呂鵬帥，劉愛(ài)玲，楊 霖，劉天新，常學(xué)森

(遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

壓力容器的安全檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，電測(cè)法是測(cè)量?jī)?nèi)壓薄殼容器應(yīng)力變化的常用方法，測(cè)量時(shí)利用粘合劑將電阻應(yīng)變片固定在被測(cè)容器上，另一端與電阻應(yīng)變儀相連接。實(shí)驗(yàn)時(shí)操作者通過(guò)手動(dòng)加壓裝置控制容器內(nèi)部壓力，當(dāng)容器變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)電阻應(yīng)變儀，可以將應(yīng)變片中的阻值變化測(cè)量出來(lái)并用記錄儀記錄。電測(cè)法雖然測(cè)量精度高，但需準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材和設(shè)備較多，步驟較為繁瑣，手動(dòng)加壓時(shí)壓力變化幅度變化大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)[1]。

近年來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于可以模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、網(wǎng)格通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)資源和環(huán)境，得到了快速發(fā)展。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上操作虛擬實(shí)驗(yàn)，既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可改進(jìn)傳統(tǒng)演示實(shí)驗(yàn)[2]。LabVIEW軟件可以提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類(lèi)似的控件，能方便地創(chuàng)建用戶(hù)界面，是目前常用的一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)手段。本文采用LabVIEW軟件根據(jù)無(wú)力矩理論，模擬內(nèi)壓薄壁容器周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力變化情況，該方法可以更便捷的測(cè)定應(yīng)力，可作為一種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，也可為工程技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供方便[3]。

1 無(wú)力矩理論

在承受氣體內(nèi)壓回轉(zhuǎn)薄殼內(nèi)部同時(shí)存在薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力，當(dāng)薄殼的抗彎剛度非常小，或者殼體中面的曲率、扭率改變非常小時(shí)，彎曲內(nèi)力很小。在分析薄殼平衡時(shí)，可省略彎曲內(nèi)力對(duì)平衡的影響，這種理論稱(chēng)為無(wú)力矩理論。因殼壁很薄，沿厚度方向的應(yīng)力與其他應(yīng)力相比很小，其他應(yīng)力不隨厚度而變，因此殼體中面上的應(yīng)力和變形就可以代表薄殼的應(yīng)力和變形。當(dāng)回轉(zhuǎn)薄殼承受軸對(duì)稱(chēng)載荷時(shí)，殼體的抗彎剛度可以抵抗彎曲、扭曲變形，殼體的應(yīng)力狀態(tài)僅有周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，此時(shí)處于無(wú)力矩狀態(tài)，應(yīng)力沿厚度均勻分布，殼體材料強(qiáng)度可以合理利用，是最理想的應(yīng)力狀態(tài)[4]。殼體無(wú)力矩理論在工程殼體結(jié)構(gòu)分析中占有重要地位。根據(jù)無(wú)力矩理論可以求得幾種典型回轉(zhuǎn)薄殼的軸向應(yīng)力σφ和周向應(yīng)力σθ：

式中：p——容器所受內(nèi)壓力，MPa；

D——容器中徑，mm；

R——容器半徑，mm；

δ——容器壁厚，mm；

a——橢球形殼體長(zhǎng)半軸，mm；

b——橢球形殼體短半軸，mm；

x——橢球形容器上某點(diǎn)距殼體頂點(diǎn)距離，mm；

r——平行圓半徑，mm；

α——錐形容器錐頂角角度,°。

根據(jù)以上公式，可以計(jì)算出理想的無(wú)力矩狀態(tài)下殼體的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。若殼體邊界處同時(shí)存在較大的彎曲應(yīng)力和薄膜應(yīng)力，可以先按無(wú)力矩理論求解，再用有力矩理論修正[4]。

2 內(nèi)壓容器應(yīng)力測(cè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LABVIEW軟件是一種圖形化的編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)時(shí)可在前面板和程序框圖里同時(shí)操作。前面板提供與傳統(tǒng)儀器類(lèi)似的顯示量，可用來(lái)創(chuàng)建用戶(hù)界面。程序框圖中使用圖標(biāo)和連線(xiàn)，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中控制量之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。本系統(tǒng)應(yīng)用顯示量和控制量實(shí)現(xiàn)以下功能[5]。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室登錄

