（固体力学专业论文）大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 起重运输机械有着悠久的发展历史，其应用极为广泛。在科学研究方面，新的理 论、新的计算方法的建立以及新产品的研制，都必须经过实验或试验来证实其可行性和 可靠性；机械工程中的许多重要理论及经验公式也是在综合分析大量模型试验或实物试 验的数据后得出的。在产品设计方面，当前正在逐步实现由静态设计向动态设计的过 渡，这是起重运输机械技术进步的一个重要标志。为此，设计研究人员需要更多的了解 产品的动态特征与信息。利用动态测试与分析技术，可以获得起重运输机械在各种工作 状态下的载荷谱、应力谱和动力传递规律，从而判断和鉴定该机械的性能是否合乎设计 要求，同时也为动态参数识别与修改，进行最优化设计和产品技术改造提供依据。 本文在理论计算的基础上，立足基本测试理论，运用应变电测方法，采用d h 3 8 1 5 静态数据采集与处理系统和d h 5 9 3 5 动态数据采集与处理系统，对大型桁架起重臂结构 应力进行了现场测试，在规定的载荷条件下，测定桁架结构构件的静载应力响应和动载 应力响应，确定桁架起重臂受力危险点和薄弱部分，并对桁架结构进行数值模拟，即有 限元分析与优化设计。 通过实验实测与理论计算相比较，发现不足，以便改进测试手段，解决钡4 试中的关 键问题，实现理论与试验的有机结合，为起重机械的安全可靠提供保障。 通过本课题的研究，希望能够对大型起重吊臂的优化设计提供有益的理论依据，把 设计工作的主要精力转到优化方案的选择方面来，使结构设计工作者由被动的校核设计 转变为积极主动地从各种可能的设计方案中寻求最优的方案。并有助于促进起重机械的 标准化和系列化。 关键词：起重臂；桁架结构；结构应力测试；有限元分析；优化设计 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 s t r e s st e s t i n ga n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o fa h e a v y c r a n eb o o mo f t m s ss t r u c t u r e a b s t r a c t t h ec r a n i n gc o n v e y a n c em a c h i n eh a sg o tal o n gd e v e l o p e dh i s t o r y ，i t s a p p l i c a t i o ni s e x t r e m e l ye x t e n s i v e i nt h ea s p e c t so fs c i e n c es t u d y i n g , e s t a b l i s h m e n to f t h en e w t h e o r ya n d n e wc a l c u l a t i o nm e t h o da l o n g 诚mr e s e a r c h i n ga n dm a n u f a c t u r i n go ft h en e w p r o d u c t i t s f e a s i b i l i t ya n dd e p e n d a b i l i t ym u s tb ec o n f i r m e db ye x p e r i m e n t i n go rt e s t i n g ；m a n yi m p o r t a n t t h e o r i e sa n de m p i r i c a lf o r m u l a si nt h em e c h a n i c a le n g i n e e r i n gf i e l da r ea l s o a c q u i r e db y s y n t h e s i z i n ga n da n a l y z i n gag r e a td e a ld a t ao fm o d e lt e s t i n go ro b j e c tt e s t i n g a tt h ep r e s e n t t i m e ，i nt h ea s p e c t so f p r o d u c td e s i g n i n g ，p e o p l er e a l i z es t e pb ys t e pt r a n s i t i o nf r o ms t a t i cd e s i g n t od y n a m i cd e s i g n ，t h i si sai m p o r t a n ts i g no fp r o g r e s so ft h ec r a n i n gc o n v e y a n c em a c h i n e t e c h n i q u e t h e r e f o r e ，d e s i g n e r o rr e s e a r c h e rn e e dk n o wm o r ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n d