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焊接式水下应力测量方法及装置的研究 摘要 电阻应变电测是解决工程力学问题的重要手段，户# i - n 量往往要涉及 潮湿的环境，从而使应变计防潮处理困难、繁琐。将普通应变计预粘贴到 薄钢衬片上，在实验室内完成应变计及引出线的保护封装工作，再采用焊 接方式焊接到测量位置，可克服潮湿或水下环境防护操作的问题，提高效 率并降低成本。 针对采用焊接方式将不锈钢衬片焊接到测量位置的主要特征，基于材 料力学、弹性力学进行理论分析，结合有限元计算和相应实验进行焊接式 水下应力测量方法及装置的验证，主要研究结论如下： ( 1 ) 实际应用中的等强度梁，当由于加工的原因而使外载荷作用点朝固 端偏移时，梁表面的应力及应变分布是不均匀的，应力及应变随固端距离 非线性变化，在梁端部较小区域内，应力极应变卤固端距离x 近似为一 元线性关系；而较大时，民s 随x 进行高次变化。 ( 2 ) 弯曲载荷作用下，焊接不锈钢衬片测量结构体的应变，在衬片厚度 取o 0 5 o 2 0m m 时，可用推导的公式修正测量值。在考虑实验误差允许的 条件下，并当衬片与被测物体的弹性模量相近时，应变测量值亦可不用修 正，采用o 1 0m m 的衬片的测量精度最高。防水后可用于潮湿及水下测试。 ( 3 ) 单向拉伸加载下，在衬片厚度为o 0 5 0 1 0m m 的范围内，采用本 文推导的公式进行修正具有较高精度；从实验的可操作性，减少实验误差 角度出发，推荐使用o 1 0m m 厚度的衬片。进行防水封装后可用于潮湿及 水下测试。 ( 4 ) 在单向拉伸加载的基础上，针对二维加载情况，推导出了真实应变 与测量值问的关系，并通过有限元对多种材料组合方式进行计算和分析来 验证，在衬片厚度4 办o 1 0m m 下，其能够良好反映真实值与测量值间的 关系。 ( 5 ) 在焊接衬片的基础上，制作出了焊接式应力测量装置，通过有限元 计算及实验测试，表明测量值与真实应变为线性关系，该装置防潮防水性 能好，操作简便，成本低，可便于工程应用。 关键词：应变传递应变测试不锈钢衬片等强度梁有限元水下应力测 试 r e s e a r c h o nw e l d a b l em e t h o d a n dd e v i c ef o r s t r e s sm e a s u r e m e n t i nu n d e r w a t e r a b s t r a c t t h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c es t r a i nm e a s u r e m e n ti s a ni m p o r t a n tm e a nf o r s o l v i n gp r o b l e m so fe n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ，o u t d o o r s t r a i nm e a s u r e m e n t sa r e o f t e ni n v o n e di nh u m i de n v i r o n m e n t ，s ot h a tt h et r e a t m e n tf o rm o i s t u n n g i s d i f f i c u l ta n dc o c k a m a m i e t h e r e f o r ea c c o m p l i s h i n gt h e p r e w o r k o fs t r a i n g a u g e f o ra d h e r i n gt os t a i n l e s ss t e e lf i l ma n dw a t e r p r o o fp r o t e c t i n g i n1 a b o r a t o t h e nw e l dt ot h es t m c t u r e si nd a m pe n v i r o n m e n tf o rs t r a i nm e a s u r e m e n t ，t h i s w a y c a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr e d u c e t h ec o s to fs t r a i nm e a s u r e m e n t b a s i n go nt h et h e o r yo f m a t e r i a lm e c h a n i c sa n de l a s t i ct h e o r y , t h i sp a p e r p r e s e n t st h ew e l d a b l em e t h o da n d d e v i c ef o rs t r e s sm e a s u r e m e n t 1 nu n d e 刑a t e r a s s o c i a t e dw i t h t h ev e