实验一、内压容器外壁应力测定综合实验

1、实验一、内压容器外壁应力测定综合实验一、实验目的1、掌握与了解受压零件应力分析的一般方法；2、掌握应力测试的基本方法和步骤，熟悉应力测试的基本仪器操作，以及计算机自动 测试的过程与设备；3、了解和掌握边缘应力的概念，以及平封头、锥形封头、球形封头和椭闘形封头与筒 体相连区域的边缘应力分布规律，加深课堂教学的印象；4、进一步验证薄壁容器筒体应力计算公式二、实验原理1、静态电测应变测量的基本原理电测法是受压元件应力测虽中的一种最常见的方法。其某木原理是通过粘贴在被测量构 件表而某点处一定方向上的电阻应变片的电阻值变化来测定构件在某方向上的应变,然后经 换算及计算出该处的的应力大小。基主要优点是：灵

2、敏度及精确度较高，适用于静载荷常温 下的模型试验和现场测试。其缺点是：只能测出构件上某一点处某一方向的应变值，不能测岀构件内部的应变信全而了解构件的应力分布情况。卜而主要介绍电阻应变片、电阻应变仪图1电阻应变片的结构示意图变和应力计算方法的基本原理。(1) 电阻应变片电阻应变片是测量表面应力的主要元件z-, 其结构如图1所示。主要由敏感栅、引岀线、底基 及表面覆盖层等部分组成。在应力测量时，用502 胶水，将电阻应变片底基粘贴在构件所需测怎变形 的地点及方向，使敏感栅通过底基与构件一起变 形，故只需测出敏感栅的长度变化，即可得出构件 的变形大小。也可以看到，上述测定只能测出构件 变形在敏感栅面

3、积范围内(/?x/)变形的平均值。电阻应变片敏感栅的长度变化是通过测定电 化来确定的。由物理学知，金属丝电阻尺的变化与金属丝反度/及截面积az间的关系式为 r"a,。为金属丝材料的电阻率，将该式两边进行微分有：(1)dr _ dp dl da r p i a可见当电阻应变片的长度及截面积发生变化时，其电阻值也会发生变化，通过对(1)式进行简化，可得到：si即在一定范围内，具电阻值的变化率与敏感栅长度的变化率成正比。(2)式屮k表示 电阻应变片的灵敏系数。具计算公式为式中"为敏感栅金属丝材料的泊松比，血为金属丝的材料常'数。利用上式计算应变片的灵 敏系数常受到应变片加

4、工工艺和材料成分的影响，使得计算值与理论值有一定的出入。因此 实际中，常采川抽样试验的方式來确定一批应变片的灵敏系数。一般纸基丝绕式电阻应变片 的灵敏系数在2.02.4之间。因此在测量过程中，其灵敏系数一般直接采用电阻应变片的出 厂标牌值，即为k = 2.10 ±0.1（2）电阻应变仪电阻应变仪是测量电阻片电阻变化的专用仪器，一其工作原理是通过图2所示的惠斯登电桥测定电阻 片电阻变化所引起的电圧变化，进行放大后输出。由电 工学原理有：当°c间冇电源电压为"时，间的电压为:(4)< r? +尺4 r】+尺2丿当电桥平衡时，即冇=°, iii（4）式可

5、得到= r2r4 o若某个桥臂的电阻值发生变化，则电桥bd间的电压也将发住相应的变化。 对（4）式两端进行微分，可得到电桥力。端电压变化与各桥臂电阻变化的关系式，即(1uu(drdr2dr.-4-»dra4< rrrrr丿bd(5)式中d&仃= 1,2,3,4）为电阻&的变化量。利用（2）式，并设各电阻应变片的灵敏系数k相同,则冇-4 (弓 5 + 55)式屮勺（心1,2,3,4丿为各相应的电阻片的应变值。因此若需测定某一电阻片的应变值，只需 将此电阻片连接在某一桥臂上，而使其它桥臂上的电阻值在测屋过程中保持不变，通过电阻 仪测屋出电压的变化%,按式（6）就可以

6、计算出所测量的电阻片的应变值。在实际测量过程中，为了消除外界因素特别是温度变化对电阻应变值的影响，一般要接 一个温度补偿片，以消除外界温度变化而产生的彩响。由图2和式（6）可知，当工作应变 片接在桥臂时，温度补偿片应该接在c桥臂，这样，当温度在试验过程中有变化时， 由于电阻尽二心，电阻尺和忌所产生的温度变化对应的电阻变化值也是相同的，故相应 的电压变化也等于零。即在读数中排除了试验过程中温度波动所产生测虽误差。一般来说，电阻变化虽要比初始的电阻值小很多（仅约2%左右）。为了使测量值具冇 较高的粕确度，电阻应变仪都需将信号放大后输出。另外为了适应不同灵敏系数的电阻片，电阻应变仪上都装冇可调灵敏系

7、数旋钮。在试验 时，必须将旋钮上的仪值调至电阻片灵敏系数k的数值，这时，电阻应变仪上的读数才 能表示为应变的真实数值占，若«仪北人，需要对读数跟进行修正。其修正公式为：（3）受压元件上的应力测定-般来说，人多数压力容器处于轴对称结构，其应力分量有（径向应力）、6 （周 向或环向应力）、6 （轴1%应力？才计r& （径向与环向之间剪切应力）。对于承受内压的压 力容器的外壁来说，有=因此其状态处于平面应力状态。由于只有两个应力分量，也没有剪切应力分量，该应力分量即为主应力，其方向分別平行及垂直于对称轴，在这种情况下，只需在两主应力方向各贴一个电阻片，测量它们的应变匂和6后，根据广

8、义虎克定律即可求出主应力的数值为e .巧=（匂+理）1-“ % = 6+如）式屮e材料的弹性模量，对于1cy18m977材料£ = 195x100。（常温卜）“为材料的泊松比，对于1c18m977材料“ = 0.3。将各测点的应变值代入上式，即可求出各测位置的应力值。2、计算机辅助自动测试原理计算机辅助自动测试 过程的接线原理图如图7 所示。将应变片用502胶水 粘贴在元件上将要测试的 某点处，用导线与其引线焊 接在一起。若采用手动操作 测试，导线的另一端与 dh3818型静态测试仪相 连，该测试仪可对每个测点 分别自动平衡。图7应力测试原理示意图三、实验装置与与仪器1、实验装置图8

9、计算机模拟仿貞-测试实验平台计算机模拟仿真检测实验操作平台如图8所示。图屮标注说明如下：1椭圆形封头与筒体；2回油管及排空管；3球形封头与筒体；4计算机操作平台；5 筒体上的压力表；6排污口； 7平封头与筒体；8锥形封头与筒体；9-汕泵岀口汕管;10-叶片泵；11电动机；12贮油罐；13压力传感器与变送器；14架子；15阀门；16球形封头与椭圆形封头在平台上的压力表；17平封头与锥形封头在平台上的压力表;制器；21控制台上的总电源开关;22 控制器的电源开关；23-pid调节器控 频器的转换开关；24控制球形封头的 阀开关；25控制平盖封头的电磁阀开 计算机操作键盘。其小四个封头及筒体的基本尺

10、寸如 所示。2、测试仪器及操作简介(1) dh3818型静态测试仪： dh38i8静态应变测试系统由数据 采集箱、微型计算机及支持软件组8丰4,0400 t应lo cm40350lcpid 制变 电磁 关；26图9图9封头的基木尺寸及结构图成。可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材料应力试验屮多点的静态应变 应力值。其特点有：1、手控状态时，大屏幕数码显示测量通道和输入应变量，r可通过功能键设置显示通道、 修正系数及平衡操作。2、程控状态时，与计算机的rs-232接口进行数据通讯，最大程度上满足了对便携式仪 器的要求。3、自动平衡。4、内置标准电阻，全桥、半桥、1/4桥连接方便。(2)

11、 xsc/apid 控制仪pid控制仪与各类传感器、变送器配合，可实现对温度、压力、液位、成份等过程最的 定值控制。其主要的技术参数精度有：5、测量周期：0.3s6、控制周期:0.375.0s,可设置7、测量精度：±0.2%f.s±l个字，自动对温漂、时漂进行补偿8、测量分辨率:1/16000, 14位a/d转换器10、 热电阻输入导线电阻：小于20q其操作面板如图15所示，其中各符号的意义如下：测定值显示屏幕； 设定值显示屏幕;其中“ ah ”、“ al”、 .“ahh”、“all” 为指示灯。qqq日 设定键。在控制状态卜按住2秒以* 松开则进入设置状态。在设置状态下，

