以学为中心的现代工程测试技术实验教学探索

“现代工程测试技术”是国内部分高校工科类专业的本科生所必修的一门课程。目前,该课程存在实验对象形式简单、测试方法单一等问题。针对以上问题,开展了以学为中心的实验教学探索。分别设计了一种环形和一种弧形机翼结构模型代替原有的悬臂直梁式机翼结构模型作为实验对象,在原应变测量的基础上增加了使用激光位移传感器和数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法进行位移测量、有限元模拟三部分内容。学生对新的机翼结构模型表现出了较大的好奇心,新增的实验方法和有限元模拟也进一步丰富了该课程的教学内容。通过这些探索,可以使学生掌握新的测试方法,调动其课堂积极性和主动性,增强其运用所学理论解决实际问题的能力,显著提升教学效果和质量。

一种新型抗畸变激光光斑检测算法研究

为了研究大坝内部的沉降和水平位移,设计了一种精密的微位移测量装置。其中,基于二维图像处理的激光光斑位移检测算法为该装置重要的组成部分。本文提出了一种抗畸变激光光斑中心检测算法,通过对原始光斑进行阈值分割,得出光斑发散部分的图像,并通过闭操作和高斯滤波对之进行降噪和平滑。然后,用sobel算子对其进行边缘检测,从而得出较为光滑的边缘轮廓。最后,对其进行抗畸变激光光斑中心检测算法的处理,确定光斑中心。同时,又通过实验装置来采集一系列激光光斑图像,并用传统激光光斑中心检测算法和抗畸变激光光斑中心检测算法对其进行了处理并进行比较。结果表明,抗畸变激光光斑中心检测算法精度最高,有效消除了远距离光斑的畸变对光斑中心计算的影响。

基于激光位移传感器的厚度测量校准系统设计及应用

为了提高钢板厚度校准的精度和安全性,针对传统接触式测厚仪精度低和射线类测厚仪存在辐射风险的问题,设计了一种基于激光位移传感器的差分非接触厚度测量校准系统。该系统采用差分测量结构,将激光位移传感器分别放置在待测钢板的顶部和底部,通过对传感器数据的采样和计算,实现钢板厚度的准确测量。硬件电路方面采用了STM32核心芯片进行设计,系统软件部分进行了相应的优化设计。试验后,系统重复性精度可达±0.1%,测量允许误差优于±0.05%,同时测量漂移控制在钢板厚度的±0.1%范围内。该系统不仅显著提高了测量精度,同时有效降低了测量过程中的安全风险,在钢板生产和加工领域具有重要的指导意义和应用价值。

量子自旋调控的微位移检测系统设计与测量

以氮空位(NV)色心磁强计为基础,量子自旋调控为技术手段,结合空间梯度磁场的均匀变化,实现基于固态量子自旋的高精度微位移检测。首先,通过永磁体构建均匀变化的梯度磁场,并获得梯度磁场与位移的关联关系;其次,搭建量子自旋调控系统,并通过光探测磁共振(ODMR)确定自旋共振频点,利用拉比振荡(Rabi)确定量子调控翻转周期,完成拉姆齐(Ramsey)序列参数的测定;最后,基于Ramsey磁场测量原理,完成Ramsey所对应的荧光强度与磁场梯度变化的测试,进而实现微位移的高分辨测量,位移的最小可分辨力约为104 nm。

高速公路泥岩隧道围岩压力试验研究

以宝天高速公路天水过境段梁家山泥岩隧道为工程背景,通过现场测试,研究了围岩拱顶下沉、围岩与初期支护接触压力、钢拱架应力和初衬与二衬接触压力随时间变化规律及分布特征,并应用现有的理论和方法对实际工程安全状态进行评估。研究结果表明:以隧道开挖空间效应和Chern经验公式两种理论方法对拱顶沉降数据进行分析处理,所得到的隧道极限位移相差较小;围岩与初期支护压力的分布具有不均匀性特点;钢拱架外缘应力平均值大于内缘,拱顶处应力大于其他部位,按其推算得到的拱顶沉降极限位移更接近于实际情况;初衬与二衬间接触压力先迅速增加后逐渐较小最后趋于稳定,其稳定值整体偏小。

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.