r i f i c a t i o n f r o mt h ef e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e s t h em a i n c o n c l u s i o ni sg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 、) t h es t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t eo nt h es u r f a c eo f e q u a ls t r e n g t hb e 锄i f i t s1 0 a dp o i n ts h i f tt o w a r dt h ec l a m p e de n d a st h er e s u l to fp r o c e s s m g a r e n o n l i n e a rc h a n g i n g t h e s t r e s s仃a n dt h e s t r a i nsa r e1 1 n e a rc h a n g i n g a p p r o x i m a t e l yb e s i d e t h ec l a m p e dt i p ；o t h e r w i s et h e ya r eb o t hf o l l o w i n gi n h i g h e ro r d e rt e r m ( 2 ) t h em o d i f i e df o r m u l ai sa v a i l a b l et oc o r r e c tt h ev a l u eo f s t r a i nw h i c hi s m e a s u r e db yt h ew a yo f w e l d i n gs t e e lf i l mt h a tt h i c k n e s si sf r o m0 0 5t o0 2 0 m mt ot h es t r u c t u r eu n d e rt h eb e n d i n gl o a d w h e nt h e e x p e r i m e n te r r o ri s a l l o w a b l et ol a b o r a t o r ya p p a r a t u sb e s i d eb o t ht h em o e ( m o d u l u s o fe l a s t i c i t y ) o fs t e e lf i l ma n ds t r u c t u r ea r e s i m i l a r ，t h ev a l u eo fs t r a i ni s u n n e c e s s a 巧t o c o r r e c t ；t h et h i c k n e s si n0 10r n l ni st h eb e s tc h o i c e t h i sw a yc a nb eu s ei n d a m pe n v i r o n m e n tf o rs t r a i nm e a s u r e m e n ta f t e rw a t e r p r o o f p r o t e c t i n g ( 3 ) t h em o d i f i e df o r m u l ap r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sm u c ha c c u r a c yt o c o r r e c tt h ev a l u eo fs t r a i no nt h ec o n d i t i o nt h a tt h et h i c k n e s so fs t e e l f i l mi s f r o m0 0 5t o0 10m mu n d e rt h eu n i d i m e n s i o n a ls t r e t c h i n gl o a d t h et h i c k n e s s i no 10m mi sm o r ea v a i l a b l et oi m p r o v e m a n e u v e r a b i l i t ya n d r e d u c ee x p e r i m e n t a le 啪r t h i sm e t h 。