專利名稱：彎扭組合試驗裝置及其在內(nèi)力素測量上的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及彎扭組合試驗裝置以及內(nèi)力素測量方法。
背景技術：
電阻應變測量技術是工程結(jié)構(gòu)試驗應力分析的主要手段之一，并廣泛應用于機械、土木、航空航天等各工程技術領域。學習電阻應變測量原理，掌握其測量方法和技術，并能熟練加以應用，是工科院校學生，特別是工程技術類專業(yè)學生必須掌握的一項基本實驗技能。因而，電測應力實驗是實驗教學中必不可少的重要內(nèi)容之一，其中“圓筒彎扭組合實驗”是電測應力實驗的基本實驗內(nèi)容。該項實驗的實驗內(nèi)容是測量彎扭組合變形下的主應力以及指定截面上彎矩、扭矩、剪力等內(nèi)力素?，F(xiàn)有實驗裝置的應變片布置方案，在主應力、彎矩和扭矩測量時精度較高，但是測量剪力時的誤差很大，超過50％，已經(jīng)失去實驗意義。
實驗方式

圖1、圖2和圖3所示，實驗裝置是由鋁合金圓筒懸臂1和與其呈90角的曲拐2所構(gòu)成，由彎扭組合變形受力特點可知，A、C兩點為純剪切應力狀態(tài)，兩點沿45°和-45°方向的線應變分別為 式中τT和τQ分別表示扭轉(zhuǎn)和彎曲切應力。測量時，將A、C兩點應變花中的45°方向和-45°方向敏感柵連接成如圖4所示的全橋橋路，則彎曲切應力的測量值為 式中εQ測＝(ε-45°)A-(ε45°)A+(ε45°)C-(ε-45°)C為橋路實際輸出值。代入下式 可以得到I-I截面上的剪力，其中α＝d/D，d、D分別為圓筒1的內(nèi)、外徑。
當作用在曲拐端部的載荷F＝100N時，I-I截面上剪力的理論值為FQ＝100N。實驗時，采用等量逐級加載法，表1為一組實測數(shù)據(jù)。根據(jù)表1實測數(shù)據(jù)，測得I-I截面上的剪力為157.61N，與理論值的相對誤差達57.6％。
表1電橋的實際測量輸出值

誤差分析根據(jù)電阻應變片測量原理，應變片測得應變?yōu)槊舾袞诺钠骄鶓?，近似等于敏感柵中心位置處的應變。當采?5°-3直角應變花進行測量時，由于敏感柵中心與測量點不重合，在采用全橋測量彎曲切應力時，只能抵消扭轉(zhuǎn)切應力，而附加的彎曲正應力無法消除，從而導致測量誤差很大，由圖5也可以看出，除了橫向效應和粘貼方位的影響之外，剪力測量的主要誤差是由于應變花敏感柵中心位置的應力狀態(tài)與被測點純剪切應力狀態(tài)不一致造成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種彎扭組合試驗裝置及其在內(nèi)力素測量上的應用，一方面作為實驗裝置，不僅能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，同時能對剪力進行有效的測量，從而增加新的實驗內(nèi)容，改造為提高型實驗；另一方面為工程結(jié)構(gòu)中類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供借鑒。
本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是本發(fā)明彎扭組合試驗裝置是采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié)構(gòu)，由鋁合金圓筒懸臂1和與其呈90角的曲拐2構(gòu)成，在所述鋁合金圓筒懸臂1的被測橫截面外圓周上，按照應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應變花。
本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)特點是，在沿所述圓筒懸臂1的軸線方向上，應變花B、應變花C和應變花D的朝向相同，應變花A與其它三只應變花朝向相反，并且以測量點所在圓周位置為對稱中心。
以本發(fā)明裝置構(gòu)成剪力測量橋路的特征是設置剪力測量橋路，接入測量橋路中的是應變花A和應變花C的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應變花A的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花A的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花C的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花C的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
以本發(fā)明裝置構(gòu)成扭矩測量橋路的特征是設置扭矩測量橋路，接入測量橋路中的是應變花B和應變花D的45°方向和-45°方向敏感柵，將應變花B的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花B的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花D的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花D的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路以本發(fā)明裝置構(gòu)成附加彎曲正應力測量橋路的特征是設置附加彎曲正應力測量橋路，接入測量橋路中的是應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應變花B的-45°方向敏感柵和應變花A的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端B；應變花B的45°方向敏感柵和應變花A的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端B；應變花C的-45°方向敏感柵和應變花D的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端D；應變花C的45°方向敏感柵和應變花D的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
本發(fā)明按照已有技術中的應變花布置方式，將A點處的應變花旋轉(zhuǎn)180°粘貼，則可同時消除扭轉(zhuǎn)切應力和附加的彎曲正應力，從而提高剪力的測量精度。與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明裝置中45°方向和-45°方向敏感柵中心點所在橫截面處的剪力和扭矩均不變，彎矩變化不超過2％，因而可近似認為其應力狀態(tài)保持不變。
2、本發(fā)明裝置不僅能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，同時還能對剪力進行有效的測量，一方面豐富了實驗教學內(nèi)容，增添了實驗的思考性和趣味性，加深了學生對應力狀態(tài)概念和組橋原理及方法的理解，另一方面為工程結(jié)構(gòu)中類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供了借鑒。
圖1為實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為I-I橫截面上的測點位置示意圖。
圖3已有技術中應變花布置方式示意圖。
圖4為已有技術中的剪力測量橋路示意圖。
圖5為應變花結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明應變花布置方式示意圖。
圖7為本發(fā)明裝置用于剪力測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明裝置用于扭矩測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明裝置用于附加彎曲正應力測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號1鋁合金圓筒懸臂、2曲拐。