i n f o r m a t i o no ft h ep r o d u c t a n dm a k eu s eo fd y n a m i ct e s t i n ga n da n a l y s i st e c h n i q u e ，p e o p l e c a no b t a i nl o a ds p e c t r t m 1 ，s t r e s s s p e c t r m na n dr e g u l a t i o no f d r i v et r a n s f e r r i n go ft h ec r a n i n g c o n v e y a n c em a c h i n e a tv a r i o u sw o r k a p p e a r a n c e a c c o r d i n g l yj u d g ea n d a u t h e n t i c a t ew h e t h e r c a p a b i l i t yo f t h em a c h i n ei st os a t i s f yd e s i g nr e q u e s to rn o t a tt h es a m e ；t i m e ， d a i sa l s oo f f e r s g i s tf o ri d e n t i f y i n ga n da m e n d i n go fd y n a m i cp a r a m e t e r , p r o c e e d i n go p t i m i z i n gd e s i g na n d r e f o r m i n g w i t h p r o d u c tt e c h n i q u e o nt h ef o u n d a t i o no ft h e o r i e s c a l c u l a t i o n ，d e p e n d i n g o nb a s a l t e s t i n gt h e o r i e s ，a n d w i e l d i n gs t r a i ne l e c t r o m o t i v et e c h n i q u e ，a n da d o p t i n gd h 3 8 15s t a t i ca n dd h 5 9 3 5d y n a m i c d a t ac o l l e c t i o na n d d i s p o s a ls y s t e m ，w eh a v eb e e nl o c a l et e s t i n ga b o u ts t m c t u r es t r e s so f t m s s s t r u c t u r eo fc r a n eb o o m u n d e r p r e s c r i p t i v el o a dc o n d i t i o n ，m e a s u r es t a t i ca n dd y n a m i c s t r e s s r e s p o n s e ，a n dc o n f i r md a n g e rp o i n ta n dw e a kp a r tu n d e rc o n d i t i o no fs u f f e r i n g f o r c e i n s u c c e s s i o n ，p r o c e e d n u m e r i c a lv a l u e s i m u l a t i n g ，n a m e l y f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h r o u g hc o m p a r e de x p e r i m e n t i n ga n dt e s t i n gw i t hc a l c u l a t i n gi nt h e o r y ，f i n df a u l t i n e s s ，i n o r d e rt oi m p r o v eo nm e a n sa n d s o l v i n gk e yp r o b l e m i nt e s t i n g ，r e a l i z et oi n t e g r a t et h e o r i e sa n d t e s t i n gf a u l t l e s s l yp r o v i d i n gg u a r a n t e e sf o rs e c u r i t ya n dc r e d i b i l i t y t h r o u g h t h e s es t u d y , h o p et op r o v i d et h e o r i e sg i s tf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f h e a v yc r a n e b o o ma n dc h a n g ep r i m a r ye n e r g yi nt h ew o r ko ft