dc a ns a t i s f yt h ec o n d i t i o n so f s t r a i nm e a s u r e m e n ti nd a m p e n v i r o n m e n t ( 4 ) t h ef o r m u l aa b o u tt h er e l a t i o no ft r u es t r a i na n dm e a s u r e dv a l u eu n d e r t h et w o d i m e n s i o n a l s t r e t c h i n g l o a di s e x p r e s s e d o nt h eb a s i so ft h e u n i d i m e n s i o n a ll o a d ，v e r i f i c a t i o no fd a t af r o mf e m c a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h i s f o r m u l ai sw o n d e r f u lw h e nt h et h i c k n e s so ft h es t e e li sl e s st h a no 10 m m ( 5 ) t h ew e l d a b l ed e v i c ef o rs t r e s sm e a s u r e m e n ti nu n d e 刑a t e r i s m a n u f a c t u r e d ；b o t hf e mc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h el i n e a r r e l a t i o nw i t hm e a s u r e dv a l u ef r o mt h i sd e v i c ea n dt h et r u es t r a i n t h ed e v i c e ： g o o dw a t e r p r o o fp e r f o r m a n c e ，s i m p l eo p e r a t i o n ，l o w c o s t ，c a nb ea p p l i e d i i c o n v e n i e n t l yi ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：s t r a i nt r a n s f e r ；s t r a i nm e a s u r e m e n t ；s t a i n l e s ss t e e lf i l m ；e q u a l s t r e n g t hb e a m ；f e m ；s t r e s sm e a s u r e m e n t i nu n d e r w a t e r 符号说明 符号术语单位 e o被测体弹性模量 m p a 晟衬片弹性模量m p a 泊松比 r 2相关系数 丁检验线性相关性的统计量 s 检验正太分布的统计量 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 1 1 前言 第一章绪论 电阻式应变计是目前世界各国最常用的传感元件之一，被广泛应用于应变、应力、 扭矩、弯矩、加速度和位移等物理量的测量中【1 2 】，电阻应变电测是解决结构和机械强 度问题的一种重要应力分析手段。电测技术发展历史悠久( 3 ，4 】，它起源于w t h o m s o n 从 海底电缆阻值的变化与它们应变间存在的函数关系给出的电测基本原理。二战后，随着 全球经济复苏对机械零件及工程结构受力状态的迫切了解，促使电测技术取得飞速发 展，相继出现了利用环氧基底制成金属箔式电阻应变计【5 】和半导体电阻应变计，并逐渐 用于工程应力应变的测量；随着溅射技术、真空蒸镀和化学气相淀积等技术制成薄膜应 变计的发展和使用，以及各种测量仪器的出现和应用，奠定了应变电测技术在实验应力 分析中的重要地位。 工程中诸多设备如锅炉、管道等是在潮湿或者有流体介质中工作的，要确保它们的 强度符合设计要求，对它们应力应变的测量【6 。9 】是不可缺少的，而21 世纪是海洋的世纪， 随着对海洋的开发，越来越多的设备将面临海水的考验。采用电阻应变计测量这些设备 的强度问题具有成本低、适用范围宽等优势，因此，研究适用于潮湿和水下的电阻应变 测量方法及装置，对人类的生产、生活等方面具有重要意义。 1 2 电测原理及特点 在电阻应变测量中，将电阻应变计粘贴到结构体相关位置，构件产生变形时，应变 计能同步产生相同应变，从而使电阻应变计敏感栅的阻值发生变化，通过对阻值变化的 测量，从而计算出构件的应变。因此电阻应变计的主要性能与敏感栅有关，要了解其应 变与电阻间的关系，即电阻应变效应 1 0 , 1 1 l 。 在常温条件下，一段长为三，截面积为爿，电阻率为p 的应变电阻材料，其电阻为 ， r = 尸 ( 1 1 ) 以 在轴向外力的作用下，栅丝产生变形e = d l l ，则其电阻的变化为 塑：d , o + 一d l 一一d a ( 1 - 2 ) r p la 堕丕堂堡圭堂篁笙銮焊接式水下应力测量方法及装置的研究 - 二_ 二- = ，二二_ 二二一：三：= = ：= = ： 截面变化关系： 了d a = 一2 t d l ( 1 3 ) 4 。 三 p 叫 为材料泊松比。式( 1 3 ) 代入式( 1 2 ) 有 ，百d r 一_ 了d , o + ( 1 + 2 ) 警 ( 1 - 4 ) ， r p ? 一l v 研究表明d p l p 的变化与材料的体积变化d v v 有关，即 d pd v o = ，竹一 知却，警 。