CN105092121A - 用于测量刚性管的径向力的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量刚性管的径向力的方法。该方法包括：在与刚性管的轴向垂直的截面上建立坐标平面(x,y)，坐标原点与截面的圆心重合，并分别在x轴和y轴与刚性管的交点处、与x轴与y轴对称邻接地布置一对应变计，其中布置在x轴处的应变计和布置在y轴处的应变计分别构成两组惠斯通电桥；检测两组惠斯通电桥的输出电压；以及至少根据所检测的输出电压获得径向力。根据本公开的测量方法可以实现飞机硬式供油管和受油座进行对接输油时供油管所受径向力的测量。采用应变计作为基本测量部件，解决了常规测量方法无法测量径向力的问题，设计简单、有效，通用性好。

Description

用于测量刚性管的径向力的方法

技术领域

本公开涉及管路受力测试领域，尤其涉及一种用于测量刚性管的径向力的方法。

背景技术

在刚性管的应用中，诸如使用刚性管作为供油管的应用中，为保护供油管在供油模态不因过大径向力而受损，增加供油模态的安全性，供油管与供油对象处的径向力信号显得至关重要。国内目前尚未有该领域技术的应用。

常规测量力的方法，主要测量被测物体的轴向拉伸、压缩力，并无测量径向力的应用。

发明内容

本公开旨在提供一种新型的、用于测量刚性管的径向力的方法。

根据本公开的一方面，提供一种用于测量刚性管的径向力的方法，包括：在与刚性管的轴向垂直的截面上建立坐标平面(x,y)，坐标原点与横截面的圆心重合，并分别在x轴和y轴与刚性管的交点处、与x轴与y轴对称邻接地布置一对应变计，其中布置在x轴处的应变计和布置在y轴处的应变计分别构成两组惠斯通电桥；检测两组惠斯通电桥的输出电压；以及至少根据所检测的输出电压获得径向力。

在一个实施例中，所受径向力与x轴正方向的夹角可以是其中，U_1O和U_2O分别为x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压。

在一个实施例中，径向力的大小可以与安装有应变计的截面与所受径向力的位置在轴向上的距离成反比。

在一个实施例中，所受径向力的大小可以与刚性管的外径成反比。

在一个实施例中，所受径向力的大小可以与惠斯通电桥的工作电压成反比。

在一个实施例中，所受径向力的大小可以与应变计的灵敏系数成反比。

在一个实施例中，所受径向力的大小可以与刚性管的弹性模量成正比。

在一个实施例中，所受径向力的大小可以与刚性管的截面的惯性矩成正比。

在一个实施例中，所受径向力的大小与x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压的平方和的均方根成正比。

在一个实施例中，可以用来计算所受径向力的大小，其中|F|表示径向力的大小，b表示安装有应变计的截面与所受径向力的位置在轴向上的距离，D表示刚性管的外径，U表示惠斯通电桥的工作电压，k表示应变计的灵敏系数，E表示刚性管的弹性模量，I表示刚性管的截面的惯性矩，U_1O和U_2O分别表示x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压。

根据本公开的用于测量刚性管的径向力的方法能够实现对例如飞机供油管所受径向力的测量，克服常规测量方法无法测量径向力的不足，且设计简单，有效，能够准确测量管路的径向力的大小和方向。

附图说明

图1是根据本公开的刚性管径向力测量方法的应变计贴片位置的示意图。

图2和图3是根据本公开的刚性管径向力测量方法的供油管受力分析示意图。

图4是根据本公开的刚性管径向力测量方法的应变计组成的桥路示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本公开作进一步详细描述，请参考图1至图4。

如图1至图4所示，以飞机供油管的径向力测量为例，根据本公开的刚性管径向力测量方法，包括以下步骤：

步骤一、在距离供油管头一定距离b处的E-E截面上，在供油管外壁侧面A、B、C、D4个方位分别粘贴应变计R1与R4、R1’与R4’、R2与R3、R2’与R3’，如图1所示。

换言之，假设在与作为刚性管的供油管的轴向垂直的截面(该截面例如与供油管头的距离为b)上建立坐标平面(x,y)，坐标原点与截面的圆心重合，则可以分别在x轴和y轴与供油管的交点处(图1的A、B、C、D处)、与x轴与y轴对称邻接地布置一对应变计。例如，应变计R1与R4在点A处相对x轴对称地布置、应变计R1’与R4’在点B处相对y轴对称地布置、应变计R2与R3在点C处相对x轴对称地布置，以及应变计R2’与R3’在点D处相对y轴对称地布置。

这里，布置在x轴处的应变计和布置在y轴处的应变计能够分别构成两组惠斯通电桥。根据本公开的径向力测量方法，接下来可以检测两组惠斯通电桥的输出电压，然后至少根据所检测的输出电压获得径向力。

例如，在一个实施例中，所受径向力与x轴正方向的夹角α可以由式来确定，其中，U_1O和U_2O分别为x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压。

例如，在一个实施例中，所受径向力的大小与x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压U_1O和U_2O的平方和的均方根成正比。

除与所检测的输出电压有关之外，在不同的实施例中，还可以根据以下内容中一个或多个来确定径向力的大小，例如但不限于：

所受径向力的大小可以与安装有应变计的截面与所受径向力的位置在轴向上的距离成反比；

所受径向力的大小可以与刚性管的外径成反比；

所受径向力的大小可以与惠斯通电桥的工作电压成反比；

所受径向力的大小可以与应变计的灵敏系数成反比；

所受径向力的大小可以与刚性管的弹性模量成正比；以及

所受径向力的大小可以与刚性管的截面的惯性矩成正比。

下面继续根据图2和图3的受力分析以及图4中的惠斯通电桥原理图来说明根据所检测的两组惠斯通电桥的输出电压获得径向力的原理。

首先，当供油管头受任意径向力F时，根据材料力学相关知识可知： $\mathrm{\σ}=\frac{Me}{I_z}---\left(1\right),$ 如图2、图3所示。

