虚实结合的应力应变测试实验教学研究

1、虚实结合的应力应变测试实验教学研究摘要：为满足工程教育专业认证要求，提出了以学习产出为导向的虚实结合的真 实工程问题驱动的实验教学项目实验对象为工程实际中的蒸压釜开门机构，实 验项目包含理论分析、有限元仿真、试验测试等环节，通过该实验教学项目能够使 学生形成分析问题、解决问题的系统性思维，锻炼学生解决工程复杂问题、自我学 习和团队合作能力，对工程人才培养具有重要意义。关键词：工程教育专业认证；工程人才培养；应力应变测试；实验教学项目Experimental Teaching Research on Virtual-actual Stress and Strain TestAbstract: A

2、ccording to the requirement of professional accreditation of engineering education, a real-engineering problem-driven and outcomes-based experimental teaching project is put forward. The switch structure of autoclave door is used as the subject of the experimental project. The experimental project i

3、ncludes theoretical analysis, finite element simulation, experimental testing and so on. Through the experimental teaching project, students establish the systematic thinking mode and ability of analyzing and solving problems. The abilities of solving complex engineering problems, selflearning and t

4、eamwork of students are cultivated. The experimental teaching project has great significance to the cultivation of engineering talents.Key words： professional accreditation of engineering education; cultivation of engineering talents; stress and strain test; experimental teaching project0引言工程能力强的人才究

5、竟如何培养,一直是工程教 育的难题。国内外学者对于工程人才的培养也有不同 的探讨分析妇1。中国工程教育专业认证协会在机械 类专业认证“自评报告”中要求,机械类专业要开设计算方法课程6。有限元方法是当今工程分析中应用 最广泛的数值计算方法妍,是机械专业至关重要的 课程,而计算方法是有限元的重要基础之一，“新工 科”也提出要建立新学科因此，我校机械工程学 院在新版培养方案中确定了 “工程有限元与数值计 算”课程，该课程从计算方法、材料力学等基础知识入 手，深入浅出，让学生抓住有限元的本质，学用结 合，锻炼学生的工程实践能力。传统有限元课程的实 践环节只有上机，利用有限元分析软件分析问题。0引言工程

6、能力强的人才究竟如何培养,一直是工程教 育的难题。国内外学者对于工程人才的培养也有不同 的探讨分析妇1。中国工程教育专业认证协会在机械 类专业认证“自评报告”中要求,机械类专业要开设计能力。1实验教学项目背景当载荷G =6OO N时,轴径为3O mm处最大弯曲 应力,= 101. 86 MPa,压应力,0 =0. 849 MPa,因此轴 上最大应力为102. 79 能力。1实验教学项目背景本实验项目由科研项目转化而来,实验对象为工 程实际中的蒸压釜开门机构，如图1中圆圈所示位置。 蒸压釜是一种体积庞大、质量较大的大型压力容器，釜 门质量高达34 t,在釜门重力作用下,开门机构承受 巨大载荷，整

7、个结构易产生变形,导致釜门难以正常开 关，尤其是中间轴上应力较大，甚至出现过轴断裂事 故。因此,针对蒸压釜开门结构在釜门重力作用下的 受载情况进行分析，将实际结构缩小简化为实验模型 摇臂轴结构，如图2所示。实验要求学生首先采用材 料力学知识对简化结构进行应力计算,然后对结构进 行测绘建模,建立有限元模型,进行有限元仿真，进而 搭建应力应变测试实验系统进行应力应变测试，最后 进行综合分析，对比分析理论计算结果、测试结果与有 限元分析结果。该实验项目的目标是让学生通过实验 过程学习将真实机械结构简化为力学模型和构建合理 有限元模型的方法，掌握复杂工程问题的理论分析甫 限元仿真分析实验分析的分析方法

8、，培养学生的数字 化思维和解决复杂工程问题的能力。图3结构受力分析3有限元仿真3.1建立有限元模型根据实际结构在ANSYS Workbench软件中建立 有限元模型，轴的材料为45号钢，利用六面体单元对 结构进行网格划分，然后对结构施加边界条件，实际结 构中底座是固定的，摇臂端部挂钩上通过重物施加载 荷,因此在结构底部施加固定约束,在摇臂挂钩上施加 垂直向下600 N载荷，有限元模型如图4所示。图1蒸压釜图2实验对象Y摇臂轴图4有限元模型2应力计算根据图2所示的实验对象,轴和底座侧板通过焊接固定在一起，套筒和摇臂焊接在一起,轴和套筒之间通过轴承连接，摇臂可以绕着轴旋转，摇臂端部挂钩处悬挂重物加