厦门翔安海底隧道CRD法中各施工部对拱顶下沉的影响分析

文章以厦门翔安海底隧道陆域段软弱地层大断面浅埋隧道CRD法施工为工程背景,结合现场位移监控量测和实际施工情况,对不同开挖顺序下CRD法中各施工部对拱顶下沉的影响进行了分析研究。研究结果表明,翔安隧道CRD法拱顶下沉为台阶状上升曲线,最后趋于稳定;各分部开挖引起的拱顶下沉量具有一定的比例关系,可用于对最终拱顶下沉量的预报和控制指示;各分部仰拱及时闭合是控制最终下沉量的关键;采用CRD1、3部超前施工比CRD1、2部超前对控制拱顶下沉较为有利;施工中应重点监测和控制最早开挖的CRD1部拱顶下沉。

采用联合变换相关的透镜中心偏差测量

基于双相位编码光学联合变换相关技术提出了一种测量透镜中心偏差的方法以确定偏差方向并提高测量精度。在经典联合变换相关原理基础之上,使用两个相位函数分别对参考图像和联合功率谱进行编码,并选用合适的滤波器消除旁瓣干扰,得到单个互相关峰的输出。利用该双相位编码后的联合变换相关技术探测不同目标图像相对于参考图像的位移矢量,并拟合圆。此拟合圆圆心到圆上点的矢量即为经自准直光学系统放大后的偏心矢量,从而同时确定了中心偏差的大小和方向。实验结果表明,通过双相位编码后的相关输出仅保留一个尖锐的相关峰,实现了位移矢量的亚像元探测;使用联合变换相关技术准确地测量了透镜的中心偏差,其测量结果的实验标准差为0.1μm,误差绝对值最大为0.3μm,满足一般透镜中心偏差测量的要求。

火灾下门式钢刚架倒塌试验与雷达位移测试系统有效性研究

近年来火灾下钢结构倒塌造成消防官兵伤亡的事故频繁发生,亟需开展建筑火灾倒塌预警研究。现有研究已表明:可以通过测量门式钢刚架柱顶和屋脊处的微变形来预测火灾下结构的倒塌,但由于高温和热烟气的存在,火灾下位移的实时测量问题尚需研究。该文通过试验方法研究雷达在实际火场位移测量中的可行性,首先设计一个缩尺单跨门式钢刚架的火灾试验,得到结构的升温特点和位移变化规律;采用雷达位移测试系统对门式钢刚架火灾试验的关键点位移进行了测量,并与传统拉线位移测试系统的测量结果进行对比,验证雷达位移测试系统用于火灾条件下的结构位移实时测量的有效性与准确性;采用有限元软件ABAQUS模拟火灾下刚架的倒塌过程,数值模拟发现:考虑了次要构件约束作用的三维结构分析模型,可以较准确地模拟火灾下门式钢刚架的倒塌过程。

确定自旋航天器旋转轴的动平衡方法

本文研究自旋航天器的旋转轴的试验测定方法，给出了自旋轴方向的表示方法及其与转动惯量、惯性积的关系，建立了利用动平衡试验的不平衡量确定自旋轴相对平衡旋转轴偏差的计算公式，从而可以利用功平衡试验的测试结果确定自旋轴的方向。文末的例中讨论了动平衡机的最小可达剩余不平衡量对试验结果的影响。

基于裂纹扩展的管道钢阻力曲线测试评估

高级别新型管线钢的不断涌现,其管材韧性和强度都得到了大大提高。然而,现有断裂韧性测试方法要求采用高约束的标准试样,管线钢很难满足试样尺寸条件,管道钢断裂韧性和裂纹扩展阻力的测试需要经过大量的实验和数值模拟评估。本文利用三点弯试样,测试了X65管线钢的断裂韧度和阻力曲线,对现有断裂韧度测试标准进行了评估,利用损伤模型评估了X65管材阻力曲线的厚度约束效应。结果显示:标准BS7448比ASTM-E1820计算得到的CTOD值更大,并且随着裂纹扩展长度增加,两种方法得到的CTOD比值增大。

钢弹簧浮置板轨道位移实测与分析

为评价钢弹簧浮置板轨道钢轨与浮置板位移的合理性,通过现场实测与动力学仿真计算,对比分析钢轨与浮置板在列车以不同速度通过时的位移变化,并且模拟了地铁正式运营后的最不利情况。研究结果表明:车速的改变对钢弹簧浮置板轨道钢轨与浮置板的垂向位移没有大的影响。列车荷载的增加及不平顺的恶化会导致轮轨之间的作用力加强,进而导致钢轨与浮置板的垂向位移增大。

雄安体育中心体育场结构设计

雄安体育中心体育场主体结构采用钢框架-支撑体系,屋盖钢结构由外圈屋盖钢结构和屋顶中央网壳组成,看台区域均采用组合型肋梁预制看台板。详细介绍了该体育场结构方案,包括看台钢结构设计、拱脚滑动释放、网壳结构体系、典型节点设计等。通过方案比选,屋顶中央网壳采用分索式索承铝合金网壳的结构体系,提高了索承结构对不规则建筑平面的适应能力。设计中对南侧拱脚进行了施工工序优化,拱脚处采用滑动释放措施,降低了看台钢结构南侧拱桁架的水平推力。本项目位于高烈度区,采用了速度型黏滞阻尼墙作为结构的减震措施,在多遇地震下黏滞阻尼墙作为结构的安全余量储备,在罕遇地震作用下,阻尼墙耗能占比5%。在部分应力较大的铝合金网壳节点中设置腹板加强板,提高了结构的安全性。

