CN105547868B - 基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法 - Google Patents

基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冲击测试技术领域，具体涉及基于应力集中原理的落锤结构设计及其采用惠斯通全桥电路测试冲击力的方法。由于落锤的弹性应变较小，为了提高测试的灵敏度，提高抗干扰能力，将落锤做成薄板结构，并在板中间钻孔，采用应力集中原理提高孔周围的应变。采用惠斯通全桥模式连接电路，取得落锤整体的平均应变，改善温度误差和非线性误差。采用静态加载对落锤进行标定，结果发现，输出的电压与所加载荷成线性关系。此方法不同于一般的落锤结构和测试方法，落锤采用带有两个圆孔的薄板结构，每个孔内均匀布置4个电阻应变片，将8个电阻应变片连接成惠斯通全桥电路，测出输出电压，根据标定得出所测试的冲击力。

Description

基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法
技术领域
本发明属于冲击测试技术领域，具体是采用一种基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法。
背景技术
材料动态力学性能的测试经常采用落锤进行加载，为了提高落锤瞬间冲击力的测量精度，减少测试费用，需根据试件的结构和加载方式设计落锤的结构及其测试方法。目前实验室中的落锤试验机测试冲击力采用压电传感器，其价格比较昂贵且抗干扰性差。对于一些需要野外进行的大型结构冲击实验，自制经济实用的落锤变得非常必要。本发明是为了研究钢筋混凝土的动态性能而提出的。由于钢筋混凝土的尺寸效应和应变率效应，研究钢筋混凝土动载荷下的力学性能需对大尺寸钢筋混凝土结构进行冲击加载，分析冲击力和结构响应之间的关系。对于结构分析较简单的梁的弯曲测试，需要对梁进行集中加载并测量载荷。为此，有必要提供一种新的、设计原理科学的测量落锤冲击力的落锤结构及其测试方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种新的、经济实用且设计原理科学的落锤结构及其冲击力的测试方法，用于测量落锤对梁试件所施加的集中冲击载荷。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于应力集中原理的落锤结构设计以及采用惠斯通全桥电路测量冲击力的测试方法，其特征在于，通过放大落锤的应变和提高测试的灵敏度获得冲击力，具体包括如下步骤：
步骤S1：落锤冲击力是由落锤在弹性范围内的应变决定，落锤被当作“刚性体”，应变非常小。为了增大应变，将落锤设计成薄板形状，在薄板中间钻孔。当落锤的侧面冲击试件时，落锤的受力状态为平面应力；根据弹性力学的应力集中原则，孔周围的应变将增大，如图1所示。
步骤S2：落锤结构的力学模型简化为侧面受均布载荷的带有圆孔的无限薄板结构的平面应力问题如图2所示。由应力集中原则可知，孔周围的应力增加；但由圣维南原理可知，在距离远大于孔的半径处，这种增大可以忽略。
步骤S201：当侧面均布载荷为S时，在半径b(远较a大)处径向应力σr和剪切应力τrθ，实际上与无孔板中相同，因而是：
这些力作用在内半径和外半径各为r＝a和r＝b的圆环的外边，它们在环内引起的应力可以看作由两部分组成。第一部分是由常量的法向力-S/2引起的，第二部分是由法向力与剪力(τrθ)r＝b＝(S/2)sin 2θ共同引起的。
步骤S202：根据弹性理论，可得距离孔心不同距离r处的应力：
在孔边r＝a，得：
可见，在θ＝π/2或θ＝3π/2处，就是在垂直于压力方向的直径的两端m和n处，切向应力σθ的绝对值最大，其值为：|σθ|max＝3S。此处压应力最大，是作用于板侧面均匀压力S的三倍。在p和q两点，θ＝π和θ＝0，得σθ＝S，即在这两点有切向拉应力S。