9、载，在该结构中轴起主要承载作用，主要对轴的受力情况进行分析。整个结构的受力分析见图3,挂钩处受垂直向下力C,根据材料力学知识可知，j 8 GIq _ 8 G由此可以看出，轴上承受载荷为弯矩和压力，因此，套 筒和底座侧板中间的轴上所受最大弯曲应力M32 GI%, 8 区 8式中：为抗弯截面系数;d为轴径;Zo=O. 45 m。4_压应力为:= 2。d3.2有限元计算结果结构受的载荷固定不变，摇臂可以绕轴转动，有限 元计算时选择摇臂与底座侧板平行的位置分析结构的 受力情况。结构的等效应力分布如图5所示。A: Static StructuralEquivalent Stress 2Type: Equ

10、ivalent(von-Mises)Stress Unit:PaTime:l2019/6/28 星期五 17:071.5813E8Max1.4683E81.3554E81.2424E81.1295E8 1.0165E8 9.0359E7 7.9065E7 6.777E7 5.6476E7 4.5181E7 3.3887E7 2.2592E7 1.1298E7 3359.7 Min图5等效应力分布由图5可见，结构中受力最大的是轴，最大等效应 力值出现在轴靠近套筒下沿的轴肩应力集中处，且处 于摇臂正下方,轴非应力集中处最大应力出现在摇臂 正下方中间处，这跟理论分析结果一致，符合实际 情况。4应力应

11、变测试实验4.1搭建测试系统实验采用电阻应变片进行应力应变测试。电阻应 变片利用金属丝的应变电阻效应将结构的应变量转 换成电量进行测试，即当金属丝沿其轴线方向受力而 产生变形时，其电阻值也随之发生变化，实现将机械结 构的应变值转化电量也-电阻应变片测量应变的实验过程如下:选择测试 位置，将应变片粘贴在被测构件表面，然后接入测量电 路（电桥），随着被测件受力变形，应变片的敏感栅随 之变形,致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构 件表面应变成比例，测量电路输出应变片电阻变化产 生的信号，经过信号采集仪采集处理后直接传输给计 算机进行数据处理。本次试验测试系统示意图如图6 所示，采用江苏东华测试技

12、术股份有限公司信号采集 分析系统进行数据采集分析，采用应变适配器搭建电 桥电路，采用应变片作为测试元件皿，型号为BX120- 2AA,电阻值为（120 0.2） Q,灵敏系数为（2.08 1） % O1 计算机与软件 信号采集分析系统应变适配器应变片图6测试系统连接示意图应变片粘贴是应力应变测试的关键步骤,粘贴质 量的好坏直接影响应力测试结果目。本次实验采用 速干性黏贴剂进行应变片粘贴,在摇臂轴上竖直方向 上粘贴应变片进行应力应变测试,同时为了减少环境 温度变化对测试结果的影响，在与轴材料相同但不受 力的结构上粘贴应变片作为温度补偿片，如图7 所示变片,Ed为温度补偿片，+ac为电压输入端，+

13、。为输出 端。实验采用应变适配器进行电路搭建，适配器连接 工作应变片和温度补偿应变片组成一个半桥电路。图8半桥电路4.2测试过程实验通过在摇臂端部挂钩上吊挂质量已知的重物 进行施加载荷，施加载荷时保证摇臂不摆动，测试现场 如图9所示。图9实验测试加载过程实验采用东华测试软件,测量量可以设置为采集 应力或应变。选择测量应力，可以采集应变片粘贴位 置的应力值;选择测量应变，可以采集应变值,每次采 集信号前，要先对设备进行清零平衡，尽量减小环境、 设备等对测量结果的干扰。5实验结果分析图7应变片粘贴位置摇臂轴结构在应力应变测量时采用应变片半桥连 接电路，如图8所示,E1、用为固定电阻,Eg为工作应图

14、10应变片测得的应力结果当载荷为图7应变片粘贴位置摇臂轴结构在应力应变测量时采用应变片半桥连 接电路，如图8所示,E1、用为固定电阻,Eg为工作应图10应变片测得的应力结果应变片粘贴处竖直方向应力值为106.52 MPa。 在workbench软件中查看应变片粘贴处等效应力值, 从图11中可见，有限元计算的应变片粘贴处的应力值 为102. 34 MPa,结果对比如表1所示。|1.02434响菽.1.5813E8 Max |1.02434响菽.1.5813E8 Max I.4683E81.3554E81.2424E81.1295E8 1.0165E8 9.0359E7 7.9065E7 6.77

15、7E7 5.6476E7 4.5181E7 3.3887E7 2.2592E7 1.1298E7 3359.7 MinA:Static StructuralEquivalent StressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:PaTime:l2019/6/28 星期五 16:35图11有限元计算应力结果合实验能力，锻炼了学生的工程实践能力。通过整个 实验项目的训练，能够培养学生分析问题、解决问题的 系统级思维能力,锻炼学生解决工程复杂问题的能力、 自我学习能力和团队合作能力，为课程目标的达成提 供支撑。表1应力结果对比理论计算/MPa有限元计算值/MPa测试值/MPa有限元分析误差/%测试误差/%102.79102.34106.520.443.63通过应力值对比可见，竖直方向应力的测试结果 与理论计算结果的误差为3.63%，有限元分析结果与 理论计算的误差为