CN114062135B - 高温三轴试验机岩石应变数据修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，通过高温三轴试验机系统温度的各向异性及各部分温度发展的异步性量化应变规组件的名义应变分量ε_amp和ε_mte，实现了修正岩石及其它材料的热应变数据的功能。应变规组件和放大电路之间的导线温度受应变规插头温度影响明显。因此本发明用插头温度模拟该导线温度更能反映该导线温度在实验中不可恢复的特性，进而更准确估算应变规名义应变第一分量，从而更准确修正岩石或其它材料的热应变。高温三轴试验机内部应变规组件所处位置的温度异于试件温度，本发明用测量或模拟得到应变规温度，用于计算由应变规组件内金属片引起的应变规名义应变第二分量，有助于更精确修正岩石或其它材料的热应变。

Description

高温三轴试验机岩石应变数据修正方法

技术领域

本发明属于实验岩石力学和材料力学技术领域，具体涉及高温三轴试验机岩石应变数据修正方法。

背景技术

参见图1，基于高温三轴试验机平台对岩石或其它材料应变的测量是实验岩石力学和材料力学领域常用的研究手段。应变的测量通常由安装在试件上的应变规组件实现，参见图2。试件的尺寸变化引起应变规组件的变形，从而引起应变规电阻变化，参见图2和图3，使得应变规组件桥接电路的输出电压发生变化。该输出电压变化被放大电路放大用以计量试件的尺寸变化，参见图4。将该尺寸变化关联到试件的参考尺寸，可得试件应变值ε_r。在测量岩石或其它材料试件由温度变化引起的热应变的实验中，应变规组件受实验工况(如温度)的影响，产生名义应变并补偿试件的应变。该名义应变会导致对试件热应变的误读。

有参考研究(Pei et al.2020)分析了应变规组件由温度引起的名义应变的来源。具体而言，基于高温三轴试验机平台的变温实验中，连接应变规组件与放大电路的导线受到温度影响使导线电阻发生变化，从而使放大电路的输入电阻发生了变化，进而使得放大电路的实际放大系数A_ap偏离了常温下的标定值A₀，因此造成了应变规名义应变的第一个分量ε_amp。另一方面，应变规组件中承载应变规的金属片在变温条件下的热胀冷缩亦能改变应变规的电阻，从而改变应变规组件桥接电路的输出电压，进而造成应变规名义应变的第二个分量ε_mte。所述两个分量共同补偿试件的热应变ε_r，产生了试件应变的测量值ε_mea。上述参考研究用高温三轴试验机内置热电偶测量试件温度T_r，并用该温度T_r以模拟应变规和放大电路之间导线的温度T_ind，从而计算变温实验中实际的放大系数A_ap，进而计算应变规的名义应变第一分量ε_amp。同时，用测量的试件温度T_r估算应变规组件中金属片的热胀冷缩变形所引起的应变规名义应变的第二分量ε_mte。然而，上述参考研究中的方法尚有不足，具体体现在：(1)用热电偶测量的名义的试件温度T_r不足以代表应变规组件中金属片的温度；(2)该方法不足以修正基于高温三轴试验机的温度循环实验中测量到的试件应变的残余值(图5～图8)。原因陈述如下。

本专利申请人研究发现：(1)基于高温三轴试验机的变温或温度循环实验中，试验机系统内的温度具有显著的各向异性；(2)系统内各部分的温度发展不同步(异步性)；(3)对应变规组件与放大电路之间导线温度影响最为显著的并非测量到的试件温度T_r，而是该导线接入三轴试验机的插头处的插头温度T_p。(4)经测量，前述插头温度T_p在对试件的温度循环实验中的变化并不是可恢复的。正是由于该插头温度T_p的不可逆性，产生了不可逆的应变规组件名义应变的第一分量ε_amp，进而造成了试件应变测量值的残余部分。

由前述发现得知，如果延用参考研究提供的方法，用变温(或温度循环)实验中试件温度的测量值T_r估算应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind，从而估算应变规组件名义应变的第一分量ε_amp，不可能计算出该应变分量的残余部分。甚者，忽略三轴试验机系统内温度的各向异性和各部分温度发展的异步性，用测量到的试件温度来估算应变规组件中金属片引起的名义应变第二分量ε_mte，并没有考虑到该金属片本身经历的温度变化及其随时间的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，用于修正岩石或其它材料的热应变数据。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，包括以下步骤：

S1：用已知热膨胀系数的标准试件在高温三轴试验机进行温度循环实验，实验工况使标准试件的变形保持在弹性范围内；在标准试件的温度循环实验过程中测量或模拟高温三轴试验机内的应变规组件所在位置温度T_g和应变规组件插头温度T_p；读取应变规组件的读数得到标准试件的应变测量值ε_mea；

S2：建立热传导的有限元模型，用标准试件的温度循环实验过程中应变规组件所在位置温度T_g和应变规组件插头温度T_p模拟应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind及其随时间的变化；计算标准试件的温度循环实验中实时变化的放大系数A_ap和应变规组件名义应变第一分量ε_amp；

