實驗一、內(nèi)壓容器外壁應(yīng)力測定綜合實驗

1、.實驗一、內(nèi)壓容器外壁應(yīng)力測定綜合實驗一、實驗?zāi)康?、掌握與了解受壓零件應(yīng)力分析的一般方法；2、掌握應(yīng)力測試的基本方法和步驟，熟悉應(yīng)力測試的基本儀器操作，以及計算機(jī)自動測試的過程與設(shè)備；3、了解和掌握邊緣應(yīng)力的概念，以及平封頭、錐形封頭、球形封頭和橢圓形封頭與筒體相連區(qū)域的邊緣應(yīng)力分布規(guī)律，加深課堂教學(xué)的印象；4、進(jìn)一步驗證薄壁容器筒體應(yīng)力計算公式二、實驗原理1、靜態(tài)電測應(yīng)變測量的基本原理電測法是受壓元件應(yīng)力測量中的一種最常見的方法。其基本原理是通過粘貼在被測量構(gòu)件表面某點(diǎn)處一定方向上的電阻應(yīng)變片的電阻值變化來測定構(gòu)件在某方向上的應(yīng)變，然后經(jīng)換算及計算出該處的的應(yīng)力大小?；饕獌?yōu)點(diǎn)是：靈敏度及

2、精確度較高，適用于靜載荷常溫下的模型試驗和現(xiàn)場測試。其缺點(diǎn)是：只能測出構(gòu)件上某一點(diǎn)處某一方向的應(yīng)變值，不能測出構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變信全面了解構(gòu)件的應(yīng)力分布情況。下面主要介紹電阻應(yīng)變片、電阻應(yīng)變儀和應(yīng)力計算方法的基本原理。圖1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖（1）電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片是測量表面應(yīng)力的主要元件之一，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由敏感柵、引出線、底基及表面覆蓋層等部分組成。在應(yīng)力測量時，用502膠水，將電阻應(yīng)變片底基粘貼在構(gòu)件所需測定變形的地點(diǎn)及方向，使敏感柵通過底基與構(gòu)件一起變形，故只需測出敏感柵的長度變化，即可得出構(gòu)件的變形大小。也可以看到，上述測定只能測出構(gòu)件變形在敏感柵面積范圍內(nèi)變形的平均值。電

3、阻應(yīng)變片敏感柵的長度變化是通過測定電阻變化來確定的。由物理學(xué)知，金屬絲電阻的變化與金屬絲長度及截面積之間的關(guān)系式為，為金屬絲材料的電阻率，將該式兩邊進(jìn)行微分有： （1）可見當(dāng)電阻應(yīng)變片的長度及截面積發(fā)生變化時，其電阻值也會發(fā)生變化，通過對（1）式進(jìn)行簡化，可得到： （2）即在一定范圍內(nèi)，其電阻值的變化率與敏感柵長度的變化率成正比。（2）式中表示電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。其計算公式為 （3） 式中為敏感柵金屬絲材料的泊松比，為金屬絲的材料常數(shù)。利用上式計算應(yīng)變片的靈敏系數(shù)常受到應(yīng)變片加工工藝和材料成分的影響，使得計算值與理論值有一定的出入。因此實際中，常采用抽樣試驗的方式來確定一批應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。

4、一般紙基絲繞式電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)在2.02.4之間。因此在測量過程中，其靈敏系數(shù)一般直接采用電阻應(yīng)變片的出廠標(biāo)牌值，即為（2）電阻應(yīng)變儀工作片補(bǔ)償片圖2 惠斯登電橋電阻應(yīng)變儀是測量電阻片電阻變化的專用儀器，其工作原理是通過圖2所示的惠斯登電橋測定電阻片電阻變化所引起的電壓變化，進(jìn)行放大后輸出。由電工學(xué)原理有：當(dāng)間有電源電壓為時，間的電壓為： （4）當(dāng)電橋平衡時，即有，由（4）式可得到。若某個橋臂的電阻值發(fā)生變化，則電橋間的電壓也將發(fā)生相應(yīng)的變化。對（4）式兩端進(jìn)行微分，可得到電橋端電壓變化與各橋臂電阻變化的關(guān)系式，即 （5）式中為電阻的變化量。利用（2）式，并設(shè)各電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相同，則

5、有 （6）式中為各相應(yīng)的電阻片的應(yīng)變值。因此若需測定某一電阻片的應(yīng)變值，只需將此電阻片連接在某一橋臂上，而使其它橋臂上的電阻值在測量過程中保持不變，通過電阻儀測量出電壓的變化，按式（6）就可以計算出所測量的電阻片的應(yīng)變值。在實際測量過程中，為了消除外界因素特別是溫度變化對電阻應(yīng)變值的影響，一般要接一個溫度補(bǔ)償片，以消除外界溫度變化而產(chǎn)生的影響。由圖2和式（6）可知，當(dāng)工作應(yīng)變片接在橋臂時，溫度補(bǔ)償片應(yīng)該接在橋臂，這樣，當(dāng)溫度在試驗過程中有變化時，由于電阻，電阻和所產(chǎn)生的溫度變化對應(yīng)的電阻變化值也是相同的，故相應(yīng)的電壓變化也等于零。即在讀數(shù)中排除了試驗過程中溫度波動所產(chǎn)生測量誤差。一般來說，電阻

