郭浩澤

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾，041000）

基于有限元法的八角環(huán)應(yīng)變式測力實(shí)驗(yàn)的研究

郭浩澤

（臨汾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 臨汾，041000）

本文通過對車削力測量實(shí)驗(yàn)中涉及到的八角環(huán)測力儀的結(jié)構(gòu)建立三維實(shí)體模型，利用有限元進(jìn)行了動態(tài)特性分析，研究了實(shí)驗(yàn)中電阻應(yīng)變片的粘貼布片方案，使學(xué)生更好地理解和認(rèn)識了八角環(huán)車削力測量實(shí)驗(yàn)過程以及相關(guān)的知識。

ANSYS有限元分析；八角環(huán)測力儀；電阻應(yīng)變片

車削力測量是近年來各大高校以及科研院所研究較多的課題之一,其中八角環(huán)測力儀由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、便于維護(hù)普遍被我國高校及高職類院校開設(shè)這樣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且取得了較好的教學(xué)效果，使學(xué)生們認(rèn)識與了解了車削力測量系統(tǒng)的組成及原理；深入理解了金屬切削過程的基本規(guī)律及其應(yīng)用；直觀的認(rèn)識切削力的來源與切削用量的關(guān)系。

然而，在實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生對測量儀的測量過程還是不能達(dá)到完全的掌握，特別是不能夠理解八角環(huán)測力儀受力的線性變形過程；粘貼電阻應(yīng)變片位置的原因與目的,針對這樣的問題，需要對八角環(huán)測力儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究其粘貼應(yīng)變片位置的原因，以及實(shí)驗(yàn)使用的參數(shù)范圍，既要滿足測量切削力的需要，還要能夠讓學(xué)生更加清楚地理解整個實(shí)驗(yàn)的過程與目的。

圖 1 電阻應(yīng)變片組成的測量電橋

1 八角環(huán)測力儀的測量原理

八角環(huán)測力儀主要通過測力儀受到外力的作用，從而使八角環(huán)的環(huán)體部位發(fā)生變形，使得粘貼在其表面的應(yīng)變片受到拉伸或者壓縮，使得電阻應(yīng)變片的電阻R值發(fā)生變化，產(chǎn)生變化量ΔR，為了測量電阻應(yīng)變片的微小的電阻值變化量，將粘貼在測力儀上的電阻應(yīng)變片連接成，某種形式的電路；應(yīng)變式測力儀一般由測力體、電阻應(yīng)變片以及測量電路組成，根據(jù)其電阻值的變化與形變量的變化計算即可以得到公式（1），其電阻應(yīng)變片連接的電橋電路工作原理如圖1所示[1]。

圖2 施加的約束面

圖3 Fz方向應(yīng)變

圖4 Fy方向的應(yīng)變

圖5 Fx方向的應(yīng)變

圖1 中，若R1、R2、R3、R4分別為四個電橋橋臂的電阻為等臂全橋電路，由電路原理可知，當(dāng)在輸入電壓端給一個電壓信號U，在輸出端得到的電壓信號為ΔU，當(dāng)R1、R2、R3、R4的電阻值均相等時，ΔU得到的電壓值為0；如果R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生的電阻值的變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，通過計算可以求得[2]：

由式（2）可以看出，在組成八角環(huán)測力儀電橋的電路中，使相鄰的電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生符號相反的變化可以得到較大的值。同理可知，當(dāng)R1、R2、R3、R4的電阻值都相同為R的時候可以得到以下公式：

并且要求粘貼的電阻應(yīng)變片要牢固，與八角環(huán)測力儀連接緊密，電阻應(yīng)變片與八角環(huán)之間要求絕緣性十分可靠，否則測得結(jié)果沒有實(shí)用價值。

圖6 Fx作用下八角環(huán)應(yīng)變簡圖

圖7 Fy作用下八角環(huán)應(yīng)變情況簡圖

圖8 Fz作用下八角環(huán)應(yīng)變簡圖

圖9 應(yīng)變片分布圖[3]

2 ANSYS有限元分析八角環(huán)測力儀

通過使用ANSYS有限元分析軟件對八角環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這樣可以預(yù)先分析判斷，在八角環(huán)受到Fx、Fy、Fz三個方向的力的情況下，雙平行環(huán)的形變量最大的位置與粘貼電阻應(yīng)變片的合理位置。分析選擇如何在八角環(huán)上粘貼電阻應(yīng)變片可以構(gòu)成比較理想的等臂全電橋電路，并且在三個方向上，他們測得的數(shù)據(jù)相互之間比較獨(dú)立。2.1 八角環(huán)測力儀力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

通過UG軟件建立八角環(huán)測力儀的三維實(shí)體模型，然后將模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，并對三維實(shí)體模型做簡化處理，八角環(huán)測力儀與車床刀架連接部分為中間帶銷孔的實(shí)體結(jié)構(gòu)，在構(gòu)建三維模型時可以將八角環(huán)尾部的這部分畫成實(shí)體結(jié)構(gòu)，將約束構(gòu)建于這部分的所有面上，恰恰模擬了八角環(huán)的柄部被夾緊的狀態(tài)。將刀具安裝的與工件的回轉(zhuǎn)中心線等高，因此刀具刀尖應(yīng)該畫在八角環(huán)的幾何中心位置，同樣刀具與八角環(huán)的連接部分也可以簡化，將刀具體與八角環(huán)的實(shí)體建立成一個整體，其材質(zhì)選擇為45號結(jié)構(gòu)鋼，如圖2所示。

建立約束以后，在實(shí)體模型的刀尖處施加Fx、Fy、Fz的三個方向的力載荷，計算有限元的分析結(jié)果，對刀尖施加Fz方向的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

圖10 橋接圖[3]

從以上圖3、圖4、圖5中可以看出，當(dāng)八角環(huán)受到Fx、Fy、Fz、三個方向的外力時，在固定刀具的實(shí)體模型部分與固定八角環(huán)的實(shí)體模型部分基本上沒有產(chǎn)生變形，產(chǎn)生變形比較明顯與較大的地方是在八角環(huán)的兩個平行環(huán)體上，并且產(chǎn)生的變形相對于八角環(huán)的結(jié)構(gòu)中心線對稱，其中藍(lán)色部分為八角環(huán)產(chǎn)生的拉應(yīng)變，拉應(yīng)變的結(jié)果值為負(fù)（-）值，紅色部分為八角環(huán)產(chǎn)生的壓應(yīng)變，壓應(yīng)變的結(jié)果值為正值（+）。

對ANSYS軟件分析八角環(huán)測力儀在三個方向力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)變情況，畫出八角環(huán)上下兩環(huán)的拉壓應(yīng)變情況示意如圖6、圖7、圖8所示。

根據(jù)分析的結(jié)果，盡量選擇應(yīng)變較大的位置粘貼電阻應(yīng)變片，并且使得使電阻應(yīng)變片的電橋連接為等臂全橋電路，所以在連接電阻應(yīng)變片時，相鄰的電阻應(yīng)變片應(yīng)該為符號相反的應(yīng)變；電橋電路中相對的電阻應(yīng)變片為符號相同的應(yīng)變。

當(dāng)對八角環(huán)施加Fz方向的力時，八角環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)閷ΨQ的，粘貼應(yīng)變片應(yīng)該與八角環(huán)的結(jié)構(gòu)上下、左右對稱分布，并且在①、②、⑦、⑧處其應(yīng)變?yōu)樽畲笾?，因此粘貼電阻應(yīng)變片的位置得到的方案有三種，分別為：

(1)上下兩環(huán)的①、②、⑦、⑧處的八個應(yīng)變片組成電橋；

(2)上下兩環(huán)的①、⑧處的四個電阻應(yīng)變片組成電橋；

(3)上下兩環(huán)的②、⑦處的四個電阻應(yīng)變片組成電橋。

當(dāng)對八角環(huán)施加Fy方向的力時，八角環(huán)產(chǎn)生較大應(yīng)變的位置為上下兩環(huán)的①、②、⑦、⑧、⑨、⑩位置。

當(dāng)對八角環(huán)施加Fx方向的力時，八角環(huán)產(chǎn)生較大應(yīng)變的位置為上下兩環(huán)的①、③、⑥、⑧、⑩位置。

