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1、实 验 应 力 分 析,2014年10月,绪 论,随着科学技术的发展，需对复杂载荷作用下的复杂结构进行应力、应变分析，以解决工程强度问题。有两种不同的分析方法:理论分析法：建立力学模型，并进行(近似)数值计算，如有限单元法。实验分析法：利用模型或实体进行实验研究。这两种方法是解决工程强度问题的两种不同途径，二者相辅相成、相互促进。,绪 论,实验应力分析实验应力分析的任务 实验应力分析的特点 实验应力分析的局限性 实验应力分析的方法,实验应力分析：所谓实验应力分析（或者叫实验力学）是指用各种不同的实验方法和手段测定受力构件的应力、应变的一门学科。,实验应力分析的任务：1、在设计过程中，测定模型中
2、的应力和变形，根据测定结果选择最合理的构件尺寸和结构形式。2、在现有设备上或工程结构上测量真实应力状态，找出最大应力的位置及数据，评定设备或结构的安全可靠性。,3、对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措施，防止再次出现破坏或失效现象。 4、测定构件在工作过程中所受载荷大小和方向，或测定影响载荷情况的各种运动参数(如位移、加速度等)。5、对理论分析方法进行校核，验证理论分析的正确性，并为理论分折提供条件。,实验应力分析的主要任务：,实验应力分析的特点a、方便，经济，实用；b、在边界条件不确定，甚至材料性能未知的情况下，也可进行应力和应变分析；c、不受结构形状等各种条件限制。,实验应力分析的局限性
3、：a、所得结果包含理想化和近似化因素。b、由于测试技术的限制，在某些特定条件下，还不能进行实验，且测量精度也有待提高。,实验应力分析的方法：1.电阻应变计测量法（应变电测法）：用电阻应变计测定构件的表面应变，再根据应变-应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。,2.各种光测法光弹性法、全息激光法、散斑干涉法、云纹法、云纹干涉法、焦散线法、动光弹法、光塑性法等。,电阻应变计测量法,第一章 电测法概述 第二章 电阻应变片 第三章 测量电桥的特性及应用 第四章 电阻应变仪与记录仪 第五章 静态应变测量 第六章 动态应变测量,第一章 电测法概述,电测法简介电测法的特点 电测法的局限性 电测
4、法的应用,第一章 电测法概述,一、电测法简介电测法：将力学量（应变、位移、速度）等非电量转换成电量来进行测量的一种实验方法。电测法是实验应力分析中使用最广泛和适应性最强的方法之一。该方法是利用电阻应变计(简称应变片）作为敏感元件，将应变量转换成电量，用电阻应变仪作为测量仪器，通过测量可以得到受力构件上的应变的一种实验方法。,二、电测法的特点： 测量灵敏度、精度高，最小应变读数可达10-6，静态应变测量精度可达1%2% 。 应变片尺寸小，重量轻，粘贴方便，对试件的工作状态和应力分布影响很小。 频率响应快，机械滞后小，可以测量静态应变到5* 105Hz动载和冲击载荷的动态应变。,二、电测法的特点
5、可在恶劣的环境下测量结构的应变。如在高温、低温、深水结构、强磁场及核辐射等条件下进行测量。 可对运动状态下的结构进行实测。如可对高速旋转的飞轮和轴、行驶中的汽车、拖拉机等进行实测。 输出为电信号，自动化程度高，可实现遥控测量。,三、电测法的局限性：1一枚应变片只能测量一个“点”，不易得到构件的全域性应变分布 。 2应变片一般只能测构件表面的应变对结构内部的三维应变测量很难进行，（安装内埋式应变计）。3应变片所测出的应变只能代表栅长范围内的平均应变，对应力梯度很大构件表面或应力集中的情况，应选栅长很小的应变计，否则测量误差较大。,四、电测法的应用1、航空航天工程美国Boeing767飞机静力结构
