[0001] 本发明涉及一种拱坝教学模型实验系统，属于教学模型技术领域。

[0002] 拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。

[0003] 拱坝（尤其双曲拱坝）结构形式复杂，是超静定结构，同时具有拱、梁特性，受荷包括自重、水压、扬压力、温度荷载等，因此结构受力状态较难理解，成为水利工程类大学生课程学习的难点，但拱坝作为主要挡水建筑物，相关理论知识有是必须掌握的，因此很有必要依托拱坝模型开展教学。

[0004] 经查阅文献资料，CN202211616434.5公开了一种拱坝教学演示模型、CN2023201913959.9公开了一种利用气囊反映水压的拱坝教学演示模型。上述两个拱坝模型专利，均属于演示型教学模型，主要为了形象展示拱坝拱梁分载、荷载作用下变形等，因此采用了较为夸张形式，让肉眼无法观察的变形能够展现出来，属于教学沙盘范畴。因此，无法用于定量课程教学。不能满足水利工程类本科生实验教学要求，但可以作为认识学习内容之一。

[0005] 综上所述，针对拱坝（尤其双曲拱坝）需要设计一种教学模型，并且能达到以下几点要求：1）该模型要严格满足相似定律，以便将实验结果推导原型；2）能够模拟自重荷载、水荷载、温度荷载等，并且这些模拟手段实现自动化；3）量测系统能够针对力、位移、应变等荷载进行量测；4）要具备数字孪生，虚实交互功能，以便满足智慧水利专业学生上课需求；5）要具有便捷的教学管理系统平台，能够实现远场操作、近场操作、数据云端存储等工作，满足多场景教学需求。

[0022] 下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细地说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

[0023] 术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符"/"，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。实施例

[0024] 本实施例介绍一种拱坝教学模型实验系统，如图1所示，包括拱坝物理模型1、水荷载与温度荷载模拟系统2、自重荷载模拟系统3、量测系统4、虚实交互系统和远程多级操作管理系统，远程多级操作管理系统通过电信号分别连接所述水荷载与温度荷载模拟系统2、自重荷载模拟系统3和量测系统4，用于远程加载水荷载与温度荷载模拟系统2的实验参数、自重荷载模拟系统3的实验参数、发布量测系统4加载及数据采集命令、云端下载量测系统4采集的实验数据并且对量测系统4采集的实验数据进行分组，虚实交互系统连接所述量测系统4，虚实交互系统接收量测系统4采集分组后的实验数据构建动态变化的拱坝物理模型1，量测系统4用于测量所述拱坝物理模型1的应变量和位移、自重荷载模拟系统3的重量和水荷载与温度荷载模拟系统2的油压量，水荷载与温度荷载模拟系统2和自重荷载模拟系统
3安装在拱坝物理模型1的底部，对拱坝物理模型1的实验环境参数进行设置。

[0025] 通过水荷载与温度荷载模拟系统2和自重荷载模拟系统3能够模拟自重荷载、水荷载、温度荷载等，并且通过远程多级操作管理系统控制，使得这些模拟手段实现自动化，减化了调节环境荷载的方式，通过量测系统4对拱坝物理模型1的位移、应变等荷载进行量测，并通过虚实交互系统输出拱坝物理模型1在荷载变化后的动态变化效果图，使得学生能够直观观察，通过远程多级操作管理系统进行远程教学模式和现场教学模式，学生在家里也能有效开展实验教学任务，满足多场景教学需求。

[0026] 远程多级操作管理系统包括多媒体系统、用户端和服务器端，多媒体系统用于实现用户端、服务器端、水荷载与温度荷载模拟系统2、自重荷载模拟系统3和量测系统4之间的信息传输，用户端向温度荷载模拟系统、自重荷载模拟系统3和量测系统4发送指令由服务器端确认，学生为用户端输入对量测系统4、水荷载与温度荷载模拟系统2以及自重荷载模拟系统3的操作指令，由服务器端的老师进行确认，多媒体系统可远程进行学生分组信息管理、远程加载实验参数、发布加载及数据采集命令、云端下载分组实验数据、学生和指导老师权限设置、远程线上系统通过多媒体沟通等，方便进行远程教学和储存数据。

[0027] 如图2所示，拱坝物理模型1包括坝体101、拱座102和底部加载设备间103，底部加载设备间103安装所述水荷载与温度荷载模拟系统2和自重荷载模拟系统3，坝体101安装在拱座102上，坝体101的相似常数满足下式：其中， 为几何相似常数， 为弹性模量相似常数， 为重度相似常数, 
为应变相似常数。

[0028] 本实例中，原型坝体101高度250m，混凝土标号为C30，弹性模量为30000MMpa，相似常数=125，模型材料选用复合材料，组分包括环氧树脂、固化剂、松香水、重晶石粉、铁粉，模型材料弹性模量为1500Mpa，因此=30000/1500=20，由于教学模型计算分析的是拱坝线弹性范围受力状态，因此允许≠1，这样就可以进行多种选择，方便学生进行不同分组开展教学实验，不同分组实验参数和后续数据处理均不同，这对于提供教学质量存在益处。