h ed e s i g nt oc h o o s i n gp r o j e c to p t i m i z e d ， a c c o r d i n g l ym a k ed e s i g n e rt oc h a n g e f r o mp r o o f r e a d i n g d e s i g np a s s i v e l yt os e e k i n gt h e i i - 大连理工大学硕士学位论文 s u p e r i o rp r o j e c ta c t i v e l y f r o ma m o n gd i v e r s i f i e dp o s s i b l e p r o j e c t a n dh e l p t oa c c e l e r a t e s t a n d a r d i z a t i o na n ds e r i a t i 0 1 1 k e yw o r d s ：c r a n eb o o m ；t r u s ss t r u c t u r e ；s t r u c t u r e s t r e s st e s t i n g ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n 1 1 1 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：鱼进日期：堕i ：二笋 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 起重运输机的概况 r 1 1 1 1 1 起重运输机械的发展历史“。 起重运输机械有着悠久的发展历史，其应用极为广泛。然而，在科学技术高度发达 和商品竞争日益激烈的今天，机械设计、制造和使用部门在产品性能、质量、可靠性及 科学维护保养等方面正面临着新的挑战。为了加速新产品的开发，使之适应大型化、专 业化、高效率、低能耗等现代化装卸运输技术的发展需求，在专业领域里急需进行大量 的研究和探索。 起重运输机械试验技术是近年来因科研和生产发展的实际需要而逐步形成的一门实 验性学科。它主要研究起重运输机械工程中的试验理论、方法以及参数测量与分析等技 术，是专业工作者洞察与研究客观规律，寻求起重运输机械技术进步的强有力的科学武 器。 在科学研究方面，新的理论、新的计算方法的建立以及新产品的研制，都必须经过 实验或试验来证实其可行性和可靠性；机械工程中的许多重要结论及经验公式也是在综 合分析大量模型试验或是实物试验的数据后得出的。 在产品设计方面，当前正在逐步实现由静态设计向动态设计的过渡，这是起重运输 机械技术进步的一个重要标志。为此，设计研究人员需要更多地了解产品的动态特征与 信息。利用动态测试与分析技术，可以获得起重运输机械在各种工作状态下载荷谱、应 力谱和动力传递规律，从而判断和鉴定该机械的性能是否合乎设计要求，同时也为动态 参数识别与修改，进行最优化设计和产品技术改造提供依据。 起重运输机械的另一个值得注意的发展方向，是引入机电一体化系统和故障渗断等 新技术。机电一体化是利用电子计算机对动态检测信号进行处理、分析并发出指令，从 而实现对机械工作的自动化操纵。故障诊断技术的重要组成部分之一，是通过设备运行 状态的监测和分析，对故障作出诊断或预报。显然，这些新技术与现代化测试技术有着 密切联系。 试验技术不仅在上述科研和设计领域里发挥着重要作用，而且还可以用于分析构件 失效与破坏的原因，提高设备的安全储备和承载能力，调节和控制生产过程，检测产品 性能与质量和实行设备的科学维护管理等许多生产技术问题。 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 起重运输机械的技术进步，对试验技术不断提出新的要求，从而推动了试验技术的 发展；而试验技术的发展，又反过来推动着起重运输机械的技术进步。近年来，基础物 理和化学、新材料、微电子学和计算机技术等方面的研究成果，不断应用于测量方法和 试验设备仪器中，使试验技术达到相当高的水平。不断学习和研究新的试验技术，将其 应用到起重运输机械领域里，解决科学研究和生产实践中出现的新问题，不断提高产品 设计、制造与技术管理水平，将是今后一个时期专业技术人员所面临的重要课题 f 0 1 1 ，1 2 国内外大型起重机的发展状况“。 随着社会进步和技术的不断发展，以及各施工企业对高效益和高效率的执着追求， 整体吊装工程越来越普遍，这就要求吊装用起重机的起重能力、作业幅度和高度越来越 大，大型起重机的市场需求随之增长很快。国内大型吊装用起重设备已由过去单一的抱 杆方式，逐步扩大发展成为以高性能、更安全可靠的大型移动式起重机为核心的吊装设 备。而且大型移动式起重机机动性和作业灵活性等特点也深受业内的青睐。除此以外， 浮式起重机和龙门起重机也都担负着海上和造船用大型吊装工作。其中，用于海上吊装 的浮式起重机国内最大吨位已达到3 8 0 0 f ，适于固定场合吊装的龙门起重机最大吨位为 9 0 0 t 。 常用的大型移动式起重机主要有轮式起重机和履带起重机，国内在这方面正逐步向 大吨位发展。发达国家早在2 0 世纪7 0 年代就已生产制造和广泛使用大型移动式超重 机，而且仍在不断研究新技术和新结构，向更大吨位挑战。