步骤S203：根据虎克定律：
可得应变：
在m和n两点，θ＝π/2和θ＝3π/2，径向应变εr＝3Sv/E，切向应变εθ＝-3S/E；在p和q两点，θ＝π′和θ＝0，径向应变εr＝-Sv/E，切向应变εθ＝S/E。对于钢v＝0.29，采用应变片测试时，忽略径向应变。
步骤S3：为了测得落锤的平均应变，将落锤薄板上钻两个孔，保证两个孔的尺寸远小于落锤的另外两个尺寸；孔对称的分布在板的中间且孔距较远，使孔之间的相互影响可以忽略。两个孔边对称的贴上八个应变片，如图1所示。为了改善温度误差和非线性误差，提高测试灵敏度，应变片的电路接法采用惠斯通电桥的全桥接法如图3。
步骤S301：惠斯通电桥将应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化。根据全桥电路原理，惠斯通电桥CD间的电压用应变表示为：
k为应变片的灵敏系数。由于 此式转化为：
V0＝4kεTVe (7)
此时，输出电压与应变成线性关系，电压的灵敏度为4kεT，同时还具有温度补偿作用。这样既实现了取薄板的平均值，又起到了提高测试的灵敏度。
步骤S302：在一般情况下，由于加工误差和材料的不均匀性，很难达到上面的理想状态，惠斯通电桥输出的电压值随着落锤的冲击力发生变化，因而需要进行标定。落锤一般是由钢材料制成，钢在静态和动态下的力学性能几乎相同，采用伺服液压机对落锤冲击面进行加载，用所测静载荷对所测试电压进行标定。结果发现，输出的电压与所加载荷成线性关系。
(三)有益效果
落锤是传统动态加载设备，采用电阻应变片进行冲击力的测量比现在所采用压电传感器经济实用。此测试方法简单实用，能够根据实验所需随时进行落锤的设计。
当在野外进行试验时，将落锤制作成带有圆孔的薄板结构，根据应力集中原则，大大增加了所测试的应变值，有效的减少了外界的干扰。
测试电路采用惠斯通电桥将两个孔的应变值均匀化和检测电阻的微小变化，消除了温度和其它干扰力的影响，提高测试精度。
附图说明
图1为本发明技术方案中所设计落锤的示意图；
图2为本发明技术方案中落锤孔的应力集中所产生的应力和应变分布图；
图3为本发明技术方案中惠斯通电桥的全桥接法。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明采用应力集中原则设计落锤结构，采用惠斯通电桥的双桥电路测量梁的集中冲击力。所述测试方法运用于大尺寸钢筋混凝土梁的集中加载的落锤冲击力的测试，梁的长宽高为1200×120×120(mm)具体包括如下步骤：
步骤S1：为了形成平面应力，落锤设计成薄板的形状，落锤的厚度和尺寸根据实验的具体要求而定。根据钢筋混凝土梁的承载能力和梁的尺寸，设计落锤的结构如图1，长宽厚为250×200×15(mm)，中间板长为200mm，上下各为30mm和20mm。
步骤S2：采用弹性力学应力集中的原则，根据薄板的尺寸在板中间钻φ20mm的孔，保证孔的尺寸远小于落锤的长宽。锤体的力学模型简化为侧面受均布载荷S的带有圆孔的无限薄板结构的平面应力问题如图2所示，孔周围的应力增加，孔的上下处切向应力增加为3S，左右处切向应力为S。但由圣维南原理可知，在距离远大于孔的半径处，这种增大可以忽略。根据虎克定律，上下处的切向应变为3S/E，左右处切向应变为S/E，落锤材料采用钢，弹性模量为钢的弹性模量。
步骤S3：为了测得落锤的平均应变和提高测量精度，将落锤薄板上钻两个φ20mm的孔，孔对称分布在薄板轴线两边，间距为80mm，孔之间的相互影响忽略。两个孔的上下左右对称的贴上八个应变片，如图1所示。为了保护应变规，在孔的一周用铜片覆盖起来。为了改善温度误差和非线性误差，提高测试灵敏度，应变片的电路接法采用惠斯通的桥接方法如图3。将应变符号相同的应变片贴在相对的桥臂上，受拉和受压应变片贴在相邻的桥臂上，并将两个孔交错开。