[0029] 如图3所示，水荷载与温度荷载模拟系统2包括液压作动器201、反力装置202、稳压源203、分油器204、油路205、加载垫块206、钢块207、橡胶垫208和第一控制及通讯系统209，稳压源203连接油路205，油路205上连接分油器204，油路205输出端连接液压作动器201，液压作动器201安装在反力装置202上，液压作动器201另一端连接加载垫块206，液压作动器201和加载垫块206之间设置有钢块207，加载垫块206上安装橡胶垫208，加载垫块206与坝体101两者接触曲面弧度一致，第一控制及通讯系统209用于实现水荷载与温度荷载模拟系统2与虚实交互系统和远程多级操作管理系统的电信号传输，橡胶垫208防止加载垫块206与坝体101之间硬接触，一方面起到防护作用，另一方面是受力更加均匀，加载垫块206与坝体101两者接触曲面弧度一致，满足紧密贴合要求。

[0030] 反力装置202的刚度需要满足以下公式：其中， 为液压作动器加载点高程处反力装置刚度， 为水荷载最
大荷载， 为拱坝在i高程处最大位移，为了更加保守，将 定义为拱坝最大位移值。

[0031] 自重荷载模拟系统3包括形心加载单元301、加载螺杆302、导管303、力传感器304、反力支架305、步进电机306、传力螺杆307和第二控制及通讯系统，反力支架305安装在所述坝体101下方，反力支架305侧边安装有步进电机306，反力支架305上安装有传力螺杆307，传力螺杆307一端连接步进电机306，传力螺杆307另一端连接力传感器304，力传感器304连接加载螺杆302，加载螺杆302穿过导管303连接所述形心加载单元301，形心加载单元301安装在坝体101内，形心加载单元301的上部采用圆形加载板，圆形加载板的底面连接带内螺纹和外螺纹的连接套筒，外螺纹用于和导管303连接固定，内螺纹用于和加载螺杆302连接固定，导管303内径稍大于加载螺杆302外径，步进电机306带动传力螺杆307，传力螺杆307与力传感器304连接，然后力传到至加力螺杆，最终作用到形心加载单元301处，对拱坝物理模型1施加自重荷载，远程操控方便调节。

[0032] 量测系统4包括应变测量系统、位移测量系统、力测量系统和油压测量系统，所述应变测量系统包括应变片测量单元、DIC全场应变测量单元，通过应变片测量单元、DIC全场应变测量单元分别对坝体101的应变进行测量，结合两组测量结果得到坝体101应变数据，DIC全场应变测量单元测量得到整个结构的应变数据，应变片测量单元测量细节处的应变数据对DIC全场应变测量单元检测遗漏的数据进行补充得到完整的应变数据，所述位移测量系统包括激光位移测量单元、图像位移跟踪测量单元，通过两个测量单元对坝体101位移测量，结合两个测量单元测量的结果得到坝体101的位移数据，所述力测量系统用于自重荷载模拟系统3数据的采集，并用于将自重荷载模拟系统3的自重荷载数据与虚实交互系统和远程多级操作管理系统的设定值进行对比，所述油压测量系统用于水荷载与温度荷载模拟系统2输入的数据的采集，并用于将水荷载与温度荷载模拟系统2的水荷载与温度荷载数据与虚实交互系统和远程多级操作管理系统的设定值进行对比，当自重荷载数据、水荷载与温度荷载数据达到设定值后，应变数据和位移数据传输至虚实交互系统和远程多级操作管理系统。

[0033] 虚实交互系统包括虚拟数字孪生模型、交互通讯系统、终端展示平台，虚拟数字孪生模型用于接收量测系统4采集的数据，基于Three.js三维模型趋势分析，得到拱坝物理模型1动态变化效果图，通过交互通讯系统将拱坝物理模型（1）动态变化效果图传输到终端展示平台展示，采用BIM软件搭建虚拟三维拱坝模型。实施例

[0034] 与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种拱坝教学模型实验系统，如图3所示，包括液压作动器201，液压作动器201分层布置，每层的液压作动器201选用不同的分油器204，这样可以保证不同高程施加不同的水压，满足水压倒三角分布规律。

[0035] 使用方法：如图5和图6所示，远程教学模式：首先学生在用户端针对自重荷载进行荷载设置，
然后发送量测系统44平衡清零以及自重荷载模拟系统33加载启动指令，该指令发送给服务端，由服务端的老师进行确认，如果信息填写错误，返回给用户端重新填写发送，如果正确，服务端确认通过，进入下一流程量测系统4开始采集，采集信号包括力、位移、应变，同时将力信号反馈给自重荷载模拟系统33，该系统将采集力值与自重荷载设定值进行比较，未达到将继续加载，当达到自重荷载设定值，量测系统44将连续采集10s，然后量测系统44停止采集并保存最后10s中数据，并将应变、位移数据发送给虚实交互系统和远程多级操作管理系统。同时开启水荷载与温度荷载模拟系统22加载过程，首先针对水荷载进行荷载设置，其中温度荷载等效为水荷载，然后发送量测系统44平衡清零以及水荷载与温度荷载模拟系统
22加载启动指令，该指令发送给服务端，由服务端的老师进行确认，如果信息填写错误，返回给用户端重新填写发送，如果正确，服务端确认通过，进入下一流程量测系统4开始采集，采集信号包括油压、位移、应变，同时将油压信号反馈给水荷载与温度荷载模拟系统22，该系统将采集油压与水荷载设定值进行比较，未达到将继续加载，当达到水荷载设定值，量测系统44将连续采集10s，然后量测系统44停止采集并保存最后10s中数据，并将应变、位移数据发送给虚实交互系统和远程多级操作管理系统，与远程教学模式相比，现场教学模型，仅仅不需要用户端操作，直接在客户端进行操作，参数的设置确认，由老师现场确认，其它部分两种教学模式完全相同。

[0036] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0037] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0038] 以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。