12、显示参数 时，按住2秒以上不松开进入下一组参数或返回 状态"左键。在pid自动控制下，按住6秒tagsmoo图15 pid控制而板示意图不号jex2119、显示范围：t999-9999不松歸动自整定。在设置状态下，调出原有参数值，移动修改位。m0° -mod键。在控制状态下，进行手动/自动切换。在设置状态下，存入修改好的增加键。在手动控制输出时，增加控制输出。在设置状态下增加参数数值或改减小键。在手动控制输出时，减小控制输出量。在设置状态下减小参数数值或 改变设置类型。(5) micromaster440 标准变频器micromaster440是用于控制三相交流电动机速度的

13、变频器。它由微处理器控制，并采用 具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型品体管作为功率输出器件。因此其具有很髙的可靠性 和功能的多样性。micromaster440具有缺省的工厂设宜参数，且具有全面而完善的控制功能，在设置相关 参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。micromaster440既可用于单独驱动系统, 也可集成到自动化系统中。本实验装置中采用了 bop基本操作面板，如图16所希函&上各符号的意义如下：状态显示。lcd显示变频器当前的设定值；起动电动机。按此键启动变频器。缺省值运行时，此键是被封锁的，为了使此键的操作冇效，定 p0700=l；roooo150.00hz图1

14、6 bop操作血板停止电动机。改变电动机的转动方向。按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号荊或用闪烁的小数点表示。按此健，将使电动机川动,并按预定画一一电动机点动。在变频器无输出的悄况下, 的点艸率运行。此键科呆持不动2秒钟, ®-访问参数。增加数值。3-功能。此键用于浏览辅助信息。变频器在运行中，在显示任何一个参数时按下将显示出一系列的参数。按此键即可访问参数。按此键即可增加血板上显示的参数数值。减小数值。按此键即可减小面板上显示的参数数值。3、测试所需工具及器材（1）器材有：四位电桥、兆欧表、电吹风、25w电珞铁、剥线钳、剪刀、钢尺；（2）易耗站有：常温用电阻应变片、

15、连接片、502粘接剂、丙酮、药棉、©0.2mm的 连接导线、悍锡膏、悍锡丝、松香、诙砂纸等。四、实验方法与步骤1、实际测试操作步骤（1）在所测封头上粘贴应变片第1步：用四位电桥测量各应变片的电阻值，并记录其电阻值。第2步：用钢尺在封头表面上量好距离，并作好定位工作。然后用细砂纸对其表面打磨, 再用内酮清洗干净。第3步：用502粘接剂将电阻值相近的电阻应变片粘贴在某个已确定的位宜上，用每个 电阻应变片的附近再粘贴一片连接片，贴好后，用电吹风微吹一下所粘贴好的应变片和连接 片。第4步：对连接片表面打磨，然后将应变片的上线焊接到连接片上。第5步：焊接连接导线。先将己编好号码导线的塑料皮剥t

16、n 3mm左右，然后用电辂铁 打上锡悍，再将其与应变片的引线焊到一起。注意，焊点要求光滑小巧，防止虚焊。第6步：用四位电桥检查每个应变片的电阻值，并记录其电阻值。第7步：用兆欧表检查各应变片的绝缘电阻值，要求大于50mq。第8步：将测虽的导线固定在封头上。用密封胶将应变片密封，防止其受潮。（2）调试测量仪器并清零（2）给封头及筒体旋加载荷第1步：打开控制平台上的总电源开关；接通pid控制仪的电源。第2步：选择对应的pid控制仪，在其上设置给定值。其过程如下：11、12、13、按住陡键2秒以上不松开直至显示區）；按宀键，调出已设定的参数值，这时会显示出已设定的值如:mi按!"键移位,在

17、显示屏上将会显示当前位,这时可以按该键1次,即可移动1位,如此循坏。14、按幽键将会减小当前位的数值，每按1次，当前数字将下降1,如此循环下去。15、按邇键将会使当前位的数字增加，每按1次，当前数字将增加1,如此循环下去。16、按:訴i键存入设定值关退岀设置状态。第3步:旋转操作平台上的旋钮“23”（如图8）,使其与当前的pid控制仪相对应。旋转电磁阀控制开关旋钮“24”或“25”（如图8 w具处于升压位迸。 启动电机。在变频器bop控制血板上按启动键“画”，电动机开始启动。（3）读数笫1步：依次加栽，当压力表和p1d控制仪上的压力读数保持稳定时，就可以读出相 应的应变数值。笫2步，依次卸栽，当压力表和p1d控制仪上的压力读数保持稳定时，就可以读出相 应的应变数值。（4）关闭电源五、实验报告与要求1、简述实验目的、原理、方法及基 本步骤