6、變化量要比初始的電阻值小很多（僅約2%左右）。為了使測量值具有較高的精確度，電阻應(yīng)變儀都需將信號放大后輸出。另外為了適應(yīng)不同靈敏系數(shù)的電阻片，電阻應(yīng)變儀上都裝有可調(diào)靈敏系數(shù)旋鈕。在試驗時，必須將旋鈕上的值調(diào)至電阻片靈敏系數(shù)的數(shù)值，這時，電阻應(yīng)變儀上的讀數(shù)才能表示為應(yīng)變的真實數(shù)值，若，需要對讀數(shù)進(jìn)行修正。其修正公式為： （7）（3）受壓元件上的應(yīng)力測定一般來說，大多數(shù)壓力容器處于軸對稱結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力分量有（徑向應(yīng)力）、（周向或環(huán)向應(yīng)力）、（軸向應(yīng)力）和（徑向與環(huán)向之間剪切應(yīng)力）。對于承受內(nèi)壓的壓力容器的外壁來說，有，因此其狀態(tài)處于平面應(yīng)力狀態(tài)。由于只有兩個應(yīng)力分量，也沒有剪切應(yīng)力分量，該應(yīng)力分量即

7、為主應(yīng)力，其方向分別平行及垂直于對稱軸，在這種情況下，只需在兩主應(yīng)力方向各貼一個電阻片，測量它們的應(yīng)變和后，根據(jù)廣義虎克定律即可求出主應(yīng)力的數(shù)值為 （8）式中材料的彈性模量，對于材料（常溫下）； 為材料的泊松比，對于材料。將各測點(diǎn)的應(yīng)變值代入上式，即可求出各測位置的應(yīng)力值。2、計算機(jī)輔助自動測試原理圖7 應(yīng)力測試原理示意圖計算機(jī)輔助自動測試過程的接線原理圖如圖7所示。將應(yīng)變片用502膠水粘貼在元件上將要測試的某點(diǎn)處，用導(dǎo)線與其引線焊接在一起。若采用手動操作測試，導(dǎo)線的另一端與DH3818型靜態(tài)測試儀相連，該測試儀可對每個測點(diǎn)分別自動平衡。三、實驗裝置與與儀器1、實驗裝置圖8 計算機(jī)模擬仿真測試

8、實驗平臺計算機(jī)模擬仿真檢測實驗操作平臺如圖8所示。圖中標(biāo)注說明如下：1橢圓形封頭與筒體；2回油管及排空管；3球形封頭與筒體；4計算機(jī)操作平臺； 5筒體上的壓力表；6排污口；7平封頭與筒體；8錐形封頭與筒體；9油泵出口油管；10葉片泵；11電動機(jī)；12貯油罐；13壓力傳感器與變送器；14架子；15閥門；16球形封頭與橢圓形封頭在平臺上的壓力表；17平封頭與錐形封頭在平臺上的壓力表；18變頻器的操作面板；19控制橢圓形封頭的PID控制器；20控制平蓋封頭的PID控制器；21控制臺上的總電源開關(guān)；22PID控制器的電源開關(guān)；23PID調(diào)節(jié)器控制變頻器的轉(zhuǎn)換開關(guān)；24控制球形封頭的電磁閥開關(guān)；25控制

9、平蓋封頭的電磁閥開關(guān)；26計算機(jī)操作鍵盤。圖9 封頭的基本尺寸及結(jié)構(gòu)圖其中四個封頭及筒體的基本尺寸如圖9所示。2、測試儀器及操作簡介（1）DH3818型靜態(tài)測試儀：DH3818靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、微型計算機(jī)及支持軟件組成?？勺詣?、準(zhǔn)確、可靠、快速測量大型結(jié)構(gòu)、模型及材料應(yīng)力試驗中多點(diǎn)的靜態(tài)應(yīng)變應(yīng)力值。其特點(diǎn)有：1、 手控狀態(tài)時，大屏幕數(shù)碼顯示測量通道和輸入應(yīng)變量，且可通過功能鍵設(shè)置顯示通道、修正系數(shù)及平衡操作。2、 程控狀態(tài)時，與計算機(jī)的RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，最大程度上滿足了對便攜式儀器的要求。3、 自動平衡。4、 內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)電阻，全橋、半橋、1/4橋連接方便。（2）XSC/A

10、PID控制儀PID控制儀與各類傳感器、變送器配合，可實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、成份等過程量的定值控制。其主要的技術(shù)參數(shù)精度有：5、 測量周期：0.3s6、 控制周期: 0.375.0S,可設(shè)置7、 測量精度: ±0.2%F.S±1個字, 自動對溫漂、時漂進(jìn)行補(bǔ)償8、 測量分辨率:1/16000, 14位A/D轉(zhuǎn)換器9、 顯示范圍: -1999-999910、 熱電阻輸入導(dǎo)線電阻: 小于20其操作面板如圖15所示，其中各符號的意義如下：測定值顯示屏幕；圖15 PID控制面板示意圖設(shè)定值顯示屏幕；其中“AH”、“AL”、“AHH”、“ALL”為指示燈。設(shè)定鍵。在控制狀態(tài)下，按住2

11、秒以上不松開則進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。在設(shè)置狀態(tài)下，顯示參數(shù)符號時，按住2秒以上不松開進(jìn)入下一組參數(shù)或返回測量狀態(tài)。左鍵。在PID自動控制下，按住6秒以上不松開啟動自整定。在設(shè)置狀態(tài)下，調(diào)出原有參數(shù)值，移動修改位。MOD鍵。在控制狀態(tài)下，進(jìn)行手動/自動切換。在設(shè)置狀態(tài)下，存入修改好的參數(shù)值。增加鍵。在手動控制輸出時，增加控制輸出。在設(shè)置狀態(tài)下增加參數(shù)數(shù)值或改變設(shè)置類型。減小鍵。在手動控制輸出時，減小控制輸出量。在設(shè)置狀態(tài)下減小參數(shù)數(shù)值或改變設(shè)置類型。（5）MicroMaster440標(biāo)準(zhǔn)變頻器MicroMaