基于應(yīng)變電測(cè)法的彎梁受力測(cè)試與分析

田野　王惠源　張成卿　牛碧凱　劉雪松

基于應(yīng)變電測(cè)法的彎梁受力測(cè)試與分析

田野1王惠源1張成卿1牛碧凱2劉雪松2

1、山西中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2、中國兵器工業(yè)第二〇八研究所

本文針對(duì)復(fù)雜工況下的彎梁受力測(cè)試問題，利用應(yīng)變電測(cè)法進(jìn)行測(cè)試。首先建立彎梁三維模型，在ANSYS中分析得到其最大變形的部位，在該處粘貼應(yīng)變片，在真實(shí)工作條件下測(cè)量其應(yīng)變，然后帶入靜態(tài)標(biāo)定擬合曲線即可求得其在工作條件下的受力。該研究為復(fù)雜工況下的部件受力測(cè)試提供了一定的理論依據(jù)。

應(yīng)變電測(cè)法；受力測(cè)試；靜態(tài)標(biāo)定

引言

在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)很多機(jī)械構(gòu)件的受力都會(huì)有一定的要求，對(duì)機(jī)械構(gòu)件的受力測(cè)試是一個(gè)常見的問題。應(yīng)變電測(cè)法具有高靈敏度、高精度、數(shù)據(jù)可靠的特點(diǎn)，非常適用于機(jī)械構(gòu)件的受力測(cè)試問題。本文利用應(yīng)變電測(cè)法對(duì)某機(jī)械設(shè)備的彎梁受力進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證其是否滿足不大于7000N的受力要求。

1應(yīng)變電測(cè)試原理

應(yīng)變電測(cè)法就是將構(gòu)件受力后的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，將構(gòu)件的變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。構(gòu)件受力后，粘貼在表面的電阻應(yīng)變片將隨之產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變片的電阻將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，通過橋式測(cè)量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化。然后經(jīng)由模擬電路將微弱的電壓信號(hào)放大濾波，再通過A/D轉(zhuǎn)換采集電路把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采用應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集。

2靜態(tài)標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定的基本原理是在被測(cè)件某處施加已知恒定的一個(gè)力或力矩，待數(shù)值穩(wěn)定后，采集并記錄相應(yīng)的應(yīng)變值，得到靜態(tài)力與被測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的變化關(guān)系曲線。

2.1理論分析選定測(cè)試位置

為了提高測(cè)試精度，在靜態(tài)標(biāo)定中應(yīng)變片粘貼位置需要選擇彎梁最大應(yīng)變處。因此，需要采用有限元法分析彎梁各部位的變形量。畫出彎梁的簡(jiǎn)化三維模型，如圖1所示。

圖1　彎梁簡(jiǎn)化模型

模型選用的材料屬性，如表1所示。

表1　模型選用材料屬性

將彎梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件，有限元模型，如圖2所示。

圖2　施加約束的彎梁有限元模型

施加5000N靜態(tài)載荷所得應(yīng)變?cè)茍D，如圖3所示。

圖3　施加5000N靜態(tài)載荷的彎梁應(yīng)變?cè)茍D

由應(yīng)變?cè)茍D可知彎梁最大變形位置在拐角和連接軸孔周圍區(qū)域，應(yīng)在此區(qū)域粘貼應(yīng)變片。

2.2靜態(tài)標(biāo)定過程

以有限元分析結(jié)果為依據(jù)，把彎梁連接軸孔處選定為應(yīng)變測(cè)試位置，在該處粘貼應(yīng)變片，將引出的導(dǎo)線與INV3060S型數(shù)據(jù)采集器和INV1861A型應(yīng)變調(diào)理器連接，然后連接到計(jì)算機(jī)終端。

機(jī)械設(shè)備總體結(jié)構(gòu)，如圖4所示，標(biāo)定試驗(yàn)過程主要由鋼絲繩對(duì)與彎梁連接的掛架施加靜態(tài)載荷，以模擬彎梁的受力。

圖4　設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖

對(duì)鋼絲繩施加不同的力，通過計(jì)算機(jī)終端采集到不同的力所對(duì)應(yīng)的彎梁測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變，如表2所示。

表2　彎梁應(yīng)變隨靜態(tài)力隨應(yīng)變變化表

將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸處理，所得靜態(tài)力隨應(yīng)變變化曲線，如圖5所示。

圖5　靜態(tài)力隨應(yīng)變變化曲線

此處應(yīng)變片回歸方程為：F=8.3209x+32.173

式中：F—靜態(tài)力，單位為Kgf；x—應(yīng)變，單位為με。

由數(shù)據(jù)的相關(guān)性判斷系數(shù)R2值為0.9897大于0.98，根據(jù)相關(guān)性理論得出其相關(guān)性很好，即靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果滿足要求。

3工作環(huán)境下彎梁受力測(cè)試

得到彎梁受力與應(yīng)變的關(guān)系曲線后，將設(shè)備置于真實(shí)工作條件下，測(cè)試在真實(shí)工作環(huán)境下的被測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變，可得應(yīng)變—時(shí)域波形，如圖6所示。經(jīng)濾波后，可得關(guān)系曲線，如圖7所示。

圖6　工作環(huán)境下的應(yīng)變—時(shí)域波形圖

圖7　濾波后的波形圖

由曲線可知應(yīng)變片最大應(yīng)變?yōu)?3.9709με，代入關(guān)系式計(jì)算可得彎梁所受的最大載荷為6476.8N。

4結(jié)論

通過靜態(tài)標(biāo)定，得到彎梁受力與應(yīng)變的關(guān)系為F= 8.3209x+32.173，將真實(shí)工作環(huán)境下產(chǎn)生的應(yīng)變代入關(guān)系式得到彎梁受力為6476.8N，彎梁滿足要求的工作條件。同時(shí)也表明應(yīng)變電測(cè)法測(cè)受力的可行性與實(shí)用性。

［1］牛碧凱.航空轉(zhuǎn)管機(jī)槍發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究［D］.山西：中北大學(xué)，2015.

［2］尹福炎.航空—航天飛行器結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與應(yīng)變測(cè)量技術(shù)一本通［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［3］余雄勇.直升機(jī)飛行狀態(tài)下武器發(fā)射后坐力動(dòng)態(tài)測(cè)試研究［D］.江蘇：南京航空航天大學(xué)，2006.

田野，1990年出生，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究。