CN100494934C - 弯扭组合试验装置及其在内力素测量上的应用 - Google Patents

Abstract

弯扭组合试验装置及其在内力素测量上的应用，其装置由铝合金圆筒悬臂和与其呈90角的曲拐构成，在铝合金圆筒悬臂的被测横截面外圆周上，按照应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的顺序，依次呈90角间隔布置四只45°-3直角应变花；其特征是在沿圆筒悬臂的轴线方向上，应变花B、应变花C和应变花D的朝向相同，应变花A与其它三只应变花朝向相反，并且以测量点所在圆周位置为对称中心。本发明能在弯矩、扭矩方面获得较高的测量精度，能对剪力进行有效的测量，从而增加新的教学实验内容，并能为工程结构中类似构件的内力测量提供借鉴。

Description

弯扭组合试验装置及其在内力素测量上的应用

技术领域：

本发明涉及弯扭组合试验装置以及内力素测量方法。

背景技术：

电阻应变测量技术是工程结构试验应力分析的主要手段之一，并广泛应用于机械、土木、航空航天等各工程技术领域。学习电阻应变测量原理，掌握其测量方法和技术，并能熟练加以应用，是工科院校学生，特别是工程技术类专业学生必须掌握的一项基本实验技能。因而，电测应力实验是实验教学中必不可少的重要内容之一，其中“圆筒弯扭组合实验”是电测应力实验的基本实验内容。该项实验的实验内容是测量弯扭组合变形下的主应力以及指定截面上弯矩、扭矩、剪力等内力素。现有实验装置的应变片布置方案，在主应力、弯矩和扭矩测量时精度较高，但是测量剪力时的误差很大，超过50％，已经失去实验意义。

实验方式：

图1、图2和图3所示，实验装置是由铝合金圆筒悬臂1和与其呈90角的曲拐2所构成，由弯扭组合变形受力特点可知，A、C两点为纯剪切应力状态，两点沿45°和-45°方向的线应变分别为：

                                            (1)

式中τ_T和τ_Q分别表示扭转和弯曲切应力。测量时，将A、C两点应变花中的45°方向和-45°方向敏感栅连接成如图4所示的全桥桥路，则弯曲切应力的测量值为

式中ε_Q测＝(ε_-45°)A-(ε_45°)_A+(ε_45°)C-(ε_-45°)_C为桥路实际输出值。代入下式

可以得到I-I截面上的剪力，其中α＝d/D，d、D分别为圆筒1的内、外径。

当作用在曲拐端部的载荷F＝100N时，I-I截面上剪力的理论值为F_Q＝100N。实验时，采用等量逐级加载法，表1为一组实测数据。根据表1实测数据，测得I-I截面上的剪力为157.61N，与理论值的相对误差达57.6％。

表1  电桥的实际测量输出值

 

载荷F/N	50	150	250	350	450
						应变仪读数ε<sub>实</sub>/με	34	102	171	239	307

误差分析

根据电阻应变片测量原理，应变片测得应变为敏感栅的平均应变，近似等于敏感栅中心位置处的应变。当采用45°-3直角应变花进行测量时，由于敏感栅中心与测量点不重合，在采用全桥测量弯曲切应力时，只能抵消扭转切应力，而附加的弯曲正应力无法消除，从而导致测量误差很大，由图5也可以看出，除了横向效应和粘贴方位的影响之外，剪力测量的主要误差是由于应变花敏感栅中心位置的应力状态与被测点纯剪切应力状态不一致造成的。

发明内容：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种弯扭组合试验装置及其在内力素测量上的应用，一方面作为实验装置，不仅能在弯矩、扭矩方面获得较高的测量精度，同时能对剪力进行有效的测量，从而增加新的实验内容，改造为提高型实验；另一方面为工程结构中类似构件的内力测量提供借鉴。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明弯扭组合试验装置是采用铝合金圆筒悬臂曲拐结构，由铝合金圆筒悬臂1和与其呈90角的曲拐2构成，在所述铝合金圆筒悬臂1的被测横截面外圆周上，按照应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的顺序，依次呈90角间隔布置四只45°-3直角应变花。

本发明装置的结构特点是，在沿所述圆筒悬臂1的轴线方向上，应变花B、应变花C和应变花D的朝向相同，应变花A与其它三只应变花朝向相反，并且以测量点所在圆周位置为对称中心。

以本发明装置构成剪力测量桥路的特征是：

设置剪力测量桥路，接入测量桥路中的是应变花A和应变花C的45°方向和-45°方向敏感栅，所述应变花A的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端B，应变花A的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端B，应变花C的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端D，应变花C的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路。

以本发明装置构成扭矩测量桥路的特征是：

设置扭矩测量桥路，接入测量桥路中的是应变花B和应变花D的45°方向和-45°方向敏感栅，将应变花B的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端B，应变花B的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端B，应变花D的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端D，应变花D的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路

以本发明装置构成附加弯曲正应力测量桥路的特征是：

设置附加弯曲正应力测量桥路，接入测量桥路中的是应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的45°方向和-45°方向敏感栅，所述应变花B的-45°方向敏感栅和应变花A的45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端A和输出端B；应变花B的45°方向敏感栅和应变花A的-45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端C和输出端B；应变花C的-45°方向敏感栅和应变花D的45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端A和输出端D；应变花C的45°方向敏感栅和应变花D的-45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路。