式中：

σ：表示当管结构的E-E截面在受到弯矩M时，与相应中性层Z距离为e的某处的应力；

M：表示管结构的E-E截面所受到的弯矩，F*b(b为作用于管结构的径向力到截面E—E的距离)；

e：表示管结构的E-E截面上某处与相应中性层Z的距离；

Iz：表示管结构的E-E截面的惯性矩，π(D4-d4)/64，仅同结构有关；

依次求供油管的A、B、C、D各处的应力为：

σA＝-M*D*cosα/2/Iz；

σB＝-M*D*sinα/2/Iz；

σC＝M*D*cosα/2/Iz；

σD＝M*D*sinα/2/Iz,(2)。

这里，以供油管的A、C处R1、R2、R3、R4构成的敏感方向1的测量桥路为例。

根据粘贴于E-E截面不同部位的四只应变计组成电路-惠斯通电桥(如图4所示)，由电学原理知，Uo＝UR1/(R1+R2)-UR3/(R3+R4)(3)。

当径向力为零时，R1＝R2＝R3＝R4，惠斯通电桥平衡，输出电压Uo为零。

当有径向力时，弹性体应变引起应变计电阻阻值变化dR，惠斯通电桥不平衡，将(3)式进行计算并整理，得出输出电压Uo＝U(dR1-dR2-dR3+dR4)/4R(4)

式中：dR1、dR2、dR3、dR4为应变计的电阻变化量。

令dR1＝dR2＝dR3＝dR4＝dR(即A、C处的拉压应力值大小相等)，得：

Uo＝U×dR/R(5)

根据电阻测量应变原理：

式中：k为应变计的灵敏系数。

将(6)式代入(5)式，得Uo＝U×K×ε(7)

由材料力学可知：ε＝σ/E(8)

式中ε：应变；σ：应力；E：材料弹性模量。

将(8)式代入(7)式，得

$U_o=\frac{Uk\mathrm{\σ}}{E}---\left(9\right)$

将(2)式代入(9)式，可得供油管的A、C处R1、R2、R3、R4构成的敏感方向1测量桥路输出电压为：

$U_{1o}=\frac{MDUkcos\mathrm{\α}}{2{\mathrm{EI}}_Z}=\frac{FbDUkcos\mathrm{\α}}{2{\mathrm{EI}}_Z}---\left(10\right)$

同理可得供油管的B、D处R1’、R2’、R3’、R4’构成敏感方向2的测量桥路输出电压为：

$U_{2o}=\frac{FbDUk\sin \mathrm{\α}}{2{\mathrm{EI}}_Z}---\left(11\right)$

将(11)式除以(10)式，并反三角函数，可得方位角

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{U_{2o}}{U_{1o}}---\left(12\right)$

将(11)式和(10)式平方和开根号，可得径向力F的大小(绝对值)

$\left|F\right|=\sqrt{\frac{4E^2-I_z^2(U_{1o}^2+U_{2o}^2)}{b^2{D}^2{U}^2{k}^2}}---\left(13\right)$

由推理所得的式(13)可知，径向力F的大小可以与安装有应变计的截面与所受径向力的位置在轴向上的距离成反比；可以与刚性管的外径成反比；可以与惠斯通电桥的工作电压成反比；可以与应变计的灵敏系数成反比；可以与刚性管的弹性模量成正比；并且可以与刚性管的截面的惯性矩成正比。因而，在测量到两组惠斯通电桥的输出电压U_1O和U_2O的情况下，可以按照上述正比或反比关系来计算(估计)供油管所受径向力的值(这里是供油管头所受径向力的值)。可选择地，在一个实施例中，可以直接用式(13)来获得该径向力的值。

根据本公开的测量刚性管的径向力的方法能够实现对例如飞机供油管所受径向力的测量，克服常规测量方法无法测量径向力的不足，且设计简单，有效，能够准确测量管路的径向力的大小和方向。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于测量刚性管的径向力的方法，包括：

在与所述刚性管的轴向垂直的截面上建立坐标平面(x,y)，坐标原点与所述截面的圆心重合，并分别在x轴和y轴与所述刚性管的交点处、与x轴与y轴对称邻接地布置一对应变计，其中布置在x轴处的应变计和布置在y轴处的应变计分别构成两组惠斯通电桥；

检测所述两组惠斯通电桥的输出电压；以及

至少根据所检测的输出电压获得所述径向力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述径向力与x轴正方向的夹角是其中，U_1O和U_2O分别为x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与安装有所述应变计的所述截面与所受径向力的位置在轴向上的距离成反比。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述刚性管的外径成反比。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述惠斯通电桥的工作电压成反比。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述应变计的灵敏系数成反比。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述刚性管的弹性模量成正比。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述刚性管的截面的惯性矩成正比。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述径向力的大小与所述x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压的平方和的均方根成正比。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，其中|F|表示径向力的大小，b表示安装有所述应变计的所述截面与所受径向力的位置在轴向上的距离，D表示所述刚性管的外径，U表示所述惠斯通电桥的工作电压，k表示所述应变计的灵敏系数，E表示所述刚性管的弹性模量，I表示所述刚性管的截面的惯性矩，U_1O和U_2O分别表示所述x轴和y轴上惠斯通电桥的输出电压。