由以上分析結(jié)果可以得出，在受到Fx、Fy、Fz方向的外力時，上下兩環(huán)的①、⑧兩處位置的應(yīng)變值都比較大，但是由于Fz方向?yàn)榍邢鞯闹髑邢髁Φ姆较?，所以在Fz方向上①、⑧兩處位置的應(yīng)變與其他兩個方向的向間干擾不容易被區(qū)分，所以測量Fz方向的全橋電路選擇第三種方案（3），因此為了使三個方向測量的應(yīng)變更加符合實(shí)驗(yàn)的要求，我們將八角環(huán)測力儀的應(yīng)變片按照這種方法進(jìn)行粘貼，如圖9、圖10所示。

并且經(jīng)過ANSYS有限元分析可以模擬仿真八角環(huán)受到切削力大小為326.19N，則分解在三個方向的力分別為：Fx大小為100N，F(xiàn)y大小為80N，F(xiàn)z大小為300N,。通過軟件模擬仿真計算，可以得到式（4），八角環(huán)受到切削合力產(chǎn)生的應(yīng)變量是分別加載三個方向的力產(chǎn)生的應(yīng)變量的疊加結(jié)果，從而證明八角環(huán)測力儀的測量結(jié)果數(shù)據(jù)呈線性的。

圖11 前十五階模態(tài)振型頻率

2.2 八角環(huán)測力儀的模態(tài)分析

經(jīng)過以上的研究分析，已經(jīng)將幾何結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入了ANSYS有限元分析軟件中，在此基礎(chǔ)上，我們在ANSYS軟件中選擇模態(tài)分析項(xiàng)目，采用相同的約束進(jìn)行網(wǎng)格化，得到關(guān)于八角環(huán)測力儀的前十五階模態(tài)振型與頻率，如圖11所示。

由結(jié)果與振型可以得知，八角環(huán)測力儀在振型頻率的范圍以上，測量系統(tǒng)均會受到振動的影響，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠與準(zhǔn)確，要求選擇車床的主軸轉(zhuǎn)動頻率應(yīng)該低于八角環(huán)測力儀共振頻率的4-8倍，故選擇實(shí)驗(yàn)時的主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)小于76.965r/s或4617.9r/ min。如果實(shí)驗(yàn)時，切削一些特殊外形的工件，還需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行選擇主軸轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)論

本文利用有限元方法完成了八角環(huán)測力儀的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，確定了實(shí)驗(yàn)測量使用的范圍；并對電阻應(yīng)變片的布片方案的設(shè)計做了詳細(xì)的論證，比較明顯地消除了向間干擾，并且通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可以驗(yàn)證八角環(huán)測力儀的直線特性，同時也使實(shí)驗(yàn)過程更好的演示與表達(dá)的更加清楚，為車削力測量系統(tǒng)的研究與教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了更為完善的理論方法與依據(jù)，并且驗(yàn)證了該方法的可行性。

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上接P72頁比結(jié)果，確保維修結(jié)果滿足專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 落實(shí)維修保障管理

第一，調(diào)整直升機(jī)使用率。對于壽命后期直升機(jī)，需要結(jié)合其檢修結(jié)果各項(xiàng)數(shù)據(jù)，來對其使用率進(jìn)行合理調(diào)整，包括起落次數(shù)、飛行間隔時間、連續(xù)飛行時間、裝載重量等，延長飛行間隔時間，且減少起落次數(shù)，避免造成安全威脅增加，減少各部附件故障發(fā)生率。直升機(jī)連續(xù)飛行時間越長，各機(jī)件需要承受的動力負(fù)荷與熱負(fù)荷越大，也更容易出現(xiàn)變形、裂紋、斷裂等情況。第二，提高維修質(zhì)量。所有機(jī)務(wù)人員均要有較高的專業(yè)技能水平，以及專業(yè)操守，可以貫徹落實(shí)各項(xiàng)規(guī)章制度，保證各項(xiàng)預(yù)防性措施落實(shí)到位，最大程度上來提高直升機(jī)可靠性。

4 結(jié)束語

進(jìn)入到壽命后期的直升機(jī)，各類運(yùn)行故障發(fā)生概率增加，針對此特點(diǎn)，在對其進(jìn)行維修保障管理時，需要確定各類作業(yè)要點(diǎn)，有針對性的采取措施進(jìn)行優(yōu)化，對飛行和訓(xùn)練任務(wù)進(jìn)行合理調(diào)整，最大程度上來提高直升機(jī)固有可靠性。

參考文獻(xiàn)（References）

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郭浩澤（1987- ），男，本科，助教，研究方向：機(jī)械工程。