结构静动态实验技术第二章.ppt

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1、1,结构静动态实验技术,李威 副教授 Tel：13995514098 Email: ,2,参考书目,静态实验技术 李德葆，沈观林，冯仁贤. 振动测试与应变电测基础. 清华大学出版社（第710章） 动态实验技术 卢文祥，杜润生. 工程测试与信息处理（第二版）. 华中科技大学出版社。 张维衡，熊志民，杜润生. 振动测试技术. 华中理工大学。,3,第一章 应力应变测量概论,为什么要研究实验应力分析？ 在各种力学理论（包括材料力学、结构力学、弹塑性力学等）发展十分完善，各种数值计算方法（包括有限元（FEM）、边界元（BEM）、无网格有限元（Meshless FEM，SPH）发展日趋成熟的今天，为什么还

2、是需要研究实验应力分析。 实验应力分析的作用。 验证； 在无法确定外载荷和边界条件的情况下，只有进行实验分析。,4,1.2 应力、应变基本概念及其关系,式中A为杆件的横截面积。杆件的轴向应变 与位移（伸 长量） 及法向应力 有下列关系：,这表明，在弹性范围内，应力和应变之间有比例关系。这也是单向应力状态下的虎克定律。,（11）,（12）,对于一维问题，例如杆件在简单拉伸荷载作用下。其横截面上产生正应力 ，其大小与荷载P有如下关系,5,对于平面应力（二维）问题，应变分量与这一点附近的位移函数有下列关系：,（13）,式中u、v为x、y方向的位移， 为剪应变， 、 为线应变。,而其主应力方向，即以该

3、方向为法线的截面上只有法向应力而无剪应力，也是主应变方向，即只有线应变而无剪应变。主应力和主应变之间有如下广义虎克定律关系：,（14）,6,反之，,式中 为材料的泊松比， 。,如果已知非主应力方向的应变分量，则可由如下公式求 解主应变,（15）,7,对于空间一点（三维）的应力状态，可用六个应力分量来表示，相应的，应变分量也是六个。对于主应力方向，只有三个主应力和三个主应变，两者之间的在弹性范围内有下列广义虎克定律关系：,（16）,8,1.3 应力应变测量的各种方法及其比较,一、电阻应变测量法 它是采用电阻应变片（又称电阻应变计）作为传感元件将构件表面应变转换成电阻变化，然后用电阻应变仪把电阻变

4、化转换成电压或电流变化，经过放大并测量这种变化再用其他仪器记录，由所测应变换算出应力。,二、光弹性实验法 光弹性模型法：将具有双折射效应的透明材料研制成的与实际构件相似的模型，在受力条件下置于偏振光场中，即可观察到在模型上产生的干涉条纹。测量条纹，并通过计算，就能确定构件模型的应力状态。 光弹性贴片法：它是在实际构件表面上粘贴光弹性材料薄片，利用偏振光干涉现象，构件受力后薄片上显示干涉条纹，用反射式偏光系统可观察记录条纹进而计算出构件表面应力分布。这种方法可以在实物上进行测量，并可用于弹塑性应力分析、疲劳扩展问题研究。,9,例子：,模拟机车挂钩,圆形试样,型试样,光弹性实验法的优点： 直观性强

5、，可以直接观察到模型全域的应力分布概况； 能有效和准确的测量构件的应力集中系数； 借助模型实验可以给出边界和内部的应力分布情况，为强度设计提供较完美的资料以寻求合理设计。 缺点：需要价格较贵的光弹性仪等设备；实验技术比电阻应变测量方法复杂，实验精度稍低，周期较长。,10,表11 各种主要应力应变测量方法比较,11,1.4 电阻应变测量方法基本原理及优缺点,1.4.1 电阻应变测量方法基本组成,1 电阻应变计它的作用是把被测构件的应变 转换为单位电阻变化 ，它是一个传感元件。 2 电阻应变仪它的作用是把电阻应变计的电阻变化 转换为电压或电流的变化，然后通过放大器放大并输出电信号。此电信号与应变成

6、正比。 3 记录仪与数据处理记录仪是把电阻应变仪输出信号记录下来。对于静态应变，可采用数字显示或者自动打印记录。对于动态应变则记录动态应变随时间的变化曲线，再用电子计算机按预定程序进行数据处理。,12,1.4.3 电阻应变测量方法优缺点：,(1)测量应变的灵敏度（1 ）和准确度高（约l3%），而且数据稳定可靠。 (2)测量技术较简单，易于掌握。 (3)可以在高、低温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊环境中进行应力应变测量。 (4)电阻应变测量法输出为电信号，测量易于自动化，远距离传输。 (5)用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器来测量力、压力、扭矩、位移、加速度等物理量。 (6)测量应

7、变范围大，一般可测到几千微应变，最大可测520。 (7)电阻应变计尺寸小、重量轻，粘贴在试件表面上对试件工作状况和应力分布影响极小。 (8)频率响应好，可测量050万赫兹的振动，惯性极小，对动应变反映很快。,13,缺点主要有： (1) 应变计测量的是敏感栅面积内的平均应变，对于应力集中部位的测量不够准确。 (2)电阻应变计一般只能测量构件表面应变，难于显示其内部应变。 (3)普通应变计输出信号较小，动态测量时，接线往往需要采取屏蔽措施以防止干扰。 (4)工作温度较高时需要采取各种措施以提高测量精度，高于800时已发展用电容应变计进行测量。,14,第二章 电阻应变计,2.1 电阻应变计的工作原理

8、,2.1.1 金属材料的电阻应变效应,设有一段长度为l、截面积为A的金属丝，它的电阻为R，由物理学可知：,（21）,电阻应变计（简称应变计或应变片）是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。当这种元件的敏感部分用金属材料制成时，应变计即利用金属材料的电阻应变效应工作；当它的敏感部分用半导体材料制成时，应变计即利用半导体的压阻效应工作。它们的工作原理分别叙述如下：,式中 金属丝材料的电阻率。,15,图21金属丝受力变形状态,金属丝的电阻相对变化可以通过对（21）式微分求得：,（22）,由于 ，故,16,将上式代入（22）式得：,（23）,进一步研究发现，在一定的应变范围内，金属丝的电阻

9、率相对变化与它的体积相对变化有下列关系：,（24）,式中C对于一定的金属材料和加工方法来说是常数。而体积相对变化与应变有下列关系,17,将（24）代入（23）中，并整理得,（25）,设 ，则：,由此可见，金属丝的电阻相对变化与它的线应变成正比，其比例系数 通称金属丝的灵敏系数。它的物理意义是金属丝的单位应变所引起的电阻相对变化量。,18,2.1.2 半导体材料的压阻效应,（210）,式中K为半导体的灵敏系数，通常它比金属丝的灵敏系数高约5080倍，其大小取决于半导体材料的种类、纯度和受力方向。 综上可知，当电阻应变计粘贴到构件表面后，构件受力而变形时，应变计的敏感元件也随之变形，从而应变计的电

10、阻发生变化。然后，用测试仪器测得应变计的电阻相对变化），并事先标定得到应变计的灵敏系数，就可间接测得构件的应变）。即,但应变计的K不完全等于其敏感元件材料本身的灵敏系数。因为K的大小虽然主要取决于敏惑元件的材料性质，但还与应变计的构造型式、制造工艺和材料，以及粘贴使用技术有一定关系。,（211）,19,2.2 电阻应变片的基本构造和种类,2.2.1 电阻应变计的基本构造,图2.2 常见应变计的构造示意图 包括：敏感栅、基底、引线、覆盖层和粘结剂。,20,21,22,23,24,25,2.2.2 电阻应变计的种类,图23 常用电阻应变片的型式,26,27,表2.1 电阻应变片的分类,28,2.3

11、 电阻应变片的工作特性,按照国家专业标准规定，电阻应变计有18项工作特性，本节介绍应变计在常温下的九项工作特性。,一、应变计电阻（R） 这是指应变计在没有安装、也不受外力的情况下，室温时测定的电阻值。目前常见的应变计电阻有120 、350 、600 、1000 等多种，电阻值公差在 0.5以内。,二、灵敏系数（K） 这是指安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化，与由此单向应力引起的试件表面轴向应变之比。即,（212）,应变计的灵敏系数与其敏感栅材料本身的灵敏系数不同。由于受成型工艺、结构形状和粘结剂等影响，一般它的灵敏系数小于敏感栅材料本身的灵敏系数。,29,三、横

12、向效应系数（H） 金属应变计的敏感栅一般都呈栅状。它由轴向和横向两部分丝栅组成（见图2.4所示）。因此，它能同时感受两个方向的应变。而通常要求应变计的指示应变只反映试件的轴向应变 。,但由于应变计敏感栅横向部分的影响，为使应变计的指示应变完全反映 ，就要修正敏感栅横向部分的影响，这种影响称为应变计的横向效应。横向效应系数H就是表示应变计横向效应大小的特性指标。它是指在同一单向应变作用下，垂直于单向应变方向安装的应变计的指示应变，与平行于单向应变方向安装的同批应变计的指示应变之比（用百分数表示）。 一般要求H在0.5%2.0%以内。,30,四、蠕变（ ）,这是指粘贴在试件上的应变计，在试件受力后

13、产生稳定不变的应变情况下，温度恒定时指示应变随时间的变化。应变计的蠕变主要是由于应变计的基底和粘结剂都是非金属绝缘材料而引起的。通常要求室温下 应在315 以下。,五、机械滞后（ ）,这是一个影响应变计工作重复性的特性。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温下，增加和减少试件应变过程中对应同一应变量的指示应变的差数 。机械滞后的大小主要与应变计的材料、粘结剂的固化程度和工作温度有关。通常室温下要求 在310 以下。,31,六、应变极限（ ）,这个特性是指粘贴在试件上的应变计在恒温时，指示应变和试件的真实应变的相对误差不超过10时的试件真实应变值。,七、疲劳寿命（N）,这是一个反映应变计测量动态应变