因此本文针对这两类起重机 来介绍国内外的现状与发展趋势。 ( 1 ) 完备的载荷型谱 国外吊装业已非常成熟与完善，其吊装用起重机也随之得到了长足发展。目前工程 起重机的设计与制造主要集中在德国、美国和日本。例如轮式起重机的主要生产公司有 德国的利勃海尔，德马格，美国的格鲁夫，日本的多田野，住友建机，加藤等。履带起 重机的生产厂家有德国的利勃海尔、德马格、森尼波根，美国的马尼托瓦克起重集团、 林克贝尔特、p h ，日本的神钢、日立住友、石川岛等。各大制造公司的产品历经几 十年的风雨都已形成系列化。 ( 2 ) 超大型起重机 目前履带起重机最大吨位已超过1 0 0 0r ，例如德马格的c c l 2 6 0 0 型超重量为 1 6 0 0r ，利勃海尔的l r l l 2 0 0 型起重量为1 2 0 0 t 。可以说履带起重机在大吨位市场出尽 了风头，这与其接地比压小、带载行走、桁架式臂架自重轻、抗屈曲能力和承载能力强 大连理工大学硕士学位论文 等特点是分不开的。同时桁架臂广泛采用高强度材料，其材料的抗拉强度己超过 1 0 0 0 m p o 。这进一步减轻了臂架自重，使其作业幅度和高度有很大的发展空间。 轮式起重机由于受伸缩臂结构自重和伸缩机构等限制，与同吨位的履带超重机相 比，同幅度同臂长的起重量相对较小。但其转场的机动性比履带起重机灵活，因此轮式 起重机也在不断改进结构，向大起重量发展。轮式起重机主要包括全路面起重机、汽车 起重机和越野轮胎起重机，目前全路面起重机的吨位跃居三者榜首。例如利勃海尔最大 吨位l t m l 8 0 0 型、德马格的a c 7 0 0 型和多田野的5 5 0 t 产品都是全路面起重机。 超大型起重机的另一发展趋势是采用超起装置，它逐渐成为大型起重机的必备装 置。大吨位履带起重机标定的起重量基本上是在超起状态下获得的。例如利勃海尔 l r l 8 0 0 型起重机标定的起重量8 0 0 t ，即表示应用超起装置后的起重量，标准型时起重 量为6 5 0t 。这种超起装置主要从改善结构受力和增加配重两方面来提高起重能力，充 分发挥起重机的潜在性能。为改善臂架的受力，增设了超起臂架，这加大了变幅系统的 力臂，改善变幅受力，从而改善臂架受力，提高了起重性能，这种方式主要是提高整机 小幅度时的起重能力。对于由整机稳定性决定的大幅度起重能力，是通过增设超起配重 来实现的。超起配重可以是悬挂型式，也可以是小车型式。为实现更大的起重能力，可 采用环轨型超起装置。环轨位于起重机行走装置的外围，将配重和臂架铰点都作用于环 轨上，则其所受到的载荷由环轨承担。环形轨直径大，因此可大大提高整机稳定性和承 载能力。例如马尼托瓦克2 2 5 0 型履带起重机，标准型时的起重量为2 7 2 t 。增设超起臂 架和超起配重后，起重量为4 5 0 t 。而增设这种环轨超起装置，并改用重型臂架后，起 重量可达到1 3 0 0 t 。 轮式起重机在超起方面也做了不少努力。2 0 0 0 年德马格新推出的侧支撑超起装 置，可为伸缩臂提供侧向支撑，特别是吊臂几乎处于垂直位置时，有效地提高了起重能 力。该装置己用于a c 5 0 0 型5 0 0 t 全路面起重机上。格鲁夫和利勃海尔也相继推出了这 种产品，用于4 0 0r 以上产品。 ( 3 ) 扩大作业空间的新结构 为了最大限度地使用起重机，要求起重机既能满足大起重量要求，又能满足作业空 间的需要。因此大起升高度、大幅度时的起重量也就逐渐成为衡量起重机的一个重要指 标。为适应工程需求，显然实现的方法是增加臂架长度，但受各种因素的限制，例如变 幅能力、整机稳定性等，臂架的长度不可能无限增加。于是开始不断出现新的臂架结 构。 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 为实现大起升高度和大幅度，主臂与副臂的组合方式被广泛采用。一般在大起升高 度或大幅度下起重量相对较小，因此副臂截面和承载能力都小于主臂，其自重自然小于 同等长度的主臂自重。主臂的作业方式主要用来起吊大的起重量，副臂主要用来实现大 幅度和大起升高度。副臂中，固定副臂型式用于实现大幅度和大起升高度，而塔式副臂 型式用于实现大起升高度时的大起重量，与塔机功能类同。这3 种组合方式已成为大型 起重机的必备组合方式。 除此以外，履带起重机又出现了新的臂架组合方式。前两种副臂型式是副臂铰接于 主臂头部，通过变幅索具固定，这会增加辅助构件，例如撑杆和变幅索具。而最新的臂 架组合型式是副臂通过过渡节直接与主臂连接，省去了撑杆和索具，减轻白重，同时有 利于主臂的受力。这也可认为是扩大主臂作业空间的有效方式。该型式在各大公司的起 重机上都已应用。另新趋势是副臂接副臂，其作业空间显然得到了有效扩大，作业范 围可达到2 0 0 m 以上。该型式己在利勃海尔和马尼托瓦克公司的起重机上有所应用。当 然这两种型式都是应用在大型起重机上，吨位一般在2 5 0 t 以上，否则作业空间虽然扩 大了，但是起重能力很小，也是无济于事的。 轮式起重机伸缩臂作业空间的扩大是通过增加臂节的数目来实现的，但受伸缩机构 尺寸的限制，其长度始终不能突破。格鲁夫和利勃海尔公司先后开发的单缸伸缩技术， 通过单缸伸缩和锁销方式实现臂节一级一级伸出和缩回的方式，大大减小了伸缩机构的 尺寸，从而实现臂节数目的增加。利勃海尔l t m l 5 0 0 型5 0 0 t 起重机臂节达到7 节，长 度可达8 4 m 。 ( 4 ) 日臻完善的自拆装技术 为了最大限度地缩短转场时间，简化拆装，减少辅助作业时间及对其他辅助起重设 备的依赖，国外履带起重机都具有较强的自拆装功能。这给履带起重机带来了全新的生 命力，扩大了市场份额。自拆装系统是在充分利用主机已有构件功能的基础上，增设必 要的部件和传动件而实现的，例如桅杆顶升油缸，配重顶升油缸等。对于大型起重机， 需要从主机拆解的部件有配重、履带行走装置和臂架系统。利勃海尔和马尼托瓦克公司 在此方面做了不少研究工作。利勃海尔公司起重机的自装过程如下，首先通过支腿油缸 顶升使起重机主体部分脱离平板运输车，然后项升桅杆，通过桅杆安装履带行走装置。 其次在地面摆放配重，通过顶升油缸安装配重。最后将臂架在地面组合好，安装臂架底 节，连接变幅索具，通过自身变幅系统实现提升臂架到作业位置。采用这种自装卸系统 实现主机的安装，只需2 3 人在2 3 h 内完成。臂架的安装要视臂架的长短和工作场 地来决定，但安装时间不会很长。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 自动化信息化的集成 液压传动是目前移动式起重机普遍采用的传动方式，其发展历经了早期简单的定量 阀控系统、恒功率变量系统，到后来的按需求变量控制系统、负载传感系统，直到现在 的微电子智能功率控制系统。这些控制系统的不断更新，为提高起重机的调速性能、降 低操作强度、延长设备使用寿命、降低使用成本提供了保证。而数据总线控制技术在起 重机上的应用，将发动机控制、液压控制、安全监测状态监控和极限载荷限制集为一 体，通过总线方式进行信息传递与控制，实现了控制上真正意义的自动化与智能化。利 勃海尔的数据总线控制系统同时借助图形化的显示屏显示起重机的所有信息，例如系统 状态、技术参数等甚至可协助操作者进行故障诊断，显示故障原因、部位及处理方法。 这种先进的控制系统显著提高了控制系统的可靠性、作业安全性、操作舒适性和工作效 率。 ( 6 ) 混合型起重机 履带起重机和轮式起重机各有利弊，将两者取长补短后，混合型起重机应运而生， 这也是起重机新型式的大胆尝试与突破。它集履带起重机桁架臂大起重量、大作业空间 的优势和轮式起重机的机动灵活优势于一体，主要用于大型起重机。马尼托瓦克和利勃 海尔公司先后生产了这种起重机，吨位在2 5 0 t 以上。其实2 0 世纪7 0 年代就有类似的 产品，例如德国格特瓦尔德( g o t t w a l d ) 公司的m k 6 5 0 型5 0 0 t 桁架臂起重机，与现代 同类产品比，不能自行，需要拖车运输。目前这种起重机还没有成为主流起重机，产量 较少，还有待市场的认可与开拓。 ( 7 ) 国内大型起重机现状 国内履带起重机和轮式起重机的开发能力还处于中小吨位级别。从产品规模、吨位 大小和可靠性方面与国外还是有一定差距。这需要我们在不断消化吸收国外先进技术的 基础上，立足于国际化配套，更快地提升产品质量和性能，扩大生产规模。 目前国内各工程项目的不断开展，带动了工程起重机的市场强劲的需求尤其是大吨 位起重机，其中进口起重机占据了国内一半以上的市场。以履带起重机为例，2 0 0 3 年 进口的起重机有2 4 5 台，其中大连港进口2 0 0 t 以上的产品就有4 5 台之多，最大的吨位 达到6 0 0 t 。2 0 0 4 年上半年的进口量由2 0 0 3 年的9 3 台增加到2 2 8 台，同比增长1 4 5 。而2 0 0 4 年上半年的国产销售量为1 0 7 台( 不完全统计) ，仅占总销售量的3 2 。 据估计2 0 0 t 以上的工程起重机每年需要千台以上。因此工程起重机在国内有着极大的 发展空间和市场潜力，尤其是大型起重机。国内企业应抓住机遇，应用先进技术和通过 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 国际化配套，不断开发设计具有自主知识产权的大型起重机，尽快提升产品质量，阻提 高产品的竞争力，与国际名牌产品竞争市场。 总之，起重机的发展趋势为采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。 结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材 料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和美化外形。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 起重运输机械试验技术 1 2 1 电测量技术”。 在机械工程测量中，大多数被测量为非电量测量，如力、位移、速度、加速度、噪 声等等。将非电量转变为电量，运用电量的测试技术对其进行记录分析，称为非电量的 电测技术，简称电测量技术。电测量技术与其他测量技术相比，具有准确、灵敏、能连 续测量、便于自动记录和分析，可与电子计算机和微处理机连接做成智能化仪等优点， 因而是机械工程中的一种主要授量方法。一个完整的电测量系统通常由传感器、测量电 路与放大器、记录仪、指示器、数据处理分析仪等几个部分组成。 传感器是整个钡5 量系统的最初输入环节，它获得信息的正确与否，决定了测量系统 的精度。因而对传感器的性能一般有下列要求： 1 ) 输入、输出有良好的线l 生关系，且灵敏度高。 