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1、实验三 典型(复杂)结构压力容器应力应变测试综合实验一、实验目的1、了解实验应力电测法的基本原理与操作；2、了解薄壁容器承受内压载荷作用时，壳体各部分的应力分布情况，进一步验证理论计算公式；3、比较实测应力与理论应力分布规律，分析其产生误差的原因。二、实验原理1、应力与应变的关系薄壁容器受内压时各点处于两向应力状态，在弹性范围内，封头和筒体的应力与应变遵循广义虎克定律： (1) (2)其中：- 主应力(经向应力、周向应力)- 主应变(经向应变、周向应变)-被测材料的弹性模量 209GPa-泊松比 0.32、应变的测量现有实验手段不能直接测量得到应力，需要先测出应变，然后计算出应力。本实验是将各
2、点的应变值转变成电参量来测量的。使用元件是电阻应变片，用502胶水将应变片粘在各被测点上，应变片随同试件一起变形，应变片长度和截面的改变，使应变片的电阻值发生变化(在弹性范围内)，应变片电阻丝单位电阻的变化量 / 与其单位长度的变形量成正比，即：式中：-电阻丝变形后产生的电阻值的变化量；K-电阻丝的灵敏系数；-电阻丝的应变值()应变片电阻值的变化量可以通过图1所示的电析平衡法测量。图 1 惠斯登电桥R1R2R4R3BACBUACUBD是粘在试件上的工作应变片。是温度补偿应变片，粘在与温度相同但不变形的补偿块上。是电桥的另外两臂，在电阻应变仪的内部。由于应变片阻值的变化除外力负荷引起的外，也受温
3、度变化的影响。当测试环境温度变化时，必须考虑温度补偿问题。当试件受力并有温度变化时，工作应变片由于受力和温度变化而导致阻值变化，而温度补偿片只有温度变化而引起的阻值变化，相邻两个桥臂相互抵消，在应变仪上只有应变片因受力变形而导致的应变。在测量时如果在被测试件上能找到应变符号相反或比例关系已知且温度条件相同的两点，在这两点上各一个工作应变片，并将它们接到相邻的两个桥臂上，也可以实现温度补偿。在本次实验中，一个测试点粘贴经向和周向两个应变片。三、实验设备1、实验系统实验装置主要由实验容器(球形封头容器、椭球封头容器、平板封头容器、锥形封头容器)、加压装置、控制装置、电阻应变仪、应变片等构成，如图2
4、所示。图2 实验装置1 压力容器；2 压力表；3 周向应变片；4 经向应变片；5 温度补偿片；6 放水阀；7 应变仪；8 试压泵；9 压力表 2、电阻应变仪CM-1J-32型数字静态应变仪是CM系列静态应变仪的一种，它主要用于实验应力分析及静力强度研究中测量结构及材料任意点变形的应力分析， K值连续可调。CM-1J-32数字静态应变仪由测量桥、校准桥、放大器、有源滤波器，A/D数字显示，电源等部分组成。其原理如图3所示：校准测量桥放大器有源滤波器A/D数字显示电 源图3 应变仪工作原理图应变仪主要技术指标如下：(1)、测量范围：019999(2)、分辨率：1(3)、基本误差：测量值的0.1%2
5、个字(4)、稳定性：A：零点漂移3/4h B：温度漂移1/ C：灵敏度变化：测量值的0.1%2个字(5)、应变系数：K值可调范围为0.19.9(6)、主机可测点数：32点(7)、预调平衡范围：约19999(8)、适调应变电阻值范围：1201K(9)、可方便的进行单臂、半桥、全桥测量(10)、桥压：2VDC(11)、电源：AC220V0.1% 50Hz(12)、工作环境：040相对湿度3%85%机箱内测点分为4组，每组8个测点，一个公共补偿端子用于单臂(1/4桥)及半桥测量。1/4桥的接线方式如图4所示。3、应变片应变片主要由敏感栅、基底、覆盖层及引出线所组成，敏感栅用粘合剂粘在基底和覆盖层之间
