第7章--应力应变测量

第三篇起重运输机械典型参数测量起重运输机械的基本参数是反映机械设备特征、性能及运行状态的物理参数，其产品检测的内容包括:●性能检测（1）几何参数：外形尺寸、起升高度、工作幅度、轨距、跨度、回转半径等参数；（2）运动及动态特性参数：速度、位移、加速度及振动频率等动态特性参数；（3）电参数：电流、电压、功率因素等参数。●机电传动、钢结构检测（1）力、能参数：力、力矩（扭矩）、应力、压力、流量、温度及功率等参数；（2）强度、刚度：应力、应变，位移（变形），挠度（3）焊接质量检测●安全装置检测超载限制装置、行程限制装置、夹轨器、锚定装置等●外观质量检测•机房、司机室、梯子栏杆走道的外观质量检验，油漆质量检验。•重点：典型的参数测量有：力、应力应变、振动及设备状态检测与故障诊断。•结合本专业特点，本课程重点介绍：应力应变测量、振动测量、设备状态检测与故障诊断的检测技术等知识。第七章应力应变测量一、应变测量技术：应变电测法应变电测法是用电阻应变片先测出构件的表面应变，再根据应力、应变的关系式来确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。二、应力应变测量静态应变测量：利用静态应变仪测量系统动态应变测量：利用动态应变仪测量系统本章学习重点：1.贴片方法和应力应变换算2.常用型材测点位置布置3.金属结构应力应变测量方法与测量步骤§7-2贴片方法和应力应变换算应变电测法应用问题：•首先遇到的是如何贴片，贴片方位问题，取决于应力状态。•其次，测出应变值后，如何换算成应力值，运用材料力学知识。下面就单向应力状态和平面应力状态（主应力方向已知和主应力方向未知）的应力和应变换算和贴片方法加以介绍。一、单向应力状态在单向拉伸或压缩外力作用下，其变形如图所示，沿轴向方向贴有电阻应变片R。从材料力学莫尔圆可以看出：测片方位：沿轴向应力方向贴应变片，测得后，用公式求出大小。112210()E二、平面应力状态（主应力方向已知）1、单元体0—1—1—1受平面应力的作用。这时变形为0—2—2—2：产生应变在x方向上有变形，在y方向上有变形。2、然后，再受的作用，这时0—2—2—2变为0—3—3—3：产生应变在y方向产生变形，在x方向产生变形1E1E22E2E23.因此在、的共同作用下，单元体在x方向的变形为，y方向的变形为若用应力表达，则为贴片方位：沿和的方向各贴一枚应变片（或直角应变花），测得、值，即可求出和值。1212)(121211EEE)(112122EEE1)(12121E121212三、平面应力状态（主应力方向未知）1、任意方向的应变前提：主应力、的大小未知，方向也未知，有三个未知数。存在：正应力，,剪应力应变：、，（剪应变）单元体ABCD在平面应力状态变形为AB’C’D’，单元体AC方向上的应变与、和之间的关系，AC变形至AC’位置：AC方向上的总应变为：或12xyxyxyxyxyxy''''''22cossinsincosxyxy22cossinsincosixiyixyii)3,2,1(2、贴片方位为了测得、和三个数值，可以在被测构件上的同一个测点以三个不同的方向进行测量（如三片应变花），并对3个不同方向上的应变进行测量，当这三个方向与x轴的夹角分别为、、时，即可求解下列方程组：测点上3个方向的角（、和）通常预先设定的（根据3片应变花的夹角、和）。若能测得这三个方向上的应变值、和，就能算出三个未知数、和。333232222222111212cossinsincoscossinsincoscossinsincos321xyyxxyyxxyyx12390450xy45123123123xyxy3、计算，，大小通过测出、、大小，即可求出，，式中：为剪切弹性模量。xyxyxyxyxyxy)(12yxxE)(12xyyExyxyxyEG)1(2G=2(1)E4、求出主应力与主应力的方向：主应力的计算公式：主应力（与x轴夹角）的方向式中：——主应力和x轴的夹角。2221)2(2xyyxyx22max)2(xyyxyxxy22tan15、常用应变花应用举例：实际测量中，（1）主应力计算公式（贴三片应变花）（2）主应力计算公式（贴三片应变花）（3）主应力方向（与轴线的夹角）4529004529009002121112）－－＋（）－（＋－＋E212060212060001206002131311)1(32）－（＋）－（＋－＋E109009004512tan21－－－60§7-3常用结构型材的测点布置一、结构型材断面的应力分布港口机械的金属结构基本上是由角钢、槽钢、工字钢、T型钢、钢管等型材或由钢板焊成的箱形结构所组成。由各种形式材料组成的结构，通常承受拉(压)、弯、扭等几种外力的作用，其断面上的应力分布比较复杂。结构型材的断面型式较多，通常有：矩形断面，圆形断面，工字形断面，槽形断面，箱形断面。例：箱形断面的受力状态：•a．轴向力均布•b．弯曲正应力沿主惯性轴呈线形分布。•c．剪应力最大值一般出现在主惯性轴处。•d．扭转问题：非约束——只有剪应力约束——有剪应力和扇形正应力。箱形断面应力分布开口薄壁结构断面应力分布工字形断面，槽形断面归纳：各种断面的应力分布规律：a．断面上通常只有两种力：正应力、剪应力b．断面角点处只有正应力，而无剪应力（相当于单向应力状态）。正应力的最大值出现在角点处。c．剪应力的分布形式根据其断面形状不同而不同，一般来说，最大剪应力产生在中性轴处（主惯性轴处）。