田野　王惠源　張成卿　牛碧凱　劉雪松

基于應變電測法的彎梁受力測試與分析

田野1王惠源1張成卿1牛碧凱2劉雪松2

1、山西中北大學機電工程學院2、中國兵器工業(yè)第二〇八研究所

本文針對復雜工況下的彎梁受力測試問題，利用應變電測法進行測試。首先建立彎梁三維模型，在ANSYS中分析得到其最大變形的部位，在該處粘貼應變片，在真實工作條件下測量其應變，然后帶入靜態(tài)標定擬合曲線即可求得其在工作條件下的受力。該研究為復雜工況下的部件受力測試提供了一定的理論依據(jù)。

應變電測法；受力測試；靜態(tài)標定

引言

在生產(chǎn)實踐中，對很多機械構件的受力都會有一定的要求，對機械構件的受力測試是一個常見的問題。應變電測法具有高靈敏度、高精度、數(shù)據(jù)可靠的特點，非常適用于機械構件的受力測試問題。本文利用應變電測法對某機械設備的彎梁受力進行測試，以驗證其是否滿足不大于7000N的受力要求。

1應變電測試原理

應變電測法就是將構件受力后的應變轉(zhuǎn)化為電阻的變化，將構件的變形轉(zhuǎn)化為電信號。構件受力后，粘貼在表面的電阻應變片將隨之產(chǎn)生應變，應變片的電阻將會產(chǎn)生相應變化，通過橋式測量電路將電阻值的變化轉(zhuǎn)變成電壓的變化。然后經(jīng)由模擬電路將微弱的電壓信號放大濾波，再通過A/D轉(zhuǎn)換采集電路把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采用應力應變測試系統(tǒng)對數(shù)字信號進行采集。

2靜態(tài)標定

靜態(tài)標定的基本原理是在被測件某處施加已知恒定的一個力或力矩，待數(shù)值穩(wěn)定后，采集并記錄相應的應變值，得到靜態(tài)力與被測點應變的變化關系曲線。

2.1理論分析選定測試位置

為了提高測試精度，在靜態(tài)標定中應變片粘貼位置需要選擇彎梁最大應變處。因此，需要采用有限元法分析彎梁各部位的變形量。畫出彎梁的簡化三維模型，如圖1所示。

圖1　彎梁簡化模型

模型選用的材料屬性，如表1所示。

表1　模型選用材料屬性

將彎梁模型導入有限元分析軟件ANSYS進行網(wǎng)格劃分，施加邊界條件，有限元模型，如圖2所示。

圖2　施加約束的彎梁有限元模型

施加5000N靜態(tài)載荷所得應變云圖，如圖3所示。

圖3　施加5000N靜態(tài)載荷的彎梁應變云圖

由應變云圖可知彎梁最大變形位置在拐角和連接軸孔周圍區(qū)域，應在此區(qū)域粘貼應變片。

2.2靜態(tài)標定過程

以有限元分析結果為依據(jù)，把彎梁連接軸孔處選定為應變測試位置，在該處粘貼應變片，將引出的導線與INV3060S型數(shù)據(jù)采集器和INV1861A型應變調(diào)理器連接，然后連接到計算機終端。

機械設備總體結構，如圖4所示，標定試驗過程主要由鋼絲繩對與彎梁連接的掛架施加靜態(tài)載荷，以模擬彎梁的受力。

圖4　設備總體結構圖

對鋼絲繩施加不同的力，通過計算機終端采集到不同的力所對應的彎梁測試點應變，如表2所示。

表2　彎梁應變隨靜態(tài)力隨應變變化表

將以上數(shù)據(jù)進行一元線性回歸處理，所得靜態(tài)力隨應變變化曲線，如圖5所示。

圖5　靜態(tài)力隨應變變化曲線

此處應變片回歸方程為：F=8.3209x+32.173

式中：F—靜態(tài)力，單位為Kgf；x—應變，單位為με。

由數(shù)據(jù)的相關性判斷系數(shù)R2值為0.9897大于0.98，根據(jù)相關性理論得出其相關性很好，即靜態(tài)標定結果滿足要求。

3工作環(huán)境下彎梁受力測試

得到彎梁受力與應變的關系曲線后，將設備置于真實工作條件下，測試在真實工作環(huán)境下的被測點處應變，可得應變—時域波形，如圖6所示。經(jīng)濾波后，可得關系曲線，如圖7所示。

圖6　工作環(huán)境下的應變—時域波形圖

圖7　濾波后的波形圖

由曲線可知應變片最大應變?yōu)?3.9709με，代入關系式計算可得彎梁所受的最大載荷為6476.8N。

4結論

通過靜態(tài)標定，得到彎梁受力與應變的關系為F= 8.3209x+32.173，將真實工作環(huán)境下產(chǎn)生的應變代入關系式得到彎梁受力為6476.8N，彎梁滿足要求的工作條件。同時也表明應變電測法測受力的可行性與實用性。

［1］牛碧凱.航空轉(zhuǎn)管機槍發(fā)射動力學研究［D］.山西：中北大學，2015.

［2］尹福炎.航空—航天飛行器結構試驗與應變測量技術一本通［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2013.

［3］余雄勇.直升機飛行狀態(tài)下武器發(fā)射后坐力動態(tài)測試研究［D］.江蘇：南京航空航天大學，2006.

田野，1990年出生，山西忻州人，碩士研究生，研究方向：武器結構設計及機械動力學研究。