6、实验采用了2204个单个应变片，1162个应变花，应变测量仪器约4100个通道，采用120个液压加载器，试验费用约4100万美元。,四、电测法的应用2、水利工程日本真名川混凝土水坝，在建造时为施工和完成后维修监测，埋设了温度计187个，应变计43个，及应力计、钢筋计、裂缝计等共600多个测量元件。采用数据采集仪。施工中测量各处温度，施工后测量坝体应力，蓄水时监测各种应力、应变和温度等。,四、电测法的应用3、桥梁工程上海南浦大桥系双塔双索面大跨度斜拉桥，静载试验测试时在主梁跨中、辅助墩顶等2个测试断面上共有144个测点，其中钢梁部分现贴应变片72个，混凝土桥面板预埋钢筋应力计72个。采用静态数据
7、采集仪测量记录。,四、电测法的应用4、交通工程小桥车耐冲撞性试验，为测量车体前后方向的加速度，在前座、后座底板上安装加速度传感器，在前座假人头部、腹部安装加速度传感器，在前座假人肩部、腰部安装荷载传感器等。由动态应变仪放大并记录，通过遥测仪进行测量。,第二章 电阻应变片,2-1 应变片的工作原理 2-2 应变片的分类与选用 2-3 应变片的工作特性 2-4 应变片粘结剂的选用和粘贴工艺 2-5 应变片的标定,2-1 应变片的工作原理,一、应变片的构造最常应用应变片的是丝绕式电阻片和金属箔式电阻片。丝绕式电阻片一般采用0.0120.05mm直径的镍铬或铜镍(康铜)合金丝绕成栅状，其结构如图2-l
8、 所示。由五部分构成。,1、敏感栅 2、基底 3、引线 4、覆盖层 5、粘结剂图2-1 应变片的构造,1、敏感栅 2、基底 3、引线 4、覆盖层 5、粘结剂 图2-2 金属箔式应变片,一、应变片的构造金属箔式电阻片是用厚度0.0010.01 mm的金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。它的几何形状和尺寸非常精密。参见图2-2，也由五部分组成。,二、电阻丝的应变效应金属导体的电阻随其变形(伸长或缩短)而发生改变的这种物理现象叫金属导线的应变效应。已知导线电阻表达式为(2-1) 其中，R是导线的电阻()，是导线的电阻率( mm2/m)，l是导线的长度(m) ，A是导线的横
9、截面积(m2)。 考虑导线电阻率为常量时，导体伸长后引起电阻的变化为(2-2),将(2-2)式除以(2-1)式可得(2-3) 圆截面导线变形后直径D变为其中，是泊桑比，dl/l是应变。截面面积变比为(2-4) 将(2-4)式代入(2-3)式得到令KS为电阻丝灵敏系数，上式变为(2-5),可见电阻变化率dR/R与应变量成正比，比例常数KS为(2-6) 实测值KS与(2-6)式不符，其原因是在应变过程中也是变量。考虑为变量时，则有(2-7) 即是(2-8),式(2-8) 表明，电阻丝的灵敏系数KS受到两个因素的影响：1.电阻丝材料本身的机械性能，即式中(1十2)项。2.电阻丝受力后材料的单位应变系
10、数的变比率，为 。,三、应变片的灵敏系数K根据测量仪器要求，电阻丝必须具有定量的初始电阻(一般120 )；单线长度为3080mm，因此，必须把它制成栅状，以测量反映构件“点”的应变。定义：当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，应变片轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿其轴向的应变之比值，即K= (R/R)/x 。应变片的灵敏系数主要取决于敏感栅材料的灵敏系数，但两者又不相等：由于横栅的存在，使敏感栅的灵敏系数小于丝材的灵敏系数；试件的变形是通过基底和粘结剂传递给敏感栅，又使应变片的灵敏系数小于敏感栅的灵敏系数。应变片的灵敏系数是受多种因素影响的综合性指标，不能通过理论计算得到
11、，而是在专门的设备上进行标定试验来确定的。常用应变片的灵敏系数为2.02.4。,当横向应变为零时，可得轴向灵敏系数：当轴向应变为零时，可得横向灵敏系数：横向效应系数H定义：横向灵敏系数与轴向灵敏系数的比值 。可采用等强度梁来测定应变片的横向效应系数。,四、应变片的横向效应系数应变片的横向效应：由于敏感栅感受横向应变而使应变片灵敏系数减少的现象。应变片的电阻变化率是感受纵向应变 和横向应变 共同引起的:,2-2 应变片的分类与选用,一、应变片分类应变片的类型很多，可根据不同的用途和特点来分类，现只介绍几种常用的应变片： 1丝绕式圆角栅应变片这种应变片敏感栅用绕丝机织成，基底多用纸，价格便宜。其缺