2 ) 滞后、漂移误差小。 3 ) 使用维修方便，对被测物或被测状态影响小。 4 ) 内部噪声小，不易受外界的干扰。 5 ) 能耗低。 在实际应用中，使用者应根据测试的目的、环境、测量的精度等具体要求，综合考虑， 合理选用传感器。 1 2 2 应力应变测量一。 一、起重机金属结构应力测量 ( 一) 、金属结构应力测量的任务 金属结构构件的理论计算是根据简化了力学模型来进行的，实际构件的受力情况要 复杂得多。因此，要求出较为真实的构件内力，就必须进行结构的应力应变铡量。起重 机械金属结构的应力应变测量主要有下几个方面。 1 校核性测量：校核性测量的目的主要是验证强度计算的结果。通常情况是测量 那些理论分析不成熟处或某些特定点的应力。例如，新产品样机试制完成，验证其是否 达到设计要求。 一 2 改进性测量：改进性测量主要是找出构件破坏的原因或构件破坏性试验。测量 重点是确定构件的最大应力。 3 节约性测量：节约性测量的目的是为了节约材料或减轻机械设备重量，其重点 应放在测定那些强度储备较大的构件上。 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 4 优选性测量：为了比较几种设计方案的优劣，只须选择几种产品( 或模型) 几 个对应点处进行应力测量就可以了，而不必进行全面测量。 5 增潜性测量：增潜性测量主要是针对老产品或进口的某些设备，其结构件可能 有潜在的承载能力，经过应力测试确认后，对设备进行适当的改造，就可以挖掘利用其 潜力。例如增大起重机的起重量、提高其起升高度等。 6 其他特殊要求的应力测试。 ( 二) 、测量截面的选择 应力应变测量中，首先遇到的问题就是应该测哪些构件( 哪些构件可以不测) ：构件 上主要测哪几个断面；断面上测点如何布置以及应布置几枚应变片等。 1 测量构件与断面的选择原则 1 ) 构件选择原则： ( 1 ) 主要承力构件； ( 2 ) 曾发生过损伤的构件。 2 ) 测量断面的选择原则： ( 1 ) 设计计算书( 含内力图) 提供的应力较大的断面： ( 2 ) 受力分析中承载较大的断面； ( 3 ) 有损伤或曾经发生过损伤的断面： ( 4 ) 具有代表性，便于分析与计算的断面； ( 5 ) 现场测量中，对布片测量工作是方便的、安全的断面； ( 6 ) 对结构与受力具有对称性的构件，以一边构件为主，而在另一边构件的对应 断面上适当布几个校核测点，以保证测量值的准确可靠。 在满足测量目的的前提下，测量断面宜少不宣多，以便突出重点，提高效率，保证 质量。 2 测量断面上应变片的布置原则 1 ) 主j 立力方向已知： 轴向受力构件一应变片可在断面上、下或左、右沿轴向布置。 受弯构件一最大弯矩处断面的边缘或四角沿轴向布置。 弯矩与轴向力共同作用的构件断面上四角不少于四片轴向布置。 2 ) 主应力方向未知： 大连理工大学硕士学位论文 受弯构件的正应力与剪应力共同作用的区域；断面形状不规则或有突变处；汇交力 系的杆件节点以及板壳结构等。这些部位主应力的大小、方向都是未知的，应力应变测 量时，应选用三片4 5 0 或三片6 0 0 的应变花。 静 3 ) 对于少数重要应力测点，应有校核测点( 如贴双应变片) ，以便提高测量值的 可靠性。 二、应变的测量 ( 一) 概述 应力、应变测量是机械工程测试技术中应用最广泛的测量方法，其目的是掌握被测 件的实际应力大小及分布规律，进而分析及其构件的破坏原因，寿命长短，强度储各； 验证相应的理论公式，合理安排工艺：提供生产过程或屋物理现象的数学模型；同时它 也是设计制造用于测试许多机械量的各种应变式传感器的理论基础。应力测量可分为单 向应力测量和平均应力测量，前者可用单个应变片测量，后者一般要采用应变花测量。 对于每个具体问题一般都可按下面步骤进行；对被测件进行应力应变分析确定贴片 方式确定组桥方式根据测得数据进行结果计算。本节介绍的应变测量的基本原 则不仅适用于静态应变测量，也适用于动态应变测量。 ( 二) 简单受力状态的应变测量 1 、单向拉伸( 压缩) ( 1 ) 应力应变分析一简化的单向受拉件如图1 1 a 所示，在轴向力f 的作用下，其 横截面上是均匀分布的正应力，外表面是沿轴向的单向应力状态，只要测得外表面上的 轴向应变s ，便可以由下式求得拉力f ： 鼻叠f 宦 霍蚕盘粥扳l t 一 b ) 叫塾 图1 1 单相拉压贴片与组桥 f i g 1 1s 虹a mg a u g es t i c k i n g f a s h i o nu n d e r p u l l i n g o rc o m p r e s s i n g 式中f _ 一拉( 压) 力( n ) a 截面积( 胧2 ) ： 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 盯正应力( 只) ； e - - - q 单性模置- ( p o ) ； 卸由拉( 压) 应力产生的实际应应变，无量纲。 ( 2 ) 贴片组桥及桥路温度补偿一贴在试件上的应变片，由于环境温度改变导致其电阻 变化出，对测量精度的影响是不能忽略的，尤其在静态应变测量时，必须采取措施以减 小或消除温度变化的影响。组桥时，可利用电桥的加减特性进行桥路温度补偿，其温度 补偿的条件是：两只参数完全相同的应变片，贴在相同材料的试件上，放在相同的温 度场中，接在相邻桥臂，则电桥输出可以补偿这两只应变片由于温度变化产生的电阻变 化欲，。