二、应变片在测量断面上的布置（测点布置与贴片方法）最大正应力法——角点法（1）贴片方法：在箱形断面角点处分别贴4枚应变花。（2）箱形梁断面应力分布：在外力拉（压）、弯曲、扭（转）矩作用下，正应力分布如图7-10所示其测点1，2，3，4的正应力分别为：然后根据测量得到的、、，求得获得断面内力：123444321N44321zM44321yM44321（3）结论：断面角点处没有剪应力存在，属单向应力状态，该正应力即为主应力。因此沿断面棱线方向上贴一单片，就可以测得主应力大小。2.载荷分量测量法载荷分量测量法是根据断面各载荷的应力成分分布特性和测量电桥的加减特性，从多种应力成分中直接测得某一种应力成分数值的方法（如某第5章中介绍的“测拉除弯”、“测弯除拉”等）。（1）贴片方位：图7-15（2）特点：a．可直接测量所需的载荷分量。b．应变片布置在断面的主惯性轴上。c．断面上的正应力和剪应力分别进行测量，然后选第四强度理论进行强度校核。d．测量不同的载荷分量由不同的接桥方法来进行测量。缺点：测不出翘曲正应力。对于主惯性轴对称的断面，不受翘曲正应力的干扰，而无主惯性轴对称的断面有干扰又无法测出。3.剪应力分量(1)贴片位置——贴在断面主惯性轴上（剪应力最大）(2)贴片方位——沿主轴线和方向（换算成应力最方便）(3)应力换算由图7-3原理，得：整理得：2245cos45sin45sin45cos45xyxy22135cos135sin135sin135cos135xyxy245xyyx2135xyyx上两式相减，得4．平面应力状态测量（测点布置）（1）贴片：应变花（2）计算主应力大小和方向。（3）适用于薄壁结构中的板与板的交接处，此处不仅有较大的正应力，而且有较大的剪应力。四、应力合成与强度校核（略讲）通常用第四强度理论进行校核13545xy)()1(213545EGxyxy223yM§7-4起重机金属结构应力测量一、金属结构应力测量的任务应力、应变测量应用任务：（测量目的和任务）1．校核性测量：验证结构强度（刚度）是否满足理论计算要求。例如，新产品鉴定性检测。2．改进性测量（节约化）：产品改进，确定安全储备，减轻结构自重。3．优选性测量：各种设计产品的方案比较、试验研究性检测。4．.增潜性测量：产品改造，提高结构承载能力。主要目的：是测量金属结构主要受力部位的应变、应力，进行强度、刚度校核，并且可通过动态测量，测出结构的动态特性。二、测量断面的选择(1)理论设计计算书(含内力图)提供的具有代表性的载荷大的危险断面；(2)载荷复杂（受力复杂），需要详细分析的断面；(3)断面形状不规则，有突变处的截面；(4)在现场测量中，对布片测量工作是方便的、安全的断面；三、测量断面上应变片布置原则：1、根据应力分布状态：单向平面应力状态（1）主应力方向已知：轴向受力构件——应变片可在断面上、下或左、右沿轴向布置。受弯构件——最大弯矩处断面的边缘或四角沿轴向布置。压弯构件——断面上四角不少于四片轴向布置。（2）主应力方向未知：受弯构件的正应力与剪应力较大的部位；断面形状不规则或有突变处；汇交力系的杆件节点部位。2、重要受力部位：贴双片，提高测量值的可靠性3、对称结构断面：可适当减少布片、数量，例如单边布片。四、应力应变测量的一般步骤与方法：1、预先准备工作（1）测量断面的选择和布点方案确定（2）测试仪器准备：应变片、导线、器具、仪器准备2、现场测试准备工作：（1）贴片工作：应变花粘贴位置表面打磨、清洁、贴片。（2）测量导线布置、连接，测试仪器布置。（3）测量仪器调试3.现场测试工作根据测试工况和载荷情况，分别测量静态、动态应力。做好测试数据记录。4.测试数据处理工作和整理测试报告举例1：图7-21所示门座起重机的结构应力应变测量：–强度测量–刚度测量举例2：岸桥结构测量。举例2：岸桥结构测量岸桥结构测点布置图测试工况工况编号载荷（t）小车位置操作程序I0小车位于后门框陆侧停车位置前臂梁仰起仪器置“0”，放平到工作状态，仪器读数。II32.6前后门框中间位置小车在后门框陆侧停车，载荷落地时仪器置“0”；小车提升载荷运行到各工况位置时，仪器读数。III前臂梁中部B-B截面位置IV前臂梁端部位置V后臂梁端部D-D位置8号岸桥静载应力检测结果(单位：MPa)工况号测点号ⅠⅡⅢⅣⅤA115.6-8.9-10.866.6-8.5A218.2-7.8-8.459.7-7.7A3-15.2-2.2-7.0-55.4-2.8A4-11.4-2.5-6.6-55.0-2.9B1-22.9-3.4-101.526.6-10.6B2-21.6-11.0-99.023.2-10.0B32.1-6.242.0-49.5-3.8B4-9.5-3.439.0-47.7-1.2C15.0/-7.4/-1.3C25.8/-4.8-1.3-1.1D18.317.0-8.2-0.5-33.1D26.417.7-9.0-1.2-32.8E1-18.2-4.0-17.6-48.271.7E2-11.1-4.1-15.8-34.470.8F145.5-6.226.981.6-9.4F244.9-6.737.389.5-7.8G168.7-5.759.0155.2-15.2G259.4-4.554.0136.2-15.8G320.5-2.419.348.4-6.7G421.8-2.819.048.5-8.4H1-12.3-8.4-22.7-22.93.8H2-2.3-3.4-13.6-20.83.7I1-45.616.7-20.7-