14、能力的特性。它是指粘贴在试件上的应变计在恒定幅值的变变应力作用下，连续工作到产生疲劳损坏时的循环次数。N的检定是在能产生恒定幅值交变应力的装置上进行，从同批应变计中抽取6个应变计粘贴在疲劳寿命试件上，在试件产生1000微应变的情况下，用动态应变仪和示波器观察应变计的应变波形，当应变计出现断路或其输出波形出现穗状尖峰，或输出波形幅值变化超过10%的时候，均认为应变计已疲劳损环。此时的循环次数即为应变计的疲劳寿命N。N的次数多少除了与应变计材料和感受的应变量大小有关外，还与敏感栅工艺质量、引线焊接质量和粘贴技术等有关。 一般要求应变计的疲劳寿命达105107次。,32,八、绝缘电阻（ ）,粘贴在试

15、件上的应变计敏感栅及引线与试件之间的电阻值即为绝缘电阻。测量 的仪器要求测量电压为15100伏，精度不低于10。应交计在室温下工作时，要求 在 以上。 是关系到应变计能否稳定工作的重要特性。当 低于要求值时，应变计接入应变仪后，应变仪的灵敏度下降，同时出现平衡指示器的指针边抖边漂，无法准确读出指示应变值。这种现象的出现主要是由应变计的基底或粘贴用的粘结剂固化不完全或吸收了空气中潮气而引起的。可以采取加热烘烤的办法提高 ，并加防潮剂。,九、最大工作电流（ ）,这是指粘贴在试件上的应变计，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流值。 的大小主要与敏感栅的构造和尺寸有关。因此，各种规格应变计的 都

16、不一样。通常希望 愈大愈好。,33,表2.2 室温下应变计工作特性的精度等级,34,2.4 电阻应变片的温度效应及其补偿,当应变计粘贴在无外力、无约束的试件上时，在温度变化的情况下，应变计的电阻也会发生变化。这种现象称为应变计的温度效应。 设温度变化为 ，应变计由于温度引起的电阻相对变化为 ，则,（214）,式中 敏感栅材料的电阻温度系数； 应变计的灵敏系数（假设K在 范围内不变）； 试件材料的线膨胀系数； 敏感栅材料的线膨胀系数。,35,36,37,2.5 电阻应变片的选用和使用方法 2.5.1 各种应变计的特点,38,2.5.2 应变计的选用,可按下述方法选用应变计： （1）根据应变测量的

17、目的、被测试件材料和应力状态，以及测量精度的要求，选择应变计的类别。例如，在室温、空气环境下，对钢试件进行多点静态应力分析，测量精度要求在3左右，通常选择一般用途的丝式或箔式应变计。若试件平面上两个方向的应变大小比较接近，则采用短接式或箔式应变计。如将应变计用作室温下测力传感器的传感元件，则选用一般用途的箔式或半导体应变计。 （2）根据试件的环境温度、测试时间和所需测量的最大应变量，选择敏感栅或基底材料。例如，常温、长时间、最大应变量在 微应变以下的应变测量，一般采用康铜箔或丝、缩醛或聚酰亚胺胶基的应变计。高温下，常用铁铬铝丝或铂钨丝、浸胶基或金属基的应变计。 （3）根据测试仪器对应变计电阻的

18、要求和测量应变灵敏度的要求，选择应变计的电阻值。例如，一般电阻应变仪要求应变计电阻为120欧。因此通常都选用应变计电阻为120欧。传感器要求提高输出灵敏度，常采用较高的供桥电压，因此为减小通过应变计的工作电流，常选用350欧、500欧或1000欧的应变计。,39,（4）根据试件材料和应力状态，以及允许粘贴应变计的面积，选择应变计的尺寸。例如，对于混凝土、铸铁、木材等表面粗糙、不匀的材料，应选用栅长较大的应变计。对于表面光滑、均匀的材料可选用栅长小的应变计。对于试件表面应力分布均匀或变化不大、且允许粘贴面积较大的情况，选用栅长大的应变计。若在试件应力集中区域或允许粘贴面积很小的情况下，可选用栅长

19、小的应变计。然而，应变计的尺寸愈小，则对粘贴技术要求愈高。因此，在确保测量精度和有足够粘贴面积的前提下，选用栅长较大的应变计为适宜。 （5）根据被测试件的应力性质和主应力方向巳知情况以及其他要求，选择应变计的敏感栅结构型式。例如，测量未知主应力方向试件的应变或测量剪应变时，选用多轴应变计。测量已知主应力方向试件的应变时，可选用单轴应变计。用于测压力的传感器的应变计通常可选圆形敏感栅的多轴应变计。 （6）根据试件材料和工作温度，选择在该温度下工作的温度自补偿应变计。例如，在150下，试件材料为普通低碳钢或弹簧合金钢的应变测量，可选用150的、与线膨胀系数1110-8/相配的温度自补偿应变计。,40,2.5.3 应变计的使用方法,41,应变片的防水处理涂南大703加炮油,