测量时，常用补偿片或工作片进行温度补偿。 1 ) 采用补偿片温度补偿一根据以上分析，贴片如图1 1 a 所示，为满足温度补偿条 件，两只相同应变片应选自同一生产批次，其中，工作片r ，贴在沿试件表面轴线方 向，补偿片r ：贴在与试件材料相同的温度补偿板上，将r 。、r ，组成半桥( 如图1 1 b 所示) 接入应变仪。测量时，补偿板应放在与试件相同的温度环境中，这是，两只应变 片由温度变化产生的电阻变化相等：弓，= a r ：，而工作片r ，的电阻变化则由两部分 组成( 还有拉应变引起的电阻变化r 。，) ， u m = 鲁c 坐净 即：a r 】= a r l f + 址i ，。电桥输出为 一等r ) = 堕4 ( 譬r ) = 堕4 酶 1 ，、 t ， p 式中u 。电桥输出电压( v ) ； 己，。电桥供桥电压( v ) ； a r 应变片电阻变化值( q ) ； 丘应变片灵敏系数。 由上式看到，由于温度变化产生电阻变化a r 。，已经消除，静态应变仪读数： 5 仪= 卸仅为机械变形。一下为讨论问题方便，凡符合温度补偿条件者，均不再写入推 倒公式中。 2 ) 采用工作片温度补偿一为增加电桥输出及测量方便，采用工作片补偿法，其贴 片如图1 1 c ，组桥如图1 1 b ，因为r 2 沿试件轴线的垂直方向粘贴，故有9 2 = 一s ， 则电桥输出为 u 。= 导k ( s l - - s 2 ) = - 鲁- k b l - - ( 柏) 】= 警足( 1 + z 冯 式中弹性材料的泊松比。 大连理工大学硕士学位论文 静态应变仪读数：g n = ( 1 + z ) s l ，实际应变：e f 。q 5 钆( 1 + ) 。 为增加电桥输出，也可以采用全桥测量，电桥输出可增加一倍。 2 纯弯曲 ( 1 ) 应力应交分析一图1 2 a 为一受纯弯瞌载荷的梁，在弯矩m 的作用下，其最 大正应力在梁的上下表面轴线方向上，其值为盯= + _ m w ，表面应变为= e r e ，只 要测得实际应变，梁上弯矩可由一下公式求出 巴一 l 心 l 一仁3 一一- o o 图1 2弯曲应力下贴片与组桥 f i g 1 2s t r a i ng a u g es t i c k i n g f a s h i o nu n d e r b e n d i n g m = o w = e 计s m 式中m 弯矩( n m ) ； w 抗弯截面模量( m 4 ) ； 占。，由弯曲应力产生的表面实际应变，无量纲。 ( 2 ) 贴片组桥一可将应变片贴在梁上下表面的轴线上( 如图1 2 a ) ，组成半 桥或全桥接入仪器，便可测得梁表面的应变值a 1 ) 半桥一接线如图1 2 b ，因为毛= + 8 m ，占：= 一，故电桥输出为 u 。= 净世( e l - - 8 2 ) = 鲁酢 静态应变仪读数：8 仪= 2 s 。，实际应变：s m 2 8 仪2 。 2 ) 全桥一接线如图1 2 c ，同理，因为s l = s 4 = + ；s 2 = - 8 4 2 一，故电 桥输出为 ：牛酢， i - 8 4 - - 8 2 咱) = - t k ( 4 s u ) 静态应变仪读数：= 4 8 。，实际应变：8 m 5 4 。 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 1 2 b 应变电测误差分析 5 在应变电测试验中，由于受很多因素的影响，总是存在着误差，为了在测试中能够获 得较高的精度和可靠性，必须掌握误差分析的基本知识及方法，找出误差可能产生的原因 和它们的规律，设法减少误差对测量结果的影响 1 、电阻应变片灵敏系数k 的误差及确定方法 所谓灵敏数，是指单位应变所引起的应变片阻值的相对变化，可由下式表示 衄： k = 聋= 妄等 三 式中：s ，平行于应变丝方向的应变； 等由疋引起的电阻相对变化a 由于应变片丝栅由圆头部分，于是横向应变s 。也能引起电阻的变化，产生了横向效 应，故实际电阻变化为 警也k r 7 由材料力学知，e 。= 一，蝠，所以铭牌的电阻应变片的灵敏系数k 为 ：上竺：鱼! 竺：k ，一胚。 s 。rs 7 若以横向效应系数c 来表示k ，与k 。的关系，即 c ：生 k ， 放 k = ( 1 一c ) 世； ( 2 ) 2 、初始值对k 的影响 应变片灵敏系数的定义为r r 与虬三的比，但它没有指明r 和l 是在什么情况 下测得的。如果这一点不加说明，则在标定塑性范围和确定半导体应变片的灵敏系数中 就会引入很大的误差，现作如下分析： 按严格的要求，电阻应变片的灵敏系数k 的定义应该是 大连理工大学硕士学位论文 r ( 3 ) 式中：厶试件在为受力时的长度( 2 0 0 c ) ； 恩应变片在未受力时的电阻值( 2 0o c ) 。 址及a r 是在应变占作用下所引起试件的伸长量及电阻改变量。 然而，在实际标定中k 值是以标定梁初始状态下的r 及l 来计算由于标定梁在初始 状态下都受有一定的应力，而电阻应变片也由于粘贴在梁上受有初始应力，所以在初始状 态下的。及马是不同于上。及凰的因此，在实际情况下所标定的灵敏系数为 = + 等”警+ ( 等) 2 一 1 2 4 电- i 9 1 4 应力实验中应变片的粘贴技巧“。 