傳感器與土介質(zhì)模量比的函數(shù)。主要體現(xiàn)為:(1)在相同情況下,匹配誤差隨模量比增大而增大,但增大趨勢逐步趨緩,并漸趨穩(wěn)定;(2)在其它因素相同情況下,匹配誤差隨厚徑比增大持續(xù)增大。

匹配問題試驗(yàn)常用裝置是不同尺寸和結(jié)構(gòu)的土壓箱,按應(yīng)力模式分單軸和三軸兩種形式,壓力源則有靜態(tài)和動態(tài)之分。剛硬連續(xù)介質(zhì)常用水泥和石膏模擬;普通土介質(zhì)則方法多樣。由于各個學(xué)者方法、條件各不相同,得出的結(jié)論在定性趨勢上基本能驗(yàn)證理論研究成果,但對匹配誤差的數(shù)值結(jié)論則各不相同。

隨著技術(shù)的發(fā)展,有限元技術(shù)逐漸被應(yīng)用到該問題研究中。北京大學(xué)杜志斌、總參工程兵三所曾輝等人都進(jìn)行了卓有成效的研究。

本文通過對雙膜活塞式土壓力傳感器的有限元模擬,對該問題進(jìn)行分析,為該問題的進(jìn)一步研究提供經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。

2雙膜活塞式土壓力傳感器工作原理

雙膜活塞式土壓力傳感器結(jié)構(gòu)主要包括:承壓板、感應(yīng)板、應(yīng)力傳遞部分、感應(yīng)電路、電纜、傳感器壁、密封裝置等。

雙模土壓力傳感器的最大特點(diǎn)是:剛性活塞狀感壓面板周邊支承在環(huán)狀變形膜上,當(dāng)活塞板受到土介質(zhì)的反力時,產(chǎn)生的變形主要是平移而不是撓曲。這種平移變位可以設(shè)計得很小,只要介質(zhì)反力的平均數(shù)值相同,不論介質(zhì)反力由于粒徑不同而產(chǎn)生的微觀的非均布狀態(tài)有何不同,其產(chǎn)生的平移變位基本相同。因此,不管外膜接觸的是什么樣的土介質(zhì),內(nèi)膜總是在相同的受力模式下下產(chǎn)生彈性撓曲變形。同時,由于外膜變位的性質(zhì)是平移,其平均變位量相對較小,這種微量的平移對接觸介質(zhì)反力狀況的影響要遠(yuǎn)比單膜盒膜片撓曲變形所產(chǎn)生的影響小得多。

3傳感器有限元計算模型

由于雙膜土壓力傳感器的位移模式主要是平面平移,其撓曲變形相對于很小,因此可以將其簡化為剛性板平面位移,其位移方向與所測試壓力方向一致。為此,將其簡化為兩塊橫向剛性板中間用垂向彈簧連接的情況,由于土壓力傳感器為圓形,因此將其轉(zhuǎn)化為軸對稱模型。

在采用的數(shù)值模擬軟件中,彈簧單元只能施加在節(jié)點(diǎn)之間。由于劃分網(wǎng)格時上下鋼板在直徑方向?yàn)槠骄鶆澐?因此彈簧單元也在直徑方向平均分布,在軸對稱節(jié)點(diǎn)之間即為徑向等距分布的彈簧單元。在彈簧單元等間距取等剛度的情況下,由于外部彈簧間距之間代表的圓環(huán)面積更大,因此邊緣將會出現(xiàn)比中心更大的垂向變形。

計算中將該模型放在土體中,軸對稱模型尺寸為0.5m×1.0m,避免邊界效應(yīng)對計算結(jié)果的影響。

4計算結(jié)果分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),傳感器匹配誤差與土體與傳感器模量比、傳感器高徑比等因素密切相關(guān)。因此主要驗(yàn)證兩者對匹配誤差的影響。

4.1 介質(zhì)/傳感器模量比對匹配誤差的影響

變換土壓力傳感器與土體模量比(Eg/Es)進(jìn)行計算,模量比按0.03、0.1、0.3、1、5、10、30、100選取,共8組。標(biāo)準(zhǔn)荷載取為200kPa,土壓力傳感器尺寸為直徑18cm,高2.5cm,上下剛性板厚度取為5mm,中間彈簧初始長度為15mm。

計算結(jié)果表明:(1)當(dāng)Eg/Es<1時,匹配誤差小于0,Eg/Es>1時匹配誤差范圍大于0;(2)當(dāng)其它條件固定時,匹配誤差隨Eg/Es呈正相關(guān):Eg/Es<1時匹配誤差絕對值隨Eg/Es<1增大,且無穩(wěn)定跡象;當(dāng)Eg/Es>1時,匹配誤差隨Eg/Es增大而增大,但漸趨穩(wěn)定;(3)計算值介于巴蘭洛夫公式計算值、改進(jìn)剛模法計算值之間。

4.2 傳感器高徑比比對匹配誤差的影響

計算方法類似模量比變化計算。根據(jù)計算結(jié)果得到高徑比變化時的匹配誤差分布曲線,并與應(yīng)用較廣的巴蘭洛夫公式進(jìn)行比較。根據(jù)傳感器高徑比變化情況下的計算,可以得到以下規(guī)律:(1)隨傳感器的高徑比增大,其匹配誤差絕對值相應(yīng)增大;(2)Eg/Es遠(yuǎn)小于1時傳感器匹配誤差隨高徑比增大非線性增大;模量比為10時傳感器匹配誤差變化隨隨高徑比增大基本呈線性增大。

5結(jié)語

(1)計算結(jié)果基本符合經(jīng)典理論趨勢和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)。證實(shí)了用有限元方法模擬該類型傳感器的可行性。

(2)在相同的傳感器模型和模量比下,兩種不同參數(shù)土介質(zhì)中傳感器匹配誤差不同。經(jīng)典理論中也有認(rèn)為匹配誤差與土介質(zhì)其他性質(zhì)有關(guān)的,比如阿寶特公式、泰勒公式都考慮了土介質(zhì)的強(qiáng)度參數(shù)。該問題值得繼續(xù)研究。

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