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)室登錄用戶(hù)界面圖

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)室登錄功能VI程序框圖

登陸界面由賬號(hào)、密碼、進(jìn)度條組成。輸入賬號(hào)和密碼可進(jìn)入虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，如圖1～2所示。為了保障實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全性，該平臺(tái)也提供了修改密碼功能，輸入用戶(hù)原賬戶(hù)密碼，然后輸入修改后的賬戶(hù)密碼，點(diǎn)擊確認(rèn)即可，如圖3～4所示。

圖3 修改密碼用戶(hù)界面圖

圖4 修改密碼界面VI程序框圖

登錄之后進(jìn)入容器類(lèi)型選擇界面，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，選擇相應(yīng)的容器，分別為球形容器，橢球形容器和錐形容器，如圖5～6所示。點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面。

圖5 選擇容器類(lèi)型用戶(hù)界面圖

圖6 選擇容器類(lèi)型VI程序框圖

2.2 球形容器應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)

將容器承受的內(nèi)壓值，殼體的壁厚和半徑數(shù)據(jù)輸入程序中，點(diǎn)擊確定。程序自動(dòng)計(jì)算出此時(shí)容器不同測(cè)量點(diǎn)的壓力。由于球形容器上外形具有特殊性，其測(cè)量點(diǎn)為任意選取。點(diǎn)擊停止按鈕，運(yùn)行結(jié)束，系統(tǒng)會(huì)給出測(cè)量結(jié)果，并得到相應(yīng)的圖表，如圖7～8所示。

圖7 球形容器應(yīng)力測(cè)試用戶(hù)界面圖

圖8 球形容器應(yīng)力測(cè)試VI程序框圖

2.3 橢球形容器應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)操作與球形容器測(cè)試操作相同，用戶(hù)操作界面和程序框圖如圖9～10所示，橢球形容器測(cè)量點(diǎn)為的容器短半軸頂點(diǎn)，曲線(xiàn)上的中點(diǎn)和赤道點(diǎn)。

圖9 橢球形容器應(yīng)力測(cè)試用戶(hù)界面圖

圖10 橢球形容器應(yīng)力測(cè)試VI程序框圖

2.4 錐形容器應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)操作與球形容器測(cè)試操作相同，用戶(hù)操作界面和程序框圖如圖11～12所示，錐形容器的測(cè)量點(diǎn)為錐頂點(diǎn)，中點(diǎn)和底部邊緣點(diǎn)。

圖11 錐形容器應(yīng)力測(cè)試用戶(hù)界面圖

圖12 錐形容器應(yīng)力測(cè)試VI程序框圖

3 電測(cè)法數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)比較

本文以橢球形容器應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)為例對(duì)電測(cè)法獲得的數(shù)據(jù)和LabVIEW仿真實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。分別選取壓力為1 MPa和2 MPa，容器短半軸長(zhǎng)度為154.5 mm，長(zhǎng)半軸長(zhǎng)度為77.25 mm，容器壁厚為8 mm進(jìn)行分析[6]，數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)圖13～14。從圖中可以看出，電測(cè)法獲得的數(shù)據(jù)和LabVIEW仿真獲得的數(shù)據(jù)誤差相差不大，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。

圖13 橢球形容器周向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

圖14 橢球形容器軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比圖

4 結(jié)論

(1)本發(fā)明通過(guò)基于LabVIEW工具進(jìn)行仿真系統(tǒng)的建設(shè)，通過(guò)控制量和顯示量對(duì)子程序進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。該仿真系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)試和監(jiān)控，比傳統(tǒng)的測(cè)試儀器測(cè)試速度快、性能穩(wěn)定，功能多，節(jié)約資源。該仿真系統(tǒng)符合現(xiàn)代化教學(xué)規(guī)律的要求,在教學(xué)中能起到事半功倍的作用；

(2)虛擬仿真系統(tǒng)可以根據(jù)無(wú)力矩理論相關(guān)公式模擬殼體的周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，依托虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)資源和環(huán)境，可以滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求。