5 从而有 和l + 2 t + m ”2 肛k 占 ( 1 - 6 ) x o = 1 + 2 + m 0 - 2 比) 式( 1 6 ) 即为应变计敏感栅电阻相对变化与应变间的关系，泊松比脓系数m 在特定 的应变范围内保持不变，从而式( 1 6 ) 中的变量为线性关系，建立了电与力两学量问的比 例关系，将应变变化值转化为电阻变化值。 在常温的测试中，一般采用惠更斯电压输出电桥电路，将应变计敏感栅阻值变化转 换为电压的变化值，如图i - i 所示。电阻应变计及电阻接入电桥的桥臂，一般采用全等 b 图1 1 电压输出电桥 f i g 1 1t h eo u t p u t v o l t a g eb r i d g e 臂电桥，即初始电阻墨= r = 尼= 心= r 。电桥输出电压4 与桥臂方式有关，如单臂 桥路，即只将一个应变计接入电桥的一臂，假设为r l ，当应变计感受构件产生相同应 变耐，电阻变为r l 十a r l ，则有 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 戤2 石a r 鬲1 u 等等2 弘 m 7 ， 4 ( 墨+ 云4 蜀) 1 1 、 。 若4 个桥臂电阻都用应变计，有 么一u、百ar,一等+等一等)竺k4 r r4 ( q 一乞+ 毛训 ( 1 - 8 ) 2 、冠 ， 足4 7 3” 、 k 为应变计的灵敏系数。由此将电压加以放大，然后进行记录和分析处理，求解出应变 值，再根据材料的本构关系，从而了解被测构件的应力分布情况。 不同的工作用途对电阻应变计的工作特性的要求是有所不同的，在常温下，电阻应 变计的工作特性主要有灵敏系数、电阻值、应变极限、机械滞后、热输出和绝缘电阻等。 在实际测量中，根据需要选择合适工作特性的应变计并进行必要保护以保证测试的准确 和可靠。 电阻应变测量法在工程应变测试中之所以被广泛应用，其主要特点和优点有： ( 1 ) 应变输出线性好，测量灵敏度高。 ( 2 ) 应变计形小量轻，通常不会干扰被测对象的应力分布状态。 ( 3 ) 测量应变量程大。 ( 4 ) 价格低廉、使用方便。 ( 5 ) 频率响应迅速，可测频带宽。 ( 6 ) 可在高温、强磁场等特殊环境下进行测量。 ( 7 ) 易于实现测试过程的自动化和远距离遥测。 这些特点使得电阻应变计在应力分析中仍具有广阔的应用前景，对它的测试方法和 防护方式的研究从未间断。 1 3 国内外研究现状、水平及发展趋势 随着工程的发展，越来越多的装置要使用在潮湿的环境中，相应的其关键部位应力 的测量也处在潮湿环境下 1 2 。1 6 】；而对冻土、路面等1 7 2 0 1 特殊物体的应变测量也要面对潮 湿环境，为了使应变电测过程顺利进行并且准确可靠，必须对应变计及连接导线进行相 关的防潮防水处理，使粘接剂不失效，保证绝缘电阻不受液体或气体介质的影响而发生 变化。目前，在涉及潮湿环境的应变测试中，应变计保护方法主要有机械密封法和化学 涂层法。 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 1 3 1 机械密封法 机械保护法【2 l 】是使用钢防水盒，采用焊接螺钉方式压住橡胶膜实现的。但该防护装 置易发生破裂和失稳，且产生附加的弯曲应力，影响测点的应变场。由于存在的诸多缺 陷，除在具有水流冲刷情况下，机械保护法很少在其它场合进行应力应变测试的应用【2 2 1 。 我国有关部门【2 3 2 】用金属防护罩的方法对应变片进行防护，并在锅炉锅筒内壁进行实际测 量，结果表明这种方法在测点区域有热惯性及刚度加强的影响。文汉英等【2 4 】采用无缝钢 管做成机械式刚性保护罩，其对比结果得出增加保护罩后测量值有所减少。所以，用机 械防护的效果并不是太理想。 1 3 2 化学涂层法 在潮湿或水下环境进行应变测试时，最常用的应变计防潮防水处理是化学涂层法， 即在干燥的环境下先将被测结构的待测表面打磨平整、清洗干净，然后粘贴应变计；在 应变计及引出导线处的表面覆盖一层或几层化学防水剂。化学防水剂一般应具有以下性 能 2 1 , 2 5 】： ( 一) 有良好的防水特性，能在水下维持应变片的绝缘电阻。 ( 二) 对试件和导线有良好的粘结性能，保证涂层在应力测试过程中不滑脱。 ( 三) 弹性模量低，不影响测点处的应变场。 ( 四) 具有稳定的压力和温度效应，最好与液压成线性关系。 ( 五) 具有一定的抗张能力，在高压水脉冲压力作用下不发生裂纹。 ( 六) 能常温固化，使用方便。 ( 七) 化学性能稳定，长期使用不失效，具有一定的抗冻性能。 在潮湿或水下环境进行应变测试所使用的防潮防水剂的种类很多，常温下使用的主 要有几种： 1 ) 环氧树脂胶 环氧树脂胶为热固性，是靠分子聚合反应而固化，其主要成分是环氧树脂，并酌量 加入固化、增塑、增韧剂等。环氧树脂胶用于液压下的应变测试时，具有的优点主要体 现在防潮防水性能好，绝缘电阻高；对多种材料具有良好的粘结性，机械强度高而弹性 模量低；常温热变形稳定，能耐化学溶剂和油类；固化时收缩和蠕变都小。 2 ) 脂类防潮剂 4 广西大学硕士学位论文 一 生堡茎查! 窒垄型量銮鎏墨茎墨! 皇! 