12、点是端部有半圆形弧段，造成横向效应，测量精度不高，耐湿和耐高温性能也不好。 2箔式应变片这种应变片用厚度金属箔作为敏感栅，箔片材料为康铜、镍铬合金等，利用光刻技术制成。其横向部分可以做成宽栅条，横向效应很小；散热性能好，允许较大电流通过；疲劳寿命长。其缺点是工艺较复杂，制造难度大。,(a)两片直角(b)三片直角(c)三片等角(d)四片直角(e)四片等角(T-) 图2-3 常见的应变花,3应变花为了测量平面应力场中某测点的主应力大小和方向，常常需要测量该点上两个或三个方向上的应变，这就需要在一个基底上粘贴24个电阻丝栅，它们方向事先已安置妥当，称为应变花。常用的应变花有两片直角、三片直角、三片等
13、角、四片直角、四片等角(T-)等形式。参见图2-3。,二、电阻应变片的选用 1应变片基底材料的选择构件的工作温度是选用应变片基底材料的主要依据，现将几种基底材料的工作温度列表如下：,表2-1 基底材料的工作温度范围,2. 应变片敏感栅结构形状和尺寸的选择结构形状：当构件处于单向应力状态或主应力方向已知的平面应力状态时，可采用单轴(单个敏感栅)应变片。当构件表面处于主应力方向未知的二向应力状态，则需选用三栅或三栅以上的应变花。特殊形状的应变片适用于特殊的用途。如45多栅多轴应变片用于测试拉应变和剪应变；平行轴多栅电阻片测应力梯度等。结构尺寸：由于电阻片测量是栅长内构件应变的平均值，选择栅长尺寸时
14、，应考虑应力变比的梯度，当构件应力变化的梯度大时选择栅长小的应变片在应力集中部位，栅长越小越好。从构件材料的均匀性来考虑，如混凝土、铸铁，应选择栅长较大的电阻片，对于混凝土构件，应变片的栅长应为混凝土最大骨料的45倍。,3根据工作环境条件考虑 在潮湿环境中，考虑使用防潮性能好的胶膜基底电阻片，并且涂上防潮剂以免潮气侵入应变片内。 在强磁场条件下电阻片因磁场影响产生伸长或缩短，在交变磁场内将产生干扰信号，因此应使用防磁电阻片。测量混凝土结构内部应变和应力时，选用温度自补偿箔式应变片，或选用混凝土埋入式应变片。 4应变片电阻值选择应变片的电阻值有60，120，200，350等，一般选用标称值120
15、的电阻片。因为应变测量仪器的桥臂电阻大都是按照120设计的。,5. 应变片灵敏系数的选择在静载荷作用下测量时，应变片可选用任意值的灵敏系数，因为仪器上设有灵敏系数调节旋纽，测量值可以不必修正。在动态应变测量时，由于动态应变仪是按照灵敏系数等于2设计的，所以选取K2的应变片，如果应变片的灵敏系数与仪器灵敏系数不一致时，测量结果需要修正。 6. 应变片精度等级的选择应变片的精度一般分为三级：普通级、精密级和高精密级。选用的等级可根据测试目的和要求决定。普通级可用于教学实验；高精密级可用于高精度传感器和精密测试。,2-3 应变片的工作特性,应变片的性能好坏直接影响应变测量的精确度，因此，应对应变片的
16、性能需要提出一定的要求。,一、机械滞后当对贴有应变片的试件进行反复加、卸载试验时，其特性曲线不完全重合这种现象称为应变片的机械滞后。见图2-4。机械滞后值k可用加载、卸载循环过程中，加载曲线与卸载曲线的最大差值max表示。,图2-4 机械滞后,机械滞后产生原因很多，主要是应变片特性差，粘结剂固化处理不当，胶层过厚，局部脱胶等。在使用应变片测量前，最好予先加载数次，以减小滞后影响。,二、蠕变和零点漂移蠕变是当试件在某恒定应变下及某不变的温度下，应变片的指示应变随时间而变化的特性。零点漂移是在试件不受力的情况，在某恒定温度下应变片的指示应变值随时间而变化的特性。产生零漂的原因是温度效应、粘接剂固化不充分、制造和粘贴应变片过程中造成的初应力、敏感栅材料的逐渐氧化、仪器零漂等所造成的。 三、应变极限在室温条件下，使试件的应变逐渐加大，当应变片的指示应变与试件实际应变的相对误差达到10时，此时试件应变为该应变片的应变极限。决定应变极限的主要因素：粘结剂和基底材料传递应变的性能；引线与敏感栅焊点的布置形式；应变计的安装质量。,
