应变电测技术在产品结构强度设计中的应用

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 在进行产品结构强度设计时,由于结构形状和实际载荷条件的复杂性,采用常规的力学理论很难进行准确合理的计算分析。近年来,有限元分析技术在产品设计工作中得到了广泛的应用,但其成本很高,又不能完全满足要求。因为假设的简化条件与实际情况有出入,特别是对铸造件,其内部不可避免存在气孔、缩松等缺陷,材料的连续性遭到破坏,应力分布与理想状态相差甚远,如仍用有限元分析计算会产生较大的误差;因此,用实验方法验证设计计算结果非常必要。

应变电测技术是一种较好的实验验证方法,它利用金属材料在受力时产生弹性变形的特性,采用电阻应变片作为传感元件,将产品表面应变转换成电阻的相对变化,然后用应变测量仪将电阻再转换成电压或电流变化,经放大、检波、测量、记录,最后将应变换算为直观的应力。

应变电测技术典型应用

案例一

组合承力索座是某公司研制的新产品,材质为ZG270-500。由于它的结构、受力状态复杂,同时铸造工艺易形成内部缺陷,很难进行有限元分析,采用应变电测技术进行设计验证的情况简要如下:

首先根据经验在组合承力索座危险断面上选取测点,并在受力方向明确的测点上,粘贴应变片;对受力方向不明确的测点,粘贴应变花。共布置了8枚应变花和4枚应变片。

然后模拟产品的实际工况进行安装和施加载荷,测量不同状态下各点的应变大小,最后进行计算,将应变转换为应力。

应力应变测试结果表明,盖板上危险部位的实际应力值超过了允许应力。设计人员根据测试数据重新设计,加大了相关部位尺寸厚度,同时加大圆弧过渡外半径,避免应力集中。重新进行应力应变测试,结果合格。从而大大缩短了组合承力索座研制周期,确保了使用安全。

案例二

某公司使用的铜合金套管铰环发生质量事故后,全线三万多套需要全部更换,可供选择的替代产品有锻钢96式和锻钢92式。这两种型式进行有限元分析都合格,并有自己的优势。到底选用哪一个是个有争议的问题。

为了用数据验证,对这两种产品分别进行了应力应变测试。根据铜质实际断裂部位及有限元分析计算结果,应力危险部位在抱箍与连接平板过渡处。为此,在两种抱箍上布置了9枚应变花,另外在每个U型螺栓上也布置了5枚应变片。测试结果表明,96式产品各别危险部位的应力值接近允许应力值,与有限元分析结果相差较大;92式产品的安全裕度更大,应力值普遍比96式产品的小,与有限元分析结果相近,从而科学决策提供了技术依据。

案例三

定位夹环是某城市地铁首次使用的一种新产品,其结构小巧轻便,由于壁厚只有3mm,看起来很薄,业主有些担心质量问题。后通过应力测试技术的验证,结果合格。

应用中应注意的问题

测试部位的选择

测试的主要目的是检验产品的最薄弱部位是否合格,若测试部位选择不当,有可能得出错误的结论。一般是利用有限元分析结果并结合实际经验进行选择。

粘贴应变片

应变片粘贴水平的高低直接决定整个测试的成败。产品表面打磨的不够平、清洗不干净、粘剂太多或太少、压紧力不均匀、压紧时间不够等,都可能造成应变片与产品粘贴不好而在测试过程中开脱,导致失败,必须特别注意。

常量E、μ值的选用

常量E、μ值一般设计手册中都可以查到,作为一般测试,可以直接利用。但材料经过各种工艺加工后,性能有时会有较大的变化。因此,在进行准确地测试时,建议首先测量出产品的实际E、μ值。

结论

应变电测技术具有测量精度高、灵敏度高、数据稳定、测量技术简单、测量范围大等优点,用于产品开发设计方面具有很大的优势。

使用应变电测技术,对产品设计情况进行实验验证,可以确保产品设计更加合理、科学,避免大批量生产后造成的质量隐患。同时可以提高新产品开发进度。

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