堡塑 一一 黄油、凡士林、松香等都属于脂类防潮剂。他们的防水效果较好，涂敷和制备也比 较方便，突出的特点是压力效应小。但由于机械强度较差不能成型和固线且熔点低，所 以一般不单独使用，而常与其它材料配合，组成复合防潮剂。 3 ) 石蜡类防潮剂 石蜡和石蜡合剂均属于此类防潮剂，防潮效果较好，使用比较方便，机械强度和成 型能力较脂类好，常单独作为室内测量的防潮剂。由于石蜡凝固时易产生微小裂纹，所 以常与松香、凡士林等组成石蜡合剂。 为综合利用各种涂层的优点，常采用组合式防水涂层2 6 2 7 】： 图1 2 为软性涂层的结构方式，可采用医用凡士林、黄油、二硫化钼和褐色炮油。 1 试件2 塑料薄膜3 软性涂层4 应变计5 导线6 不锈钢片 图1 - 2 软性防水涂层构造 f i g 1 2c o n s t r u c t i o no fs o f tw a t e r p r o o fc o a t i n g 在使用时，首先将防水剂加热熔化以除去水分，等冷却后直接涂在已经固化的电阻应变 计及清洗干净的构件表面上。 图1 。3 给出了通常采用的一种综合防潮措施，内层为凡士林，外层涂抹机油，最外 层为固化环氧树脂。在使用化学涂层法上，王义荣等1 2 8 】探讨了图1 3 所示的高压水下应 变计的综合防潮工艺，并成功地用于3 0 0k g f c m 2 压力的大型容器现场实验，并讨论了液 压、温度等因素对应变测量的影响。于克江嘲探讨了高液压下应变测量技术的方法，并 就压力效应和温度效应对测量结果的影响进行了简要分析。沈建民1 3 0 j 采用电阻应变电测 对1 5 x 1 0 4 m 3 油罐进行了应力测试，分析大型油罐的静强度问题，对确保大型油罐的安全 具有积极意义。套管挤毁失效是套管的主要失效形式之一，蔡晓闻【3 l j 采用在套管外壁粘 贴应变片的方式，可研究套管挤毁失效过程中的应变变化情况，介绍了一种套管挤毁试 验水下应变的测试方法，该方法可较好解决在高压水下应变片的绝缘防护、导线引出高 压容器的密封等问题，可成功地检测套管外壁的应变随外压变化的规律，对研究套管的 堕盔堂堡主堂鱼笙塞 一 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 二二= 二二：= ：= = ：= = = ： 1 一崮化环氧树腊2 一试件3 一橡皮4 - 机油 5 一环氧树脂纱布6 凡士林7 一应变计8 一引出线 图i - 3 综合防潮措施 f i g 1 - 3c o m b i n a t i o no fs o f tw a t e r p r o o fc o a t i n g 挤毁机理，具有一定的参考价值。在真实爆炸容器水压应变测试方面，文献 3 2 3 4 n q 试 了容器壳体各部位的水压变形量，有助于爆炸容器力学规律的认识，从而进一步提高容 器的工程设计水平。总的来说，化学涂层法，尽管其处理方式只能在干燥的环境下进行， 而且对所使用的粘结剂和防护剂有特殊要求【35 1 ，造成操作困难、繁琐及周期长并有着附 加压力效应【3 6 , 3 7 】的性质，但成本较低，易于实现和控制，得到了较为广泛的应用，为应 变测量的顺利进行提供了较为有力的支撑。 1 3 3 预处理与防水应变计 在实际操作中，电阻应变片的粘贴以及防潮密封往往会面临很大的困难，尤其是应 变片的粘贴。工程上诸多关键部位的结构往往很复杂并处在特殊的空间中，限制了应变 片粘贴的可操作性，使得粘贴养护非常困难从而降低工作效率，并且对操作人员的技术、 责任心等提出更高的要求。 电阻点焊具有热影响区小、焊接变形小、操作简单及焊接速度快等优点，应用点焊 技术能提高工作效率。为此，文献 3 8 4 0 研究将应变片粘贴工作搬进实验室，进行电阻 应变传感器的预处理工作：首先将电阻应变片预粘贴在一个尺寸合适的薄钢片上，然后 在测试现场采用电阻点焊方式将其焊接在被测结构体上进行应力测量。研究了使用钢片 的尺寸、电阻点焊和氩弧焊的性能以及应变传递函数，通过实验及数值分析，证实点焊 方式具有较好的应变传递性能与疲劳性能。但其研究的不锈钢基底很厚，应变传递能力 衰减得比较厉害，由此得到的传递函数随载荷的变化并不为常数，所以应该对更薄的基 底进行必要的研究，寻求更好的传递函数，并提高可靠性。 广西大学硕士学位论文焊接式水下应力测量方法及装置的研究 在其它预处理防护方法上，有发明者提出采用防护罩的方法【4 ，即在粘贴应变计的 周围用软焊接方式密封住一个有引线出口的金属罩，并做好引出线的绝缘密封；也有发 明者采用背贴的方式 4 2 】，即将应变计背面用胶水贴到一块薄橡胶板上，将引线穿过该橡 胶板与测量导线联接，再在其上粘贴另一块橡胶板；还有发明者提出用电子束焊方法【4 副 将应变计密封在不锈钢片制成的基板和盖板组成的密封腔内，并在盖板上焊接不锈钢引 线管。但是由于金属结构导热性好，很难将局部金属加热到软钎焊温度，而不影响应变 计的粘接性能，因此采用软钎焊方法很难保证焊接质量和应变计的测试性能；而背贴式 的密封性和防潮性能差；用电子束焊，其操作要求高且设备昂贵。 现在有专门的防水应变计产品供使用，例如粘贴式防水应变计一j 是在应变计盖层上 做一层环氧胶片，并把应变计引线和导线接头封在里面，使用时将应变计基底用专用胶 粘贴在测点表面即可，它带有一定长度的带套管的导线，可直接接到测量仪器上。