本发明按照已有技术中的应变花布置方式，将A点处的应变花旋转180°粘贴，则可同时消除扭转切应力和附加的弯曲正应力，从而提高剪力的测量精度。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明装置中45°方向和-45°方向敏感栅中心点所在横截面处的剪力和扭矩均不变，弯矩变化不超过2％，因而可近似认为其应力状态保持不变。

2、本发明装置不仅能在弯矩、扭矩方面获得较高的测量精度，同时还能对剪力进行有效的测量，一方面丰富了实验教学内容，增添了实验的思考性和趣味性，加深了学生对应力状态概念和组桥原理及方法的理解，另一方面为工程结构中类似构件的内力测量提供了借鉴。

图1为实验装置结构示意图。

图2为I—I横截面上的测点位置示意图。

图3已有技术中应变花布置方式示意图。

图4为已有技术中的剪力测量桥路示意图。

图5为应变花结构示意图。

图6为本发明应变花布置方式示意图。

图7为本发明装置用于剪力测量的桥路结构示意图。

图8为本发明装置用于扭矩测量的桥路结构示意图。

图9为本发明装置用于附加弯曲正应力测量的桥路结构示意图。

图中标号：1铝合金圆筒悬臂、2曲拐。

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例：

参见图1、图2和图6，本实施例按照已有技术中的应变花布置方式，将A点处的应变花旋转180°粘贴。图中示出，与已有技术相同的是，采用铝合金圆筒悬臂曲拐结构，由铝合金圆筒悬臂1和与其呈90角的曲拐2构成，在铝合金圆筒悬臂1的被测横截面外圆周上，按照应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的顺序，依次呈90角间隔布置四只45°-3直角应变花。与已有技术所不同的是在沿圆筒悬臂1的轴线方向上，应变花B、应变花C和应变花D的朝向相同，应变花A与其它三只应变花朝向相反，并且以测量点所在圆周位置为对称中心。

本实施例弯扭组合试验装置在内力素测量上的应用：

应用之一：剪力的测量

A、C两点处应变花中的45°方向和-45°方向敏感栅中心点的应力状态可以看成单向应力状态和纯剪切应力状态的叠加。根据广义胡克定律，采用本实施例布片方案时，其沿栅长方向的线应变分别为

                                (4)

式中τ_T和τ_Q分别表示扭转和弯曲切应力，σ_M为附加弯曲正应力。

将A、C两点处应变花中的45°方向和-45°方向敏感栅按图7分别接入桥路，即：应变花A的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端B，应变花A的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端B，应变花C的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端D，应变花C的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路。

则输出的测量应变ε_Q测为

测得的剪力为

可以看出，采用新的贴片方式，同时消除了扭转切应力和附加弯曲正应力，可以获得较为准确的剪力测量值。

应用之二：扭矩测量

采用本实施例贴片方式，如果仍选择A、C两点的应变花测量扭转切应力，将无法消除敏感栅中心点的附加弯曲正应力。这样，会增加扭矩的测量误差，对测量精度产生不利影响。本实施例中，选择B、D两点处应变花的45°方向和-45°方向敏感栅来测量。这些敏感栅中心点的弯曲切应力很小，近似为零，扭转切应力与A、C点相同。其沿栅长方向的线应变分别为：

                              (5)

式中σ为B点弯曲正应力。

将B、D两点应变花中的45°方向和-45°方向敏感栅按图8接入桥路，即：

将应变花B的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端B，应变花B的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端B，应变花D的45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端A和输出端D，应变花D的-45°方向敏感栅接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路

则输出的测量应变g_T测为

测得的扭矩为

测量结果与原来选择A、C两点应变花的测量效果一致。

应用之三：附加弯曲正应力测量

采用本实施例贴片方式，可增加测量A、C两点应变花附加弯曲正应力的新实验内容。将A、B、C、D四个测量点应变花中的45°方向和-45°方向敏感栅按照图9分别接入测量桥路，即：

接入测量桥路中的是应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的45°方向和-45°方向敏感栅，应变花B的-45°方向敏感栅和应变花A的45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端A和输出端B；应变花B的45°方向敏感栅和应变花A的-45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端C和输出端B；应变花C的-45°方向敏感栅和应变花D的45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端A和输出端D；应变花C的45°方向敏感栅和应变花D的-45°方向敏感栅串联，再接入测量桥路的输入端C和输出端D，构成全桥测量桥路

根据惠斯登电桥串联桥路的特点，并结合(4)和(5)式，可得输出测量应变ε_M测为

$=\frac{1-v}{E}{\mathrm{\σ}}_M$

测得的附加弯曲正应力为

该项实验内容，不仅可巧妙地测量出产生剪力的误差来源(附加弯曲正应力)，而且将惠斯登电桥串联桥路应用到实验教学中，从而加深学生对桥路的认识，拓宽视野。

Claims (1)

1、弯扭组合试验装置，采用铝合金圆筒悬臂曲拐结构，由铝合金圆筒悬臂(1)和与其呈90角的曲拐(2)构成，在所述铝合金圆筒悬臂(1)的被测横截面外圆周上，按照应变花A、应变花B、应变花C和应变花D的顺序，依次呈90角间隔布置四只45°-3直角应变花；其特征是在沿所述圆筒悬臂(1)的轴线方向上，应变花B、应变花C和应变花D的朝向相同，应变花A与其它三只应变花朝向相反，并且以测量点所在圆周位置为对称中心。

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