S3：用标准试件的热膨胀系数及标准试件经历的温度变化量计算标准试件的实际应变ε_st；用标准试件的应变测量值ε_mea、应变规组件名义应变第一分量ε_amp以及标准试件的实际应变ε_st计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte：

ε_mte＝ε_mea-ε_amp-ε_st；

设T_a为室温，计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte的每单位温度的变化量

S4：用待测试件在高温三轴试验机进行温度循环实验；在待测试件的温度循环实验过程中测量高温三轴试验机内的应变规组件所在位置温度T_g′和应变规组件插头温度T_p′；读取应变规组件的读数得到待测试件的应变测量值ε_mea′；

S5：在热传导的有限元模型中，用待测试件的温度循环实验过程中应变规组件所在位置温度T_g′和应变规组件插头温度T_p′模拟应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind′及其随时间的变化；计算待测试件的温度循环实验中实时变化的放大系数A_ap′和应变规组件名义应变第一分量ε_amp′；

S6：根据步骤S3得到的变化量计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte′：

S7：用步骤S4得到的待测试件的应变测量值ε_mea′、步骤S5得到的应变规组件名义应变第一分量ε_amp′、步骤S6得到的应变规组件名义应变第二分量ε_mte′修正待测试件的实际热应变ε_r为：

ε_r＝ε_mea′-ε_amp′-ε_mte′。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

温度循环实验的具体步骤为：将三轴室内温度从T1升高到T2，在T2保持时长t后，将三轴室内温度从T2下降至T1，在T1保持时长t；

取T1为30℃，T2取值范围在40℃至200℃之间，t取值范围在30小时至40小时之间。

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

应变规组件包括侧向应变规组件和轴向应变规组件；

侧向应变规组件名义应变第二分量ε_mte侧的每单位温度的变化量为：

轴向应变规组件名义应变第二分量ε_mte轴的每单位温度的变化量为：

按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：

已知热膨胀系数的标准试件为金属试件；待测试件为岩石或其它材料试件。

一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行高温三轴试验机岩石应变数据修正方法。

本发明的有益效果为：

1.本发明的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，通过高温三轴试验机系统温度的各向异性及各部分温度发展的异步性量化应变规组件的名义应变分量ε_amp和ε_mte，实现了修正岩石及其它材料的热应变数据的功能。

2.由于应变规组件和放大电路之间的导线温度受应变规插头温度影响最为明显，本发明用插头温度模拟该导线温度更能反应该导线温度在实验中不可恢复的特性，进而更准确估算应变规名义应变第一分量，从而更准确修正岩石或其它材料的热应变。

3.由于高温三轴试验机内部应变规组件所处位置的温度异于试件温度，本发明用测量或模拟得到应变规温度，用于计算由应变规组件内金属片引起的应变规组件名义应变第二分量，有助于更精确修正岩石或其它材料的热应变。

附图说明

图1是本发明实施例的高温三轴试验机平台示意图。

图2是本发明实施例的侧向应变规组件构造示意图。

图3是本发明实施例的应变规组件内置金属片和其上所粘着的电阻应变规示意图。

图4是本发明实施例的应变规组件功能电路示意图。

图5是本发明实施例的标准试件侧向热应变修正示例图。

图6是本发明实施例的标准试件轴向热应变修正示例图。

图7是本发明实施例的岩石试件侧向热应变修正示例图。

图8是本发明实施例的岩石试件轴向热应变修正示例图。

图9是本发明实施例的流程图。

图中：1.三轴压力室侧壁；2.试件；3.热电偶(位置)；4.轴向应变规组件；5.侧向应变规组件；6.应变规温度测量点位；7.应变规插头温度测量点位；

21.试件；22.侧向应变规组件测点；23.金属片；24.电阻应变规；25.侧向应变规组件于高温三轴试验机三轴室内导线电阻；26.应变规与放大电路之间导线电阻；27.初级放大电路；28.次级放大电路；29.电路中受三轴室内温度影响的部分；30.电路中受室温影响的部分；31.电路中受导线实际温度影响的部分；32.应变规组件接入高温三轴试验机的插头位置；

41.应变测量值ε_mea；42.应变规组件名义应变第一分量ε_amp；43.标准试件应变ε_st；44.应变规组件名义应变第二分量ε_mte；45.修正的岩石试件应变ε_r。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图9，本发明实施例的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，包括以下步骤：

(1)在高温三轴试验机平台用已知热膨胀系数为23.2με℃^-1的金属的标准试件进行温度循环实验，使三轴室内温度从室温30℃升高到温度上限90℃，并使之保持在90℃ 30小时，随后使该温度下降至室温30℃并使之保持30℃ 30小时。温度循环实验中，可以将三轴室温度上限设置在40℃至200℃之间。实验工况使标准试件的变形保持在弹性范围内。测量或模拟该实验中三轴试验机内应变规组件的所在位置温度T_g和应变规组件插头温度T_p；读取应变规组件的读数得到标准试件的应变测量值ε_mea。

