结构强度电测法实验报告S0801333黄鹏.doc

结构强度的电测方法实验报告结构强度的电测方法试验报告学院： 航空宇航学院专业： 工程力学学号： S0801333姓名： 黄 鹏日期：2008年12月28日结构强度电测法实验一、 实验目的1、掌握电阻应变测试方法的基本原理2、确定受理构件的危险点的主应力大小和方向3、确定危险截面的单一内力分量4、确定受力构件的最大许用载荷5、对实验数据的不确定度进行分析6、验证圣维南原理的应用二、 实验设备和器材 常温电阻应力片、试样温度补偿片、25瓦电烙铁、测量导线、清洗剂（酒精或丙酮）、砂纸、粘合剂（501或502）、绝缘胶布、YJR5型静态数字应变仪一台、拉伸实验装置一台、待测器件等三、 实验原理1、应变片原理 电阻片分丝式和箔式两大类。丝绕式电阻片是用0.003mm-0.01mm的合金丝绕成栅状制成的；箔式应变片则是用0.003mm-0.01mm厚的箔材经化学腐蚀制成栅状的，其主体敏感栅实际上是一个电阻。金属丝的电阻随机械变形而发生变化的现象称为应变-电性能。电阻片在感受构件的应变时（称做工作片），其电阻同时发生变化。实验表明，构件被测量部位的应变l/l与电阻变化率R/R成正比关系，即： 比例系数Ks称为电阻片的灵敏系数。 由于电阻片的敏感栅不是一根直丝，所以Ks不能直接计算，需要在标准应变梁上通过抽样标定来确定。Ks的数值一般约在2.0 左右，这里取K=2.048。 2、电阻应变仪原理 电阻应变仪是将电阻片感受到应变转化为电阻变化，再把电阻变化通过适当桥路和 放大器转为电压变化，并显示出来。电阻应变仪按其测量对象可分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪。动态应变仪有电压和电流输出，提供相关记录仪记录，例如X-Y记录仪、光线示波器和磁带记录仪等等。也有一些应变仪兼有静态应变数值显示和动态电压输出，使用起来比较方便。由于电阻应变仪是一种专用仪器，其显示部分直接显示应变值。通过应变可以计算出载荷、应力和变形，为核算构件的强度提供依据，因此应变仪应用十分广泛应变仪测量电路是一个电桥电路(见图1)它的四个桥臂 R1 ，R2 ，R3 ，R4 顺序连接在 A、B、C、D 之间。电桥 AC 对角接电源 E ；BD 对角为电桥输出电压 UDB 。当四个电阻皆由电阻应变片组成，且四枚电阻片阻值和灵敏系数相等时，桥路有如下关系: 其中1 ，2 ，3 ，4 分别代表电阻片 R1 ，R2 ，R3 ，R4 感受的应变，这表明电压增量 UDB 与四个桥臂电阻片的应变成线性关系。利用这个关系可实现单片、半桥和全桥测量方式，获得不同的量测效果。3、温度补偿片应用原理温度改变时，金属丝的长度也会发生变化，从而引起电阻的变化。因此在温度环境下进行测量，应变片的电阻变化由两部分组成即：R = RRTR-由构件机械变形引起的电阻变化。RT-由温度变化引起的电阻变化。要准确地测量构件因变形引起的应变，就要排除温度对电阻变化的影响。方法之一是，采用温度能够自己补偿的专用电阻片；另一种方法是，把普通应变片，贴在材质与构件相同、但不参与机械变形的一材料上，然后和工作片在同一温度条件下组桥。电阻变化只与温度有关的电阻片称做温度补偿片。利用电桥原理，让补偿片和工作片一起合理组桥，就可以消除温度给应力测量带来的影响。4、测量电路电桥的应用原理应变片可以感受影响变化，但必须通过应变片组成电桥电路来测量电压的变化，从而得出应变变化。通过测量电桥把电阻变化转换成电压的变化，再将电压变化放大通过应变仪显示出来（A/D数显）。由应变片和定值电阻，温度补偿片等组成的测量电桥如下图：测量电路有多种，最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之间，构成电桥的四桥臂。电桥的对角AC接电源，电源电压为E；对角BD 为电桥的输出端，其输出电压用UDB表示。可以证明UDB与桥臂电阻有如下关系：UDB = 若4个桥臂电阻由贴在构件上的4枚电阻片组成，而且初始电阻R1 = R2 = R3 = R4，当输出电压UDB = 0时，电桥处于平衡状态。构件变形时，各电阻的变化量分别为R1、R2、R3、R4。输出电压的相应变化为：UDB+UDB = 在小应变 的条件下，可以证明桥路输出电压为：UDB 如果R仅由机械变形引起、与温度影响无关，而且4枚电阻片的灵敏系数Ks相等时，根据 ，可以写成：UDB 如果供桥电压E不变，那么构件变形引起的电压输出UDB 与4个桥臂的应变值1、2、3、4成线性关系。式中各是代数值，其符号由变形方向决定。