密封 式可焊接的电阻应变计【4 4 1 ，它具有不锈钢基底，敏感栅和引线密封在金属细管中用密实 氧化镁细粉隔绝，导线也带金属管密封，金属细管与基底焊接，使用时用专门点焊机把 基底点焊在钢结构表面上，导线引出钢结构受液压部位可实现彻底防水、气接触，一般 可用于1 0 0 。c 以下，还有的可用于更高温度环境。这样试验时可避免大量烦杂的防护涂 层工作，保证防水液压或气体压力。一些新型的环境友好型应变计也在开发，如文献 4 5 】 介绍了一种用弹性胶囊封装甘油混合氯化钠水溶液的压阻式应变计，该应变计甚至能达 到4 0 的应变量。但这些应变计都很贵，特别是从国外进口的防水应变计；另外在较为 恶劣的环境下也需要进行防水防潮的处理以保证测量不出现意外。 1 3 4 电阻应变计防潮的发展趋势 电阻应变计的广泛实用性，促使人们不断去开发新型的性能更佳的应变计和测试系 统 4 6 - 4 9 1 以及开发新的制造工艺 5 0 1 ，而实用高效并且成本低廉的电阻应变计无疑是更受青 睐，尤其是适用于潮湿环境中的应变计。目前防潮式的电阻应变计主要发展趋势为： 一是普通防潮应变计应朝精度高、使用便捷方向发展。目前对应变计的粘贴、防护、 连线等环节需要花费大量的时间，这就需要提供带引出导线的防水型应变计，降低现场 操作的强度。二是应变计向宽温度范围、高稳定性发展。从低温到高温，诸多设备的应 力测试是在潮湿环境中进行的，要充分利用电阻式应变计信号输出稳定、响应快速等优 点，普通防潮应变计要有良好的温度白补偿和长期稳定性，提高在高温高压下的稳定性 及可靠性仍然是研究工作的重要课题。 1 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 1 4 选题的研究意义与研究内容 1 4 1 选题的研究意义 电阻应变测量技术是应用粘贴于被测构件表面的电阻应变片测定出被测对象的应 变，而后根据应力与应变的关系，计算出构件表面应力状态的一种实验应力检测方法。 基于电阻应变测量技术的诸多优点，使得它是国内外应用最广的实验应力分析方法。随 着化工、土建、石油、海洋等工程的发展，越来越多的设备要求在水下进行工作，这些 设备不允许发生破坏，否则将带来人员伤亡和巨大的经济损失。因此为了确保在水下工 作的设备的应力分布符合设计要求，一方面要进行相应的理论计算，另一方面要对关键 的部位进行应力测量。目前，在潮湿环境或水下进行结构应力测量难度大、成功率低。 一般水下应力测量的应变计粘贴和防水处理只能在干燥的环境下操作，不能在水下直接 进行，这不仅延长了测试准备时间而且增加了测试的成本，限制了水下结构应力测试的 应用。因此开发出成本低廉并能够直接应用到常温水下应变测量的方法及装置具有重要 意义，它能够节约社会资源并提高工作的效率，同时这对提高产品在市场中的竞争力具 有重要的作用，所以本课题旨在研究一种新颖的焊接式水下应力测量方法及装置，将应 变计的防护工作与应用现象分离，对克服潮湿现场防护操作的繁琐以及现有的普通应变 计不能直接用于水下结构应力测量的问题进行一些有意义的探究，为开发一种全新的水 下电阻应变测量产品提供依据。 1 4 2 本课题的研究内容 本课题主要提出一种焊接式水下应变测量方法及装置，该装置制作方便，成本低， 可产品化生产，并能够直接应用于潮湿和水下环境中结构应变、应力的测量。为克服潮 湿现场防护操作的繁琐以及现有的普通应变计不能直接用于水下结构应力测量的问题 提供参考依据。主要研究内容如下： 1 研究实验所用的等强度梁在载荷作用点不在理论点而朝固定端偏移时，梁的应力 应变分布，在此基础上，研究弯曲加载下将应变计粘贴到不同厚度的不锈钢衬片上，再 将衬片焊接到梁相应位置，研究测量应变与真实应变间的关系。 2 研究拉伸加载条件下，通过焊接不锈钢衬片来测量应变，测量值与真实值间的差 异问题，从弹性力学角度求解出一维加载条件下相应的应变修正公式，给出理论上的解 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 释，并结合有限元a n s y s 软件计算和实验进行验证，从而确定修正公式的可靠性和采用 的最佳衬片厚度。 3 在一维拉伸加载的基础上，针对二维加载情况，寻求真实应变与测量值间的关系， 并通过有限元a n s y s 软件进行多种材料组合方式的计算和分析来检验理论的正确性。 4 制作出焊接式水下应变测量装置，分析该装置的应变传递特性、可靠性及密封性 赭 c r0 广西大学硕士学位论文 焊接式水下庶力测量方法及装置的研究 2 1 引言 第二章试验数据统计分析理论基础 在实际工程结构的应变电测中，面临着大量实测数据的处理问题，对它们进行正确 地分析和推断整体情况，就需要排除可疑数据后采用统计的方法。电阻应变电测所对应 的变量具有确定的变量关系，本文基于焊接式水下应变测量方法及装置的研究，试验中 采用两个等强度梁以及两种不同基底材料，试验流程包含多个步骤，则对测量结果应采 用格拉布斯准则来检验其间产生的粗大误差的存在和排除，而后主要进行线性拟合以及 正态分布检验，从而确定变量的关系和测量的可靠性。