土压力传感器匹配误差的有限元模拟实例分析

摘要:土压力量测是土木工程技术中的重要内容,研究传感器的匹配误差是传感器应用和发展中的重要一环。本文通过对双膜活塞式土压力传感器匹配误差的有限元模拟,对该问题的机械能了初步探析。

关键词:土压力传感器 匹配 误差 有限 模拟实例 分析

中图分类号:TP212.9文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)04(c)-0096-01

土压力量测是土木工程技术中的重要内容,是土力学理论和实验研究的一个基本方面,是工程测试中的主要内容之一。大量实际工程间题的解决,常常主要依靠现场土压力直接的量測结果。

由于传感器的物理和力学性质不可能完全相同,传感器必将改变土体中原因的应力场,传感器上感应到的应力和原有应力场有差异。这种因传感器和介质性质差异带来的误差通常称为匹配误差。有试验表明,这种匹配误差可以达到实际值的一倍甚至几倍,对试验结果有至关重要的影响。研究土压力传感器在土体中的工作状态,对传感器的匹配误差进行定性、定量分析,是传感器测试技术重要一环。

本文研究土压力传感器在应用中的性能,主要分析土压力传感器对土介质中应力场的影响,并据此进行的工作误差的分析。具体方法为:针对目前使用较多的双膜活塞式土压力传感器,通过数值模拟及理论分析,了解其工作机理及性状,确定匹配误差较小的土压力传感器几何尺寸、结构形式、模量等参数,对元件设计及使用提出有针对性的建议,并为以后的室内试验提供有价值的参考数据。

1 匹配误差研究方法

传统研究方法包括理论研究和试验研究两方面。

1947年美国水道试验站(WES)的泰勒(D.W.Taylor)就提出了理论公式,此后YCLoh,KRPeattic和RWSparrow对泰勒的公式进行了应用推广,此后他们进行了自己推导。此外前苏联巴兰洛夫(Д.С.Ьараноь)、美国阿宝特(P.A.Абботт)、丹麦V.Askergcard等对该问题进行了理论推导并得到一定成果。这些公式均考虑了土介质和传感器的共同作用,可以将匹配误差表示为与传感器高径比、传感器与土介质模量比的函数。主要体现为:(1)在相同情况下,匹配误差随模量比增大而增大,但增大趋势逐步趋缓,并渐趋稳定;(2)在其它因素相同情况下,匹配误差随厚径比增大持续增大。

匹配问题试验常用装置是不同尺寸和结构的土压箱,按应力模式分单轴和三轴两种形式,压力源则有静态和动态之分。刚硬连续介质常用水泥和石膏模拟;普通土介质则方法多样。由于各个学者方法、条件各不相同,得出的结论在定性趋势上基本能验证理论研究成果,但对匹配误差的数值结论则各不相同。

随着技术的发展,有限元技术逐渐被应用到该问题研究中。北京大学杜志斌、总参工程兵三所曾辉等人都进行了卓有成效的研究。

本文通过对双膜活塞式土压力传感器的有限元模拟,对该问题进行分析,为该问题的进一步研究提供经验和基础。

2 双膜活塞式土压力传感器工作原理

双膜活塞式土压力传感器结构主要包括:承压板、感应板、应力传递部分、感应电路、电缆、传感器壁、密封装置等。

双模土压力传感器的最大特点是:刚性活塞状感压面板周边支承在环状变形膜上,当活塞板受到土介质的反力时,产生的变形主要是平移而不是挠曲。这种平移变位可以设计得很小,只要介质反力的平均数值相同,不论介质反力由于粒径不同而产生的微观的非均布状态有何不同,其产生的平移变位基本相同。因此,不管外膜接触的是什么样的土介质,内膜总是在相同的受力模式下下产生弹性挠曲变形。同时,由于外膜变位的性质是平移,其平均变位量相对较小,这种微量的平移对接触介质反力状况的影响要远比单膜盒膜片挠曲变形所产生的影响小得多。

3 传感器有限元计算模型

由于双膜土压力传感器的位移模式主要是平面平移,其挠曲变形相对于很小,因此可以将其简化为刚性板平面位移,其位移方向与所测试压力方向一致。为此,将其简化为两块横向刚性板中间用垂向弹簧连接的情况,由于土压力传感器为圆形,因此将其转化为轴对称模型。

在采用的数值模拟软件中,弹簧单元只能施加在节点之间。由于划分网格时上下钢板在直径方向为平均划分,因此弹簧单元也在直径方向平均分布,在轴对称节点之间即为径向等距分布的弹簧单元。在弹簧单元等间距取等刚度的情况下,由于外部弹簧间距之间代表的圆环面积更大,因此边缘将会出现比中心更大的垂向变形。

计算中将该模型放在土体中,轴对称模型尺寸为0.5m×1.0m,避免边界效应对计算结果的影响。

4 计算结果分析

根据经验,传感器匹配误差与土体与传感器模量比、传感器高径比等因素密切相关。因此主要验证两者对匹配误差的影响。

4.1 介质/传感器模量比对匹配误差的影响

变换土压力传感器与土体模量比(Eg/Es)进行计算,模量比按0.03、0.1、0.3、1、5、10、30、100选取,共8组。标准荷载取为200kPa,土压力传感器尺寸为直径18cm,高2.5cm,上下刚性板厚度取为5mm,中间弹簧初始长度为15mm。

计算结果表明:(1)当Eg/Es<1时,匹配误差小于0,Eg/Es>1时匹配误差范围大于0;(2)当其它条件固定时,匹配误差随Eg/Es呈正相关:Eg/Es<1时匹配误差绝对值随Eg/Es<1增大,且无稳定迹象;当Eg/Es>1时,匹配误差随Eg/Es增大而增大,但渐趋稳定;(3)计算值介于巴兰洛夫公式计算值、改进刚模法计算值之间。

4.2 传感器高径比比对匹配误差的影响

计算方法类似模量比变化计算。根据计算结果得到高径比变化时的匹配误差分布曲线,并与应用较广的巴兰洛夫公式进行比较。根据传感器高径比变化情况下的计算,可以得到以下规律:(1)随传感器的高径比增大,其匹配误差绝对值相应增大;(2)Eg/Es远小于1时传感器匹配误差随高径比增大非线性增大;模量比为10时传感器匹配误差变化随随高径比增大基本呈线性增大。

5 结语

(1)计算结果基本符合经典理论趋势和实际使用经验。证实了用有限元方法模拟该类型传感器的可行性。

(2)在相同的传感器模型和模量比下,两种不同参数土介质中传感器匹配误差不同。经典理论中也有认为匹配误差与土介质其他性质有关的,比如阿宝特公式、泰勒公式都考虑了土介质的强度参数。该问题值得继续研究。

参考文献

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