一般拉应变为正、压应变为负。根据这一特性：相邻两桥臂的（1、3或 2、4）符号一致时，两应变相抵消；如符号相反，则两应变的绝对值相加。相对两桥臂的（ 1 、2或 3、4）符号一致时，两应变的绝对值相加；如符号相反，则两应变相抵消。实验如果能很好地利用电桥的这一特性，合理布片、灵活组桥，将直接影响电桥输出电压的大小，从而有效地提高测量灵敏度、并减少测量误差。这种作用称做桥路的加减特性。电阻应变仪是测量应变的专用仪器，桥路输出电压UDB的大小，是按应变直接标定来显示的。因此与UDB对应的应变值仪仪可由应变仪直接读出来。一般贴在构件上参与机械变形的电阻片称做工作片，在不考虑温度影响的前提下，应变片接入各桥臂的组桥方式不同、与工作片相应的输出电压也不同。在此介绍几种典型的组桥方式如下：半桥测量两枚工作片R1、 R2分别接在相邻两个桥臂AB、BC上。其它两个桥臂是应变仪的内接电阻。这时电桥的输出电压为：UDB 单臂测量只有一枚工作片R1接在AB桥臂上。其它3个桥臂的电阻片都不参与变形应变e为零。这时电桥的输出电压为：UDB 对臂测量两枚工作片R1、 R3分别接在对臂AB、CD上。温度补偿片R2、 R4分别接在其它两对臂BC、AD上。这时：UDB 单臂串联测量两枚串联的工作片2R接AB臂。而两枚串联的温度补偿片2R接BC臂。其他两个桥臂接仪器的内接电阻这时：UDB 工作片串联后R1 = 2R，同样R1= 2R ，因此UDB的测量结果不变，与两枚阻片电阻变化率的平均值成正比。如下表给出典型的组桥方式：组桥方式输出电压 UDB桥臂系数 B温度补偿单臂测量1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量1=-2时B=2不需接补偿片温度影响自动消除对臂测量1=3时B=2非工作对臂接补偿片全桥测量1=-2=-3=4时B=4不接补偿片,温度影响可自动消除串联测量B=1阻值与工作片相会地补偿片串联后接BC臂需要说明的是：不同的组桥方法不但可以提高测量灵敏度，而且可以将不同性质的应变（或内力）分离开来。一点的应变测出后，根据轴力、弯矩以及扭矩与主应力及剪应力的关系，既可求出相应的内力值。5、电阻应变仪及应变测定设电阻应变仪的灵敏系数是，应变仪的应变读数是。则： 所以应变仪的读数为：调节电阻应变仪，使应变仪的灵敏系数等于应变片的灵敏系数，则： 所以可利用电阻应变仪测量应变片的电阻变化率，求出被测部位的应变值。7结构强度的电测方法实验报告四、 实验步骤1、 选择试件贴片对试件进行有限元分析，初步分析出结构的危险应力点的分布位置，确定试件的危险截面。先根据试件的可能危险点，把应变片粘贴在试样的特定方位。如下图：试件一（图a)试件二 （图b）根据测量需要把应变片的引出导线按单臂半桥方式接到应变仪的输入端，与工作应变片桥臂相邻的桥臂接入温度补偿片。设计好有关的试验记录表格。 2、 接线单臂半桥电路测量各点的应变AB臂接工作片；BC 臂接补偿片。其它两桥臂接应变仪的内接电阻。按顺序逐个测量沿应变片的应变。应变仪显示的应变值e 仪即为被测点的实际应变。测量程序如下： 1、加卸初载P0 ，反复多次， 使应变片和试件充分接触。2、用实验方法估算出试件的最大许用载荷，并确定出应变片的最大应变（一般最大的不超过600），定出危险点3、 测出每一应变片的应变值，记录数据（至少十个数据）4、 拆线。规整实验器材五、 数据结果及处理（一）试件二 (1)、危险点、危险截面的主应力试件及危险点编号如图b所示，2、3、4点受应力集中影响其主应力方向不定，1点主应力方向为竖直方向，5点实验测定的应变为剪应变与弯曲应变的组合，由5、6两片的应变，经计算可得该点的单一的最大剪应力。在试件的上下边界作用对称载荷。材料弹性模量E70Gpa,泊松比，许用应力试件二的各应变片数据记录如下：第一片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()-63-138-200-68-130-193-64-127-187-82第二片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()-60-129-189-67-124-183-58-117-177-79第三片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()-66-138-211-67-132-207-61-131-205-87第四片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