为此，本章介绍格拉布斯准则及 数理统计的相关理论，为后续应变特性的研究提供实验数据分析方法。 2 2 格拉布斯准则 判定粗大误差的基本方法是在给定一个置信概率，并确定一个置信区间下，凡是超 过该区间的误差即可认为它不属于随即误差而为粗大误差，格拉布斯准则是常用的检验 准则。格拉布斯检验【5 1 】主要是对实验室间变异的检验，检验方式如下： ( 1 ) 一个离群测量值情形 给定一组数据x i ，i = 1 ， - - n ，将其排列成大小升序的顺序统计量杈f ) ，格拉布斯检 验是检验最大测量值m ) 是否为离群值，计算格拉布斯统计量g q = ( 。) 一习s ( 2 - 1 ) 其中 i ：当窆 x = 一7x 。 胛百 s = 丽 若检验最小测量值坂- ) 是否为离群值，则计算检验统计量： g l = ( i 一1 1 ) s ( 2 2 ) 判定方式为： 广西大学硕士学位论文 一 生壁壅查! 查垄型量查鲨垄茎里塑婴窒 一一 如果检验的统计量小于或等于5 临界值，则接受被检验量为正确值：否则为歧离 值( 大于5 临界值，但小于或等于1 临界值) 或离群值( 大于1 临界值) 。 ( 2 ) 两个离群测量值情形 为检验最大的两个值是否为离群值，计算格拉布斯检验统计量g ： 其中 g = 2 。s ； ( 2 - 3 ) n 2 工。= ( _ d j i ：， 。) 2 f - 1 磊，石1 nz 善嘞百 若检验最小的两个观测值的显著性，则计算格拉布斯检验统计量g ： 其中 g = s i 2 s ； s l ，2 2 = ( 嘞一墨，：) 2 i71,2=112 夕) n 】i 夕f ) 。z , _ - - - 7 ，。 ( 2 - 4 ) ( 3 ) 格拉布斯检验的应用 当分析精密度试验时，格拉布斯检验可用于【5 1 】：对一个水平的数据，首先采用一个 离群值情形对样本平均值进行格拉布斯检验，将离群值剔除；然后对剩下的单元平均值 重复进行同样的检验。看另二个极值( 若前一个检出的为最大值，则第二次检验最小值) 是否为离群值。当前一检验结果没有一个单元均值为离群值时，再进行对两个离群值情 形的格拉布斯检验。 本文进行点焊不锈钢衬片以及最终焊接式水下应力测量装置的测量应变试验，试验 是在弯曲和拉伸载荷下完成的，以验证应变的传递特性，试验主要流程包括切割衬片、 粘贴应变计及点焊，其间难免人为造成的粗大误差，在数据处理时，将按格拉布斯准则 进行检验，将离群值剔除。 塑奎堂堡主堂篁堡塞 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 二= = ：! ：兰：竺兰：! ! 全竺至兰型! ! 三1 2 3 数理统计 2 3 1 线性拟合及回归检验 在一元线性回归模型圈中，变量y 与x 的关系为： y 2 a + | b x 七s c 2 - 5 ) 其中口、腚常数，朗艮从正态分布( o ，仃2 ) 。在一元回归分析中，采用试验得到的，z 对 独立的实验值“，y i ) ( i ：l ，2 ，咒) 来估计未知参数口、卿d 2 。由最小二乘法可求出口、 脚估计值： ( t 一习( 咒一力 。 窆( 葺一i ) z 2 - 6 ) 应：歹一厨 从而得到y 对x 的经验回归直线方程 夕= 西+ 夕( x 一- z ) 再采用矩法求0 2 的估计为： 彦2 = c 去喜咒2 一歹2 ，一夕c 去喜2 一万2 ， 0 2 的无偏估计量为彦+ ： ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 毋“2 五n ( 2 二9 ) 粗糙地检验一元线性回归模型就是在给定显著水平虾，一次抽样后计算得 丁：垡坚p 蝴 的数值。若 i t f ( 门一2 )( 2 1 1 ) 则认为线性回归显著；若 i tj ( 胛一2 ) ( 2 1 2 ) 则认为线性回归不显著。 本文进行点焊衬片进行应变测量方法的研究，分析焊接衬片的应变传递特性，将对 广西大学硕士学位论文焊接式水下应力测量方法及装置的研究 试验数据进行一元线性回归分析，检验在一定试验条件下，应变修正系数与衬片厚度的 线性关系，从而为理论分析提供可靠地数据支持。 2 3 2 正态分布检验 在数据的统计处理中一般推荐使用夏皮洛一威尔克( s h a p i r o - - w i l k ) 检验对所假设 的分布进行无方向正态分布检验，该方法适用于8 s ，zs 5 0 的完全样本，小样本q 8 ) 对 偏离正态分布的检验不太有效。夏皮洛一威尔克检验是基于方差分析的检验，其步骤如 下： ( 1 ) 将刀个独立观测值由小到大排成顺序统计量 投l 舀双2 芦冬文n ) ( 2 ) 从魄疗系数表中查出对应于刀值的。值，k = l ，2 ，； ( 3 ) 计算统计量 其中 ， ，。( t 州叫- x ( 女) ) 】2 s = 皇一 ( h i ) 2 k = l ( 当n 为偶数时) ( 当，l 为奇数时) ( 2 1 3 ) ( 4 ) 根据显著水平斫口n 查统计量s 的分位数； ( 5 ) 作出判断：若s 甄，则拒绝样本服从正态分布；否则，接受。 