在电钡4 技术中，应变片的粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关 键性的环节，必须予以注意。为提高电测结果的准确性，我们应在应变片的粘贴过程中 做到认真操作，一丝不苟。 在选好应变片准备粘贴之前，我们应对应变片作严格仔细地检查，检查的内容包 括： ( 1 ) 应变片的外形检查，即检查应变片是否存在断路、短路现象，片中各部位是 否有损伤、折断发生，片中是否夹有气泡或霉变现象等等。 竺 1 一s 1 1 面一厶 = k 竺r 至厶 1 1 茁 喝 _ 月 一一 i l 峨 系关的 k 与出得可酌 式 设 由 一生一岛 h 一 = 岛一心一厶一日 i | 一墨 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 ( 2 ) 应变片电阻值的检测。为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围( 这 个范围通常在加减0 5q ) ，可事先用精度较高的欧姆表或采用直流电桥对其进行检 测，以免因同组使用的应变片的阻值误差太大而造成测量结果欠准。 ( 3 ) 检查应变片上是否有中心线。若无，则应在其基盖上补画出纵、横线条，这 样可方便粘贴应变片。与此同时，被测试件的表面上应画出定位线，以确保应变片的粘 贴到位。若被测试件的表面质量不高，将会影响应变片的粘贴，为此，我们应对试件粘 贴表面进行打磨以清除被测点处的氧化皮及污垢，再用细砂皮纸在试件粘贴部位( 一般 应大于应变片面积3 5 倍左右的面积) 进行打磨，以保证表面的足够光滑，从而保证 应变片能牢固顺利地粘贴。 粘贴应变片前，还需用脱脂棉球蘸上清洁溶剂，如丙酮、无水酒精、四氯化碳等溶 剂擦洗被测点处的油污，直至棉球上无明显油渍为止，且注意此时勿用手触摸清洗后的 表面。然后在应变片的粘贴面涂上一层胶水，一般宜薄不宜厚。将应变片的方位线对准 事先在试件上的划线，此时应密切注意应变片的方位线与试件的划线是否重合，这时可 在应变片上盖上一层透明纸( 或蜡纸) ，一只手捏住应变片的引出线，另一之手的手指 反复轻轻滚压透明纸表面，以使将里面多余的胶水和气泡挤出。滚压应变片时切记不能 垂直用力，不能产生滑动或转动，待胶水和气泡被完全挤出后，还应保持手指不动约一 分钟左右，以保证应变片的粘贴牢固。 粘贴后的应变片可让其在室温中自然干燥1 5 2 4 小时。为节省时间，也可在自然 干燥数小时后，用红外线灯进行烘烤，但温度应控制在不超过4 0 c 至08 0 范围。若一 开始就烘烤，则应变片敏感栅材料的电阻系数将会随温度的骤然变化而变化，这对于后 面的测试工作不利。 上述工作完成后，还应对应变片的粘贴质量进行检查，例如可通过放大镜观察应变 片位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片是否粘贴牢固；用万用表测量应 变片有无断路、短路现象。若无异常，则再用低压变阻表测量应变片的引出线和金属试 件之间的绝缘电阻是否符合要求，这阻值通常应达到i o o m f 2 以上才可作用。 接下来，我们在应变片的引出线附近粘贴一片接线端子，同时在引出线下面粘贴一 层绝缘胶布，此举意在保证引出线焊点处的绝缘。尔后将测量导线的一端靠近应变片的 引出线，在测量导线焊接端去皮约3m m 并涂上焊锡后，用电烙铁将应变片引出线与测 量导线进行焊接。按时要快切准，以免产生氧化物而影响焊接质量。 应变片接好导线后应立即在应变片的焊接端子处涂上一层防护层，以对其进行防 湿、防潮、防老化处理，短期防护可采用凡士林作防护剂。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 电阻应变方法浅析“。 在解决工程结构的应力应变分析时，实验应力应变分析是与理论应力应变分析相并 列的一个重要分支。应力应变电测技术是实验应力应变分析方法中应用最广泛和适用性 最强的方法之一。电阻应变测量依据电阻丝的电阻率随电阻丝的变形而变化的关系，把 力学参数转换成与之成比例的电学参数，通过测量电学参数并依照一定的比例关系将其 转换成试件的应变值。笔者综合考虑了温度、磁场对测量的影响，对导线电阻引起的误 差进行了修正，推导了精确的应变计算公式，消除了通常的应变计算公式中包含的线性 误差。 1 ) 电阻应变测量电路分析与设计 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把 电阻相对变化r r 转化为电压或电流的变化。因此，需要设计专用于测量应变变化而 引起电阻变化的测量电路，本方法采用了直流电桥。 ( 1 ) 直流电桥平衡条件 如图1 3 所示，e 为电源，r ，r 2 ，r 3 及r 。为桥臂电阻，心为负载电阻a 当 月，斗o 。时，电桥输出电压为 1 ,且 ( 2 ) 直流电桥工作原理 图1 3 直流电桥 f i g 1 3d cb r i d g e c i r c u i t 即一咄碱卺= 去 ( 2 ) 击熹 有时衡 平桥 大型桁架起重吊臂的应力测试与有限元分析 应变片工作时，若应变片电阻垦变化为r ，+ a r ；，其他桥臂固定不变，则桥路不平 衡输出电压为 吣e 志一彘卜 r 4 艘i r 3r 1 + 等r + 舟rj l +