()-107-216-330-111-218-335-107-216-331-141第五片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()15924333216124933488156242190第六片压力（N）1200210030001200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009009009009001200应变()-85-178-266-86-171-259-86-172-210-116（2）危险截面的单一内力1点附近受应力集中的影响，应力分布比较复杂，并不是仅仅受弯矩和轴力的作用，由1、2、3应变片均有示数可以看出。由5、6应变片的应变量，经过计算得5应变片受单一剪力作用所产生的应变：。计算结果如下表：压力（N）1200210030001200210030001500载荷增量(F)9009009009009009001200切应变()3732.53337.53937.537由求得该点的单一剪应力。则有： 且 可得 纯剪切引起的内力：试验载荷（KN）1.22.13.01.5剪切应力（MP）1.991.851.772.022.062.0191.99根据计算结果与实际实验测得的数据可知，在应变片四处明显受到圣维南原理的影响。（3）试件的许用载荷根据不同的试验载荷的数据，按照求许用载荷的方法，取。可得试件的许用载荷：试验载荷（KN）1.22.13.01.5许用载荷（1）3.21 4.23 4.68许用载荷（2） 3.19 4.13 4.61许用载荷（3）4.814.764.663.61试件二许用载荷表计算试件二的最大许用载荷：1） 求算术平均值： 2） 求算术平均值的标准差： （KN）A类不确定度为：（KN）由于仪器的读数误差 ，则B类不确定度转化为应力的不确定度为合成标准不确定度： 得到试件二的最大许用载荷：（二）试件一(1)、试件许用载荷确定试件一应变片位置如图a所示。根据不同的试验载荷的数据，按照前面介绍的求许用载荷的方法，可得试件的许用载荷。试件一确定许用载荷试验数据试验载荷(KN)123450.4-88-7444-2501140.6 -148-11296-3722120.8 -204-147142-4953051.0-261185184-6143931.2-320224234-7474870.4-857643-2621040.6-14711499-3752010.8-2071511444882931.0-266193187-6163971.2-317-233235753491由以上试验数据看出，4在同一试验载荷下，应变最大，从而是最危险的部位，由4数据，根据第三强度理论，确定各个试验载荷下的许用载荷。 表5 试件二许用载荷试验载荷（KN）0.40.60.81.01.2许用载荷（1）1.22 1.23 1.23 1.24 1.22许用载荷（2） 1.16 1.22 1.25 1.24 1.21计算试件一的最大许用载荷：1） 求算术平均值： 2） 求算术平均值的标准差：（KN）A类不确定度为：（KN）由于仪器的读数误差 ，则B类不确定度转化为应力的不确定度为合成标准不确定度： 得试件二最大许用载荷： 六、 实验的不确定度分析1读数修正应变仪是应变测量的专用仪器。应变仪测量电路的输出电压UDB 是被标定成应变值直接显示的。与电阻片的灵敏系数KS相对应,应变仪也有一个灵敏系数，多数仪器的是可调的，测量时一般经过调节令，这样应变仪的读数值仪与桥路输出的应变值相等,即=不必修正。某些应变仪的是固定不变的不能调节，当时，读数值会存在一系统误差，必须按下式进行修正，即： 。此时桥路输出的实际应变值应为：2桥臂系数同一个被测值，由于布片和组桥方式不同，桥路的输出电压UDB有很大的不同，与单臂测量相比将不同程度的被放大。即测量灵敏度有不同程度的提高。为说明这种变化，测量灵敏度的大小一般用桥臂系数B来表示。定义如下：-应变仪指示的应变值（时）-被测点的真实应变值，一般由单臂测量测定。3 分析不确定度的来源由于测量条件的非理想化，测量总存在有误差，误差是测量中的不可靠量值，导致测量结果的不可靠量值称为不确定度不确定度是和实验的测量结果紧密联系的，是用于说明测量结果精确度高低的一个可量化的表示值。 分析产生误差的原因有：（1）应变片粘贴位置的不确定度（2）加载过程中载荷的不确定度 （3）加载位置的不确定度（4）外界温度变化的影响和应变仪读数的不确定度合成标准不确