(2)建立热传导的有限元模型，用步骤(1)中得到的温度T_g、T_p模拟应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind及其随时间的变化；计算实验中实时变化的放大系数A_ap以及应变规组件名义应变第一分量ε_amp，参见图5和图6。

(3)计算步骤(1)实验中标准试件实际应变ε_st。用步骤(1)中标准试件的应变测量值ε_mea、步骤(2)中得到的应变规组件名义应变第一分量ε_amp以及标准试件实际应变ε_st计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte，参见图5和图6：

ε_mte＝ε_mea-ε_amp-ε_st，

设T_a为室温，计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte的每单位温度的变化量

在侧向应变规组件中，该变化量为在轴向应变规组件中，该变化量为/>

(4)在高温三轴试验机平台用岩石(如灰岩，或其它材料)试件进行温度循环(变温)实验。实验中使三轴室内温度从室温30℃升高到40℃，并使之保持在40℃ 40小时，随后使该温度下降至30℃。该实验工况使灰岩试件的变形保持在弹性范围内；测量或模拟岩石(如灰岩，或其它材料)试件实验中三轴试验机内应变规组件的所在位置温度T_g′和应变规组件插头温度T_p′；读取应变规组件的读数得到待测试件的应变测量值ε_mea′。

(5)按步骤(2)计算岩石(如灰岩，或其它材料)温度循环(变温)实验中，应变规组件名义应变第一分量ε_amp′和应变规组件名义应变第二分量ε_mte′：

修正岩石(如灰岩，或其他材料)试件的实际热应变ε_r，参见图7和图8：

ε_r＝ε_mea′-ε_amp′-ε_mte′。

按如上步骤修正的岩石(如灰岩，或其他材料)试件热应变在温度循环实验中可恢复；该热应变每单位温度的平均值为4.3με℃^-1和文献中的灰岩热膨胀系数范围一致。因此认为上述修正岩石试件热应变的方法步骤有效。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：用已知热膨胀系数的标准试件在高温三轴试验机进行温度循环实验，实验工况使标准试件的变形保持在弹性范围内；在标准试件的温度循环实验过程中测量或模拟高温三轴试验机内的应变规组件所在位置温度T_g和应变规组件插头温度T_p；读取应变规组件的读数得到标准试件的应变测量值ε_mea；

S2：建立热传导的有限元模型，用标准试件的温度循环实验过程中应变规组件所在位置温度T_g和应变规组件插头温度T_p模拟应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind及其随时间的变化；计算标准试件的温度循环实验中实时变化的放大系数A_ap和应变规组件名义应变第一分量ε_amp；

S3：用标准试件的热膨胀系数及标准试件经历的温度变化量计算标准试件的实际应变ε_st；用标准试件的应变测量值ε_mea、应变规组件名义应变第一分量ε_amp以及标准试件的实际应变ε_st计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte：

ε_mte＝ε_mea-ε_amp-ε_st；

设T_a为室温，计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte的每单位温度的变化量

S4：用待测试件在高温三轴试验机进行温度循环实验；在待测试件的温度循环实验过程中测量高温三轴试验机内的应变规组件所在位置温度T_g′和应变规组件插头温度T_p′；读取应变规组件的读数得到待测试件的应变测量值ε_mea′；

S5：在热传导的有限元模型中，用待测试件的温度循环实验过程中应变规组件所在位置温度T_g′和应变规组件插头温度T_p′模拟应变规组件和放大电路之间导线的温度T_ind′及其随时间的变化；计算待测试件的温度循环实验中实时变化的放大系数A_ap′和应变规组件名义应变第一分量ε_amp′；

S6：根据步骤S3得到的变化量计算应变规组件名义应变第二分量ε_mte′：

S7：用步骤S4得到的待测试件的应变测量值ε_mea′、步骤S5得到的应变规组件名义应变第一分量ε_amp′、步骤S6得到的应变规组件名义应变第二分量ε_mte′修正待测试件的实际热应变ε_r为：

ε_r＝ε_mea′-ε_amp′-ε_mte′。

2.根据权利要求1所述的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：

温度循环实验的具体步骤为：将三轴室内温度从T1升高到T2，在T2保持时长t后，将三轴室内温度从T2下降至T1，在T1保持时长t；

取T1为30℃，T2取值范围在40℃至200℃之间，t取值范围在30小时至40小时之间。

3.根据权利要求1所述的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：

应变规组件包括侧向应变规组件和轴向应变规组件；

侧向应变规组件名义应变第二分量ε_mte侧的每单位温度的变化量为：

轴向应变规组件名义应变第二分量ε_mte轴的每单位温度的变化量为：

4.根据权利要求1所述的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：

已知热膨胀系数的标准试件为金属试件；待测试件为岩石或其它材料试件。

5.一种计算机存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1至权利要求4中任意一项所述的高温三轴试验机岩石应变数据修正方法。