步骤S302：在一般情况下，由于加工误差和材料的不均匀性，很难达到上面的理想状态，因而惠斯通电桥输出的电压值随着落锤的冲击力发生变化，因而需要进行标定。落锤一般是由钢材料制成，钢在静态和动态下的力学性能几乎相同，采用伺服液压机对落锤冲击面进行加载，用所测静载荷对所测试电压进行标定。结果发现，输出的电压与所加载荷成线性关系。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法，其特征在于，通过放大落锤的应变和提高测试的灵敏度获得冲击力，具体包括如下步骤：
步骤S1：落锤冲击力是由落锤在弹性范围内的应变决定，落锤被当作“刚性体”，应变非常小；为了增大应变，将落锤设计成薄板形状，在薄板中间钻孔；当落锤的侧面冲击试件时，落锤的受力状态为平面应力；根据弹性力学的应力集中原则，孔周围的应变将增大；
步骤S2：落锤结构的力学模型简化为侧面受均布载荷的带有圆孔的无限薄板结构的平面应力问题；由应力集中原则可知，孔周围的应力增加；但由圣维南原理可知，在距离远大于孔的半径处，这种增大可以忽略；
步骤S201：当侧面均布载荷为S时，在半径远大于a的b处径向应力σr和剪切应力τrθ，实际上与无孔板中相向，因而是：
其中，r是与孔中心的距离，θ是孔中心和孔边任一点的连线与平面内直角坐标系横轴之间的夹角；这些力作用在内半径和外半径各为r＝a和r＝b的圆环的外边，它们在环内引起的应力可以看作由两部分组成；第一部分是由常量的法向力-S/2引起的，第二部分是由法向力-(S/2)cos 2θ与剪力(τrθ)r＝b＝(S/2)sin 2θ共同引起的；
步骤S202：根据弹性理论，可得距离孔心不同距离r处的应力：
在孔边r＝a，得：
可见，在θ＝π/2或θ＝3π/2处，就是在垂直于压力方向的直径的两端m和n处，切向应力σθ的绝对值最大，其值为：|σθ|max＝3S；此处压应力最大，是作用于板侧面均匀压力S的三倍；在θ＝π和θ＝0处，就是在平行于压力方向的直径的两端p和q处，得σθ＝S，即在这两点有切向拉应力S；
步骤S203：根据虎克定律：
可得应变：
在m和n两点，即θ＝π/2和θ＝3π/2处，径向应变εr＝3Sv/E，切向应变εθ＝-3S/E；在p和q两点，即θ＝π和θ＝0处，径向应变εr＝-Sv/E，切向应变εθ＝S/E；对于钢v＝0.29，采用应变片测试时，忽略径向应变；
步骤S3：为了测得落锤的平均应变，将落锤薄板上钻两个孔，保证两个孔的尺寸远小于落锤的长和宽；孔对称的分布在板的中间且孔距较远，使孔之间的相互影响可以忽略；两个孔边对称的贴上八个应变片；为了改善温度误差和非线性误差，提高测试灵敏度，应变片的电路接法采用惠斯通电桥的全桥接法；
步骤S301：惠斯通电桥将应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化；根据全桥电路原理，惠斯通电桥CD间的电压用应变表示为：
其中，V0为CD间的电压，Ve为电源电压，k为应变片的灵敏系数， 分别为两个孔在θ＝π/2和θ＝3π/2处的应变， 分别为两孔在θ＝0和θ＝π处的应变；由于此式转化为：
V0＝4kεTVe (7)
此时，输出电压与应变成线性关系，电压的灵敏度为4kεT，同时还具有温度补偿作用；这样既实现了取薄板的平均值，又起到了提高测试的灵敏度；
步骤S302：在一般情况下，由于加工误差和材料的不均匀性，很难达到上面的理想状态，惠斯通电桥输出的电压值随着落锤的冲击力发生变化，因而需要进行标定；落锤是由钢材料制成，钢在静态和动态下的力学性能几乎相同，采用伺服液压机对落锤冲击面进行加载，用所测静载荷对所测试电压进行标定，结果发现，输出的电压与所加载荷成线性关系。
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