如何利用三維應(yīng)變測量系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)構(gòu)件局部屈曲程度

胡旭 中國飛機強度研究所

關(guān)鍵字：三維應(yīng)變測量系統(tǒng) 飛機強度試驗 屈曲弧度

1 概述

飛機強度試驗中，結(jié)構(gòu)件在壓力或剪切的過程中何時發(fā)生屈曲、失穩(wěn)是驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性的重要指標(biāo)。尤其是在壁板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不同的結(jié)構(gòu)部位對允許屈曲程度的要求是不一樣的。如何在試驗加載過程中比較直觀的獲得屈曲程度的數(shù)據(jù)對于結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析來說是非常有意義的。

2 屈曲部位的監(jiān)測

三維應(yīng)變測量系統(tǒng)是基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)的非接觸測量設(shè)備，可通過對噴涂在試件表面的散斑圖像的變化算出試件在三維空間的全場應(yīng)變和位移值。如圖1所示，我們可以在輸出的數(shù)據(jù)云圖上可以很清晰的看出試件空間位移的情況，從而確定試件屈曲的部位。

圖1 受壓情況下試件表面的Y向位移云圖

3 屈曲弧度的研究意義

以圖1中的試件為例，我們可以看到試件表面的屈曲變化和屈曲程度的不同，但是缺少對試件表面在某個方向截面的變形的呈現(xiàn)，而且要想知道應(yīng)力集中位置的變形是否進入了材料的塑性變形范圍，這就需要了解局部屈曲的弧度。

再者對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，載荷、位移曲線的線性變化只能反映結(jié)構(gòu)件整體的失穩(wěn)臨界點，很難看出應(yīng)力集中區(qū)域局部失穩(wěn)的臨界點。

在整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)前及時發(fā)現(xiàn)局部的失穩(wěn)對于確定整體結(jié)構(gòu)的薄弱點很有意義?？梢院艽蟮目s小巡檢人員的檢測范圍，提高故障的查出率，對整體結(jié)構(gòu)的安全性有很大的提升。

4 屈曲弧度的計算

屈曲的弧度是對屈曲程度的判定依據(jù)。屈曲是否達到材料的塑性變形范圍也許通過弧度的大小來判別，那么如何計算屈曲的弧度呢。如圖2所示，我們可以認為圓弧ABC就是屈曲局部在某一方向上的截面，是某一半徑圓形的一部分，其對應(yīng)的夾角θ的大小決定了屈曲的程度。通過對圓的內(nèi)接三角形ABC三邊的測量可計算出夾角θ，即得到圓弧ABC的弧度。

圖2 屈曲截面示意圖

首先我們假設(shè)三角形ABC的外接圓O的半徑為r，三角形ABC的三條邊AB、AC、BC的長度分別為a、b、c。三角形邊長與其外接圓半徑的關(guān)系如①式所示。

其中a、b、c的長度均可通過三維應(yīng)變測量系統(tǒng)直接測量獲得，因此通過①式可以得到r。圓的玄長（b）與半徑（r）、圓心角(θ)的關(guān)系如②式所示。

因為此時b和r已知，所以整理②可得③式。

通過③式我們可以得到θ的大小，即可知圓弧ABC的弧度。

5 屈曲弧度的測量

5.1 試件的屈曲部位

我們關(guān)心的試件局部的屈曲變化有兩種：

a.需要考核的部位

考核部位就是設(shè)計中需要去驗證強度的部位，檢驗其是否符合我們的設(shè)計預(yù)期。

b.應(yīng)力集中的部位

這些部位并不一定是考核部位，但是在加載過程中應(yīng)力比較集中，發(fā)生屈曲的程度高于預(yù)期，這也是要高度關(guān)注的。

5.2 確認試件屈曲部位

通過上面的敘述我們可以看出試件的屈曲部位是可以根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)知，但也具有一定的未知性，所以要確定屈曲的具體部位還需根據(jù)試件在應(yīng)力作用下的具體反應(yīng)。方法是給試件施加不高于限制載荷30%的載荷，30%的限制載荷是試件安裝完成后進行姿態(tài)調(diào)整的調(diào)試載荷，不會對試件的應(yīng)力水平產(chǎn)生影響，更不會使試件產(chǎn)生塑性變形，但是利用三維應(yīng)變測量系統(tǒng)測量屈曲方向的應(yīng)變或位移云圖清晰看出試件各個部位屈曲變化的趨勢，由此就可以確定試件屈曲的具體位置。

如圖3所示，1號區(qū)域和2號區(qū)域就是應(yīng)力相對集中的部位，發(fā)生屈曲直至最終失穩(wěn)的可能性也是最高的。

圖3 30%載荷Z向位移云圖

5.3 怎樣測量屈曲的弧度

在文章的第4節(jié)我們已經(jīng)介紹過利用內(nèi)接三角形測量一段圓弧的弧度的方法。下面我們將利用三維應(yīng)變測量系統(tǒng)構(gòu)建內(nèi)接三角形，最終實時測量屈曲的弧度值。

如圖4所示，試件發(fā)生屈曲的部位我們可以將它看做是一段圓弧，利用三維應(yīng)變測量系統(tǒng)的“建立點”功能在圓弧的兩端和中間的任意位置選A、B、C三個點，且在試件不受力時三個點處于一條直線上。

圖4 在屈曲部位建立測量點

當(dāng)給試件加載后，試件表面發(fā)生屈曲，A、B、C三個點的位置也發(fā)生改變，不再處于同一直線上，而是以B點為頂點、AB為底邊構(gòu)成了一個三角形，如圖5所示。

利用“兩點間距”的功能創(chuàng)建“距離成分”從而實時讀取AB、AC、BC三條邊的邊長數(shù)據(jù)。創(chuàng)建一個命名為“r”的計算通道，以第4節(jié)的再①式為計算方式，代入ΔABC的三邊測量值，這樣計算通道“r”的輸出值就是ΔABC外接圓的半徑，也就是屈曲弧長的半徑。再創(chuàng)建一個命名為“θ”的計算通道，以③式為計算方式，將“r”和AC邊長作為變量代入計算方式，即可實時得到屈曲的弧度值。通過對計算通道“θ”輸出值的觀察，我們可以實時了解到試件的屈曲程度，專業(yè)技術(shù)人員可以根據(jù)試件的材料對是否進入了材料的塑性變形范圍加以判斷。

圖5 不同載荷情況下三點的狀態(tài)

6 小結(jié)

三維應(yīng)變測量系統(tǒng)是數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)的具體應(yīng)用，在位移、應(yīng)變、長度等物理量的測量方面具有便捷、數(shù)據(jù)測量點多的特點。利用三維應(yīng)變測量系統(tǒng)可以將屈曲弧度等無法直接測量的物理量通過計算通道實時的輸出，不僅豐富了試驗數(shù)據(jù)種類，也增加了數(shù)據(jù)分析的方法，同時很大的提高了試驗的效率。