当测量的结果x i 按n ( m ，d 2 ) 正态分布时，这组测量数据的平均值i 也属于正态分布， 因此可以用i 的标准偏差来表征i 的离散度，标准偏差为 0 i - - - - 景( 2 - 1 4 ) 本文在点焊衬片的应变传递特性研究基础上，设计和制作出焊接式水下应力测量装 置，将对该装置进行拉伸载荷下的应变测试，以研究该测量装置的应变传递特点，对测 量所得的应变传递系数进行正态分布检验，确定测量的离散度，用于说明随机误差的大 小，确定装置的可靠性。 詈堕2 ，【 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 2 4 本章小结 本章首先介绍了格拉布斯检验准则，叙述了它在判定可疑数据上的应用方式：然后 详细介绍数理统计中的一元线性拟合及检验方式、正态分布检验的原则。为下一步分析 采用点焊不锈钢衬片技术测量结构体应力，以及展开焊接式水下应力测量装置的主要特 征的讨论提供数据统计分析方法。 1 4 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 3 1 引言 第三章弯曲载荷下点焊衬片的应变传递特性 电阻应变计的工作特性有很多项，在常温的工作特性项目中，最重要的是灵敏系数、 横向效应和热输出，对它们的测定是必不可少的。弯曲梁不需要加很多大的载荷并可在 较大的面积区域内形成均匀应变分布，从而可以粘贴较多数目的应变计进行灵敏系数的 检定，因此常用弯曲梁作为灵敏系数检定装置，其中等强度梁和纯弯曲梁较为典型，文 献【5 3 】对悬臂梁和纯弯矩梁的优缺点进行了理论分析，实践证明，纯弯矩梁式检测装置 可以实现电阻应变计参数的更高精度检测，有效地克服悬臂梁式装置存在的缺陷，但该 装置比较笨重，价格相对较贵。 等强度梁在实际中有诸多应用【5 4 , 5 5 】，对它的性能和特性有不少研列5 3 , 5 6 , 5 7 】，也提出 一些新的改造方式和优化5 8 - 6 0 ，但越较为理想的梁，其加工精度要求更高，操作越不方 便。而一般等强度梁由于制作方便，常用于各项教学及实验测量中。在应变计的基片厚 度不可忽略时，必须考虑封装基片厚度，如文献 6 1 在标定中考虑了这种影响，取得较 好结果，但其忽略基片对梁的影响，不够精确。本章结合标定需求，在分析理想和偏载 下的等强度梁的应力应变分布特性的基础上，分析点焊不锈钢衬片在弯曲加载下对应变 传递的影响，确定弯曲加载下测量应变与真实应变间的内在联系，为将点焊衬片技术应 用于弯曲加载条件提供理论和实验支持，进而封装后应用于潮湿和水下应力测量。 3 2 理想等强度梁的应力应变分布 3 2 1 等强度梁的设计及测量影响因素 在工程应用中，一般根据弯矩沿梁轴的实际分布，将梁制作成变截面的，从弯曲强 度考虑，理想的变截面梁，是使所有横截面上的最大弯曲正应力均等于许用应力，即 吒觚= 筹书 ( 3 - 1 ) 吒a x2 蒜3 川 则有 忡) = 箐 ( 3 - 2 ) 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 对于图3 1 所示的矩形截面梁，在外载荷f 作用下，其弯矩方程为 m ( x ) = 一f ( l x )( 3 3 ) 矩形截面的抗弯截面系数为 ( x ) ：_ b h 2 ( 3 - 4 ) 常用的等强度梁，其截面高度j i l 沿梁轴保持不变，为常数h ，则由式( 3 2 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 4 ) 得梁截面宽度6 沿梁轴的变化： 吣) = ( 3 - 5 ) zi h 一 一 l 广h 一1 l jij x 1 l _ l ， y jl i oo 。 o ：1 6 1 oo - i 石 图3 一l 等强度梁 f i g 3 - 1e q u a ls t r e n g t hb e a m 由式( 3 5 ) 可以看出，当戌时，截面宽度b = 0 ，这不符合剪切强度要求，因而需要对设 计进行修改。根据弯曲剪切强度条件，可求出最小截面宽度为 6 m i 。= 丽3 f ( 3 - 6 ) 所以应用中的等强度梁应设计成图3 1 中的实线形式。 对于图3 - 1 所示的矩形截面等强度悬臂梁，截面高度五保持不变，截面宽度从 b o 到b l 的变化满足关系式： 6 ( x ) = 了z - x ( 3 - 7 ) 则截面关于中性轴的惯性矩为： 广西大学硕士学位论文 焊接式水下应力测量方法及装置的研究 m ) = 紫 ( 3 - 8 ) 梁的挠曲轴近似微分方程为 等= 型e ( 3 9 ) 出2 、 积分后分别有： 转角0 目：鱼：哗+ c ( 3 - 1 0 ) d x j e 挠度z z 一烨2 + q + 。( 3 - 1 1 ) 将式( 3 3 ) 、( 3 - 8 ) 带入式( 3 1 0 ) 、( 3 - 11 ) ，并考虑x = o 的边界条件：z = o ，萨o ，从而有 p = 一黑e b x (3-12)oh j 、 z = 一黑e b x 2 (3-13)oh 二一一= i j 。1 jj j 、 由式( 3 1 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 - 7 ) 得弯曲正应力为： 仃= 一