多介质耦合作用动力模型试验的分离量纲分析理论及应用

Physical model test which is based on dimensional analysis is important for human to explore and reform nature. Currently, there are some problems, such as dimensional analysis theory detached from practice and low accuracy of test result, in the procedure of dynamic model test design for multi-medium coupling, and the root of these problems are the limitation of dimensional analysis theory. To solve the problems above, Study on respective dimensional analysis theory which is suitable for dynamic model test design of multi-medium coupling will be performed , and application of the theory in complicated model design will be advanced. For the problem that research results of similar material is abundant, while research results to realize the similar of contact characteristics is scantly, contact similarity criterion and inter-link similar material should be explored to deepening application of respective dimensional analysis theory. The project is aimed at supplying the respective dimensional analysis theory and the interface property similitude designing method for scale model test to support the complex model test design .

模型试验是人类探索自然和改造自然的重要方法，其核心设计理论是量纲分析理论，已有量纲分析理论在对复杂的多介质耦合作用动力模型试验进行设计时，面临着理论计算结果与试验实际情况脱节、试验结果精确度难以预测等问题，这些问题根源在于量纲分析理论本身的局限性。为解决上述问题，本项目以量纲分析理论为研究对象，开展了适合多介质耦合作用动力模型试验设计的分离量纲分析理论研究，并推进了该理论在复杂模型试验设计中的应用。针对理论应用过程中，相似材料研究成果较多，而保证不同材料之间接触特性相似的研究成果匮乏的情况，开展了接触相似准则及保证接触面特性相似的亲和相似材料研制工作，深入推进了分离量纲分析理论在模型试验设计中的应用。本项目申请成果旨在提出模型试验的分离量纲分析理论及具有较强理论可操作性和工程实用特性的模型试验接触相似设计方法，以期为今后重大工程模型试验开展提供技术支持。

模型试验相似设计的优劣是试验结果能否精准反应原型规律的关键，传统相似设计方法以量纲分析理论为基础，应用于多介质耦合作用动力模型试验时，面临着如下三方面问题：①理论计算的各控制参量相似比在实际试验中无法得到全部满足；②量纲方程计算结果对模型试验相似设计提出了“一刀切式”的相似要求，缺乏对原型中不同介质各自关键特性的分别模拟；③不同介质间接触关联作用的相似实现手段尚处在空白状态。针对上述问题，本项目提出了分离量纲分析理论，依托该理论建立了模型试验的系统相似设计方法，该方法可根据原型系统中的不同介质、不同尺度等主要类别对模拟对象进行分离，将分离后所形成的新模块定义为子系统，而后根据分离量纲分析理论建立每个子系统各自的特征方程，分别指导各子系统的相似设计过程及模型试验的开展。系统相似设计方法可使得不同子系统关键特性的模拟被各子特征方程所控制，理论计算所得各控制参量的相似比要求指向性更强,避免了参量冗余无法全部满足的问题及单一方程控制整体模型设计的“一刀切式”问题，同时该方法需考虑各子系统的耦合过程，本项目以土-地下管廊动力相互作用过程为例，对原型系统中土与管廊结构接触关联作用机理进行研究，析出了表征土与地下管廊之间接触关联作用的相似准则，配制了保证接触关联作用的亲和相似材料，填补了接触关联作用相似研究成果的空白。为探究传统相似设计方法与系统相似设计方法所建立的模型在模拟原型加速度和应变响应方面的仿真度，开展了土-地下管廊的原型和模型的振动台试验，结果表明：系统相似设计方法在结构加速度响应规律方面对原型的模拟并无明显优势，但在结构应变响应规律方面，系统相似设计方法较传统相似设计方法具有明显优势，能更为精准反应原型真实规律。本项目所提出的基于分离量纲分析理论的系统相似设计方法，相较传统相似设计方法具有更强的理论可操作性和工程实用性，对改善模型试验的设计过程，提升试验模拟精度具有重要作用。