【知识目标】

1.了解动态应力的概念和种类。

2.分析悬臂梁所受动应力的状况,理解悬臂梁形式等强度梁的设计。

3.测量冲击载荷作用下悬臂梁动态应力的大小。

【能力目标】

1.掌握以电测法为基础的动态应变测试方法。

2.掌握BZ6104 多功能信号采集分析仪动态电阻应变仪部分的使用方法。

3.能分析实验过程中干扰信号的来源,并采取合适措施降低干扰。

8.5.1　实验设备

①等强度悬臂梁实验台。

②BZ6104 多功能信号采集分析仪。

③BZ7201LAND_USB 数据采集与分析系统软件。

8.5.2　实验内容

测量悬臂梁在冲击载荷作用下自由衰减过程中指定测点处的动态应变时程曲线。

8.5.3　实验原理

(1)循环应力的概念

悬臂梁在承受冲击载荷后的振动过程若不计振幅的衰减,则测点处承受的应力类似于循环应力。循环应力是指随时间呈周期性变化的应力,变化波形通常是正弦波。应力的循环特征可用以下参数表示:

1)应力幅σa 和应力范围Δσ

式中　σmax,σmin——循环应力的最大值和最小值。

2)平均应力σm 和循环特性r

按照平均应力σm 和循环特性r 的相对大小,将循环应力分为以下4 种典型情况:

①交变对称循环

σm=0,r=-1。大多数轴类零件通常受到交变对称循环应力的作用,这种应力可能是弯曲应力、扭转应力或者是两者的复合。

②交变不对称循环

。结构中某些支承件受到这种循环应力(大拉小压)的作用。

③脉动循环

σm=σa,r=0。齿轮的齿根和某些压力容器受到这种脉动循环应力的作用。

④波动循环

σm >σa,。飞机机翼下翼面、钢梁的下翼缘以及预紧螺栓等均承受这种循环应力的作用。

(2)等强度悬臂梁

工作中各横截面上的最大正应力σmax都等于许用应力[σ]的梁,称为等强度梁。由于一般情况下梁的各横截面承受的弯矩是不同的,因此,等强度梁一般是变截面梁。其截面变化规律为

式中　W(x)——距梁端x 处截面的抗弯截面模量;

M(x)——距梁端x 处截面的最大弯矩;

[σ]——材料许用应力。

梁的内力分布与其约束形式紧密相关,研究如图8.22 所示的矩形截面悬臂梁,右端为自由端,作用有集中力P,假定该力使梁各横截面最大应力达到了许用应力值[σ]。考察距离自由端x 处的截面m—m,以右边隔离体为研究对象,由截面力矩平衡易得该截面承受弯矩M=Px。由材料力学知识可知

欲使等强度悬臂梁具有最简单的形状,可令其厚度h 为常数,仅改变其宽度,则

可知,等强度矩形截面悬臂梁的宽度b 是沿其轴线,朝固定端方向线性增加的。若不改变宽度b 而改变厚度h,等强度悬臂梁将具有更复杂的形状,不利于加工。

(3)动态应变的测试方法

由于无法直接使用仪器测量应力,因此,线弹性范围内应力的测量是通过电测法测量应变,并结合胡克定律来测定的。如图8.23 所示为电测法测量等强度悬臂梁表面轴向线应变的应变片布片示意图。测量动态应变的具体方法如下:

图8.22　悬臂梁横截面内力分析

图8.23　等强度悬臂梁布片示意图(www.daowen.com)

1)利用电桥盒接线

接线方法有1/4 桥、半桥和全桥接线。

2)信号标定

所谓信号标定,就是建立所测物理量(应变)与电阻应变仪输出电压之间的对应关系,即所测电压表示的物理量的值为多少,如1 V 对应的应变为5.0 ×10 -3。信号标定可分为以下两步:

①校准调零

当被测量输入为零时,仪器的输出也应为零。如果不为零,则应进行零点校正,使在被测量输入为零时,仪器的输出也为零。

②比例调整

当输入信号较大或较小时,可利用“增益调节”和“灵敏度微调”旋钮进行调整。输入一定的被测量后,仪器输出一个预期的电压。如当输入应变为2.0 ×10 -3 时,通过“增益调节”和“灵敏度微调”旋钮使输出电压为4 V。

③电桥平衡

由于电桥电阻和应变片的电阻值不可能完全一致,故在未加载时电桥盒就会有一定的电压输出。因此,必须首先按“平衡按钮”使电桥平衡,如果电桥还是不平衡,则继续调整“微调旋钮”使仪器输出为“零”。

④采集数据

由于已建立了线应变与应变仪输出电压之间的关系,即确定了标定系数,因此,当测得动态应变的电压后,就可得到动态应变的值,即

所测物理量=所测电压×标定系数

8.5.4　实验步骤

①安装驱动程序及应用程序。

②根据信号采集分析仪的使用说明书,将应变片按照“1/4 桥”方式接入电桥盒。具体操作方法请参阅多功能信号采集分析仪使用说明书动态应变测量部分。

③设置“转折频率”(即采样频率)为2 000 Hz。具体操作方法请参阅多功能信号采集分析仪使用说明书动态应变测量部分。

④建立标定系数文件:

单击“建立标定系数文件”模块。

a.设置量纲为“με”。

b.设置标定系数为“500”。

c.标定系数文件保存格式为“∗.cal”。

⑤利用“高速数据采集”模块进行数据采集。

a.设置采样频率和采样时间。

b.设置采集开始通道和结束通道均为接线通道(1 通道或2 通道)。

c.单击“采集文件(存)”按钮,设置采集数据的保存路径(∗.AD)。

d.用榔头轻轻敲击等强度梁的末端,采集动态应变信号。

e.选择前面创建的标定文件,单击“开始转换数据文件”按钮,把采集到的电压信号转换为应变信号;

⑥单击“绘采集曲线图”按钮绘制曲线。

a.单击“曲线”按钮,输入转换后所得物理量的时域数据(∗.TIM)。

b.单击“显示图形”按钮,显示动态应变曲线。

8.5.5　注意事项

①必须仔细阅读BZ6104 多功能信号采集分析仪使用说明书(动态电阻应变仪使用方法部分)方可进行实验。

②实验前,应检查应变片及接线,不得有松动、断路或短路。

③用橡皮锤敲击悬臂梁时,不能用力过大,但也要有足够大的变形,确保应变信号具有较好的信噪比。

④数据采集前,先单击“平衡”按钮,使电桥盒的输出不平衡得到补偿。应变标定后,应变仪所有旋钮勿再扳动。

⑤电桥盒与仪器连接时,必须先关闭信号采集分析仪电源开关。

8.5.6　思考题

①动态应力测量过程中的干扰来源是什么?可采取哪些措施抑制干扰?

②采用在上下表面对称布片的方式测量等强度悬臂梁的动态应力有何好处?