以下通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述實施例參見圖1、圖2和圖6，本實施例按照已有技術中的應變花布置方式，將A點處的應變花旋轉(zhuǎn)180°粘貼。圖中示出，與已有技術相同的是，采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié)構(gòu)，由鋁合金圓筒懸臂1和與其呈90角的曲拐2構(gòu)成，在鋁合金圓筒懸臂1的被測橫截面外圓周上，按照應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應變花。與已有技術所不同的是在沿圓筒懸臂1的軸線方向上，應變花B、應變花C和應變花D的朝向相同，應變花A與其它三只應變花朝向相反，并且以測量點所在圓周位置為對稱中心。
本實施例彎扭組合試驗裝置在內(nèi)力素測量上的應用應用之一剪力的測量A、C兩點處應變花中的45°方向和-45°方向敏感柵中心點的應力狀態(tài)可以看成單向應力狀態(tài)和純剪切應力狀態(tài)的疊加。根據(jù)廣義胡克定律，采用本實施例布片方案時，其沿柵長方向的線應變分別為 式中τT和τQ分別表示扭轉(zhuǎn)和彎曲切應力，σM為附加彎曲正應力。
將A、C兩點處應變花中的45°方向和-45°方向敏感柵按圖7分別接入橋路，即應變花A的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花A的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花C的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花C的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
則輸出的測量應變εQ測為 測得的剪力為 可以看出，采用新的貼片方式，同時消除了扭轉(zhuǎn)切應力和附加彎曲正應力，可以獲得較為準確的剪力測量值。
應用之二扭矩測量采用本實施例貼片方式，如果仍選擇A、C兩點的應變花測量扭轉(zhuǎn)切應力，將無法消除敏感柵中心點的附加彎曲正應力。這樣，會增加扭矩的測量誤差，對測量精度產(chǎn)生不利影響。本實施例中，選擇B、D兩點處應變花的45°方向和-45°方向敏感柵來測量。這些敏感柵中心點的彎曲切應力很小，近似為零，扭轉(zhuǎn)切應力與A、C點相同。其沿柵長方向的線應變分別為 式中σ為B點彎曲正應力。
將B、D兩點應變花中的45°方向和-45°方向敏感柵按圖8接入橋路，即將應變花B的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花B的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花D的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花D的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路則輸出的測量應變εT測為
測得的扭矩為 測量結(jié)果與原來選擇A、C兩點應變花的測量效果一致。
應用之三附加彎曲正應力測量采用本實施例貼片方式，可增加測量A、C兩點應變花附加彎曲正應力的新實驗內(nèi)容。將A、B、C、D四個測量點應變花中的45°方向和-45°方向敏感柵按照圖9分別接入測量橋路，即接入測量橋路中的是應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的45°方向和-45°方向敏感柵，應變花B的-45°方向敏感柵和應變花A的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端B；應變花B的45°方向敏感柵和應變花A的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端B；應變花C的-45°方向敏感柵和應變花D的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端D；應變花C的45°方向敏感柵和應變花D的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路根據(jù)惠斯登電橋串聯(lián)橋路的特點，并結(jié)合(4)和(5)式，可得輸出測量應變εM測為 =1-vEσM]]>測得的附加彎曲正應力為 該項實驗內(nèi)容，不僅可巧妙地測量出產(chǎn)生剪力的誤差來源(附加彎曲正應力)，而且將惠斯登電橋串聯(lián)橋路應用到實驗教學中，從而加深學生對橋路的認識，拓寬視野。
權利要求
1.彎扭組合試驗裝置，采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié)構(gòu)，由鋁合金圓筒懸臂(1)和與其呈90角的曲拐(2)構(gòu)成，在所述鋁合金圓筒懸臂(1)的被測橫截面外圓周上，按照應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應變花；其特征是在沿所述圓筒懸臂(1)的軸線方向上，應變花B、應變花C和應變花D的朝向相同，應變花A與其它三只應變花朝向相反，并且以測量點所在圓周位置為對稱中心。
2.一種權利要求1所述裝置構(gòu)成的剪力測量橋路，其特征是接入測量橋路中的是應變花A和應變花C的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應變花A的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花A的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花C的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花C的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
3.一種權利要求1所述裝置構(gòu)成的扭矩測量橋路，其特征是接入測量橋路中的是應變花B和應變花D的45°方向和-45°方向敏感柵，將應變花B的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應變花B的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應變花D的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應變花D的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
4.一種權利要求1所述裝置構(gòu)成的附加彎曲正應力測量橋路，其特征是接入測量橋路中的是應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應變花B的-45°方向敏感柵和應變花A的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端B；應變花B的45°方向敏感柵和應變花A的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端B；應變花C的-45°方向敏感柵和應變花D的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端D；應變花C的45°方向敏感柵和應變花D的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
全文摘要
彎扭組合試驗裝置及其在內(nèi)力素測量上的應用，其裝置由鋁合金圓筒懸臂和與其呈90角的曲拐構(gòu)成，在鋁合金圓筒懸臂的被測橫截面外圓周上，按照應變花A、應變花B、應變花C和應變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°－3直角應變花；其特征是在沿圓筒懸臂的軸線方向上，應變花B、應變花C和應變花D的朝向相同，應變花A與其它三只應變花朝向相反，并且以測量點所在圓周位置為對稱中心。本發(fā)明能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，能對剪力進行有效的測量，從而增加新的教學實驗內(nèi)容，并能為工程結(jié)構(gòu)中類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供借鑒。
文檔編號G01L1/22GK1900670SQ20061008818
公開日2007年1月24日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權日2006年6月30日
發(fā)明者李 昊, 劉一華, 詹春曉, 王美芹, 吳枝根 申請人:合肥工業(yè)大學