基于积分均值法的钢框架减震体系复位性分析

结构复位性通常以其残余位移来体现。提出了基于位移响应积分均值法求残余位移的公式,并进行了相关数理统计分析;通过无支撑和偏心支撑钢框架及新型楔块—支撑钢框架地震作用下的数值仿真分析了3种钢框架的复位性。结果表明:楔块—支撑钢框架的复位性优于无支撑和偏心支撑钢框架;基于位移响应积分均值法与重启动分阶段计算的残余位移基本一致,表明该方法具有良好的精度和稳定性,能够用于实际钢框架结构的复位性分析。

鼓形钢丝绳隔震器静刚度试验研究

在自行研制的钢丝绳隔震器静力测试台上对YGG系列鼓形钢丝绳隔震器分别进行轴向和侧向承载力试验,根据试验结果拟合隔震器的轴向静刚度、无轴向力作用的侧向静刚度、恒定轴向力作用的侧向静刚度计算公式;隔震器的侧向刚度与轴向受力状况密切相关,初始加载侧向刚度随轴向力的增加而增大,后期加载侧向刚度随轴向力的增加而降低。不同轴向力作用下的侧向加载曲线相互交叉,交叉点位于侧向容许动位移量的2/3附近;研究表明该系列隔震器的轴向刚度呈软化型,初始轴向刚度较大,可满足平时使用要求,刚度软化系数为0.34～0.43,大小适中,确保战时爆炸荷载作用下,隔震系统稳定可靠工作,且具有较高的隔震率。

钢框架结构抗震性能分析

结合陕西省某一工业用途的钢框架结构,采用结构分析软件SAP2000,建立了实际钢框架结构的三维有限元模型。在不同地震作用下,原钢框架结构的结构位移不能满足规范中对于"多遇"地震的要求。因此,在原结构的水平方向增加中心支撑,并按不同地震作用下的结构响应进行分析。分析结果表明:在原结构水平方向上增加中心支撑后,结构位移和层间位移角均在规范的限制要求内,从而保证了结构的正常使用性能和安全性能。

薄壁型钢表面三维形貌测量系统的研制

针对薄壁型钢这一类细长型构件,研制了一套表面三维形貌测量系统。该系统采用激光位移传感器为测距元件,由计算机控制步进电机转动以及发出数据采集命令。通过传感器和试件的相对运动对试件表面进行自动连续的扫描测量,测量数据经相关处理分析后导入软件,绘制出被测试件的三维图形。试验表明,该系统具有测量速度快、测量数据准确、性能稳定等显著特点。

水力机械轴摆度测量与分析的研究

水力机械轴摆度的测量广泛应用于机组盘车、检查机组轴线安装质量、机组运行稳定性评价,轴摆度信号过大会导致机组故障停机等严重后果。本文从测量水力机组轴摆度电涡流位移传感器量程选择、安装布置、信号分析等方面论证了安装环节对测量结果的影响,给出了针对不同轴径传感器选择原则和允许的轴线与传感器感应面之间安装角度;提出了测量部位轴断面不圆度信号与轴摆度信息分离检测的分析方法、轴摆度合成轴心轨迹平面参数分析方法和轴心轨迹特征值计算方法,解决了轴不圆度与轴摆度信息混淆、轴摆度合成轴心轨迹特征值分析等问题,为水力机械轴摆度的测量与分析提供参考。

非接触式圆心快速提取技术

针对几何公差检测自动快速的工业需求和现有基于接触式测量方法的缺陷,本文提出一种非接触式圆心快速提取方法.针对轴类零件,采用两个激光三角法位移传感器,建立了圆心提取数学模型.提出一种基于三坐标测量机的标定方法,并确定了最佳的标定数据选取方式.搭建了激光三角法位移传感器测量实验装置并进行了实验验证,经与三坐标测量机比对,采用测量精度10μm的传感器,可保证圆心要素提取精度在30μm以内.由于采用非接触式测量,整个测量系统更加安全,易于实现自动化操控,可提高检测效率.

自复位钢木混合剪力墙结构直接基于位移的设计方法及易损性分析

提出一种适用于自复位钢木混合剪力墙结构的直接基于位移的设计方法,并设计了一栋6层自复位钢木混合剪力墙结构,通过非线性时程分析对设计方法的合理性进行了验证。进一步选取50条地震动记录进行结构的非线性时程分析,研究了结构在地震作用下的损伤状态。基于云图法的易损性分析,获得了6层自复位钢木混合剪力墙结构针对不同性能目标的易损性曲线,研究了自复位系数对结构易损性的影响。研究结果表明:直接基于位移的设计方法适用于自复位钢木混合剪力墙结构的分析,且可设置结构最大层间位移角和最大残余层间位移角为性能目标。结构在大震作用下具有良好的抗倒塌能力和自复位能力。