6、。丝绕式应变片的典型结构如图5所示。敏感栅是由金属丝制成的应变转换元件；基底的作用是保护敏感栅的几何形状，并保证敏感栅和被测构件之间的绝缘，以免形成短路，覆盖层起保护作用；引出线与敏感栅焊接在一起，用它来连接测量导线。ADD1D2D3 补偿应变片ABB1CD测点1.应变片ABB1CD测点8图4 单臂(1/4)桥连接方法图5丝绕式应变片的结构1 覆盖层；2 基底；3 引出线；4 敏感栅四、实验容器的主要参数平板封头容器锥形封头容器球形封头容器椭球封头容器筒体内径 mm400400400400筒体厚度 mm8888筒体高度 mm451548548548封头厚度 mm25888封头尺寸半锥角 。长半
7、轴 mm短半轴 mm球内半径 mm45200200100材料16MnRb=510MPas=345MPa实验压力 MPa实际压力实际压力实际压力实际压力五、实验步骤1、电阻应变片的粘贴（1）应变片的检查首先对应变片进行外观检查，观察敏感栅是否有损坏、锈蚀斑痕、弯折以及引出线的焊点质量，然后测量每个应变片的电阻值，对同一型号、规格的应变片按其阻值进行分组，使同一组内各片的电阻值相差不超过0.5，否则测量时不易调平衡。（2）构件表面处理在构件待测应力部位用纱布将表面打磨光，最好能打出与贴片方向成45的交叉微细条纹，表面粗糙度以左右为宜。用脱脂棉蘸丙酮擦洗测点处表面，直到棉球不现黑污为止。（3）粘贴应
8、变片本实验粘贴应变片采用的粘合剂为502胶，它能在常温上快速地将应变片粘合，粘贴应变片时，在应变片基底表面上薄薄地涂抹一层502胶，然后迅速将应变片底面向下平放在构件贴片部位上，将一小片聚四氟乙烯薄膜盖在应变片上，用手指按应变片挤出多余粘合剂，微加指压约三分钟后再放开，轻轻掀开薄膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则须重贴。待粘合剂稍干后，用镊子轻轻地将引出线拉离构件表面，防止它粘固在构件上。（4）导线的固定和焊接在每个应变片的引出线下面贴一块绝缘胶布，用以防止引出线和金属构件短路，然后将应变片引出线与导线焊接在一起，并用胶布固定在构件上。（5）用万用表测量应变片的电阻值（包括导线的电阻），
9、如发现异常应检查焊点。测量应变片的引出线与金属构件之间的绝缘电阻，一般应大于100M。（6）用同样的方法将温度补偿片贴在与试件相同材料的温度补偿块上。2、实验过程及方法（1）打开应变仪电源开关，等待应变仪自检结束。（2）检测各测点工作状态是否正常，如果表头显示“E”说明测试线路有故障。（3）对表头各测点初始值清零。先按下“SHIFT”键，再按下“总清/清零”键，对各测点自动进行清零。（4）切换到各测点检查表头显示是否正常。切换方法：2测点按数字键02，或按上下箭头键切换。（5）记录各测点的初始值，各测点的初始值不一定为零(存在漂移等影响)。（6）加压到指定数值，记录应变。3、测定数据每测一组数
10、据后再加压，容器每增加0.4MPa压力测量一次应变，最后到1.6MPa表压为止。各次所得数据填写于数据整理表1中。表1表3中的“容器名称”填写球形封头容器、椭球封头容器、平板封头容器、锥形封头容器之一。六、实验报告1、实测各点的应变数值。2、根据测量条件进行必要的修正。3、计算各测点的实测应力、理论应力及误差。4、根据实测应力、理论应力分别绘制应力分布曲线。5、对本次实验进行分析总结。 实验报告要求独立完成，并要求书写认真，字迹工整，文字通顺，数据真实，图表清楚，尽可能深刻全面，有分析，有见解。七、思考题实测值与理论计算值之间为什么会存在误差？表1 实验数据采集表容器名称：实验压力MPa应变量测试点 编号1234567891011121314151617181920预平衡经向 周向 经向周向经向周向经向周向经向周向表2 各点应变数值计算表容器名称：实验压力MPa应变量测试点 编号1234567891011121314151617181920经向周向经向周向经向周向经向周向表3 各点实测应力、理论应力及误差分析表容器名称：实验压力MPaMPaMPaMPa项目实测值理论值误差%实测值理论值误差%实测值理论值误差%实测值理论值误差%方向点经向应力周向应力经向应力周向应力经向应力周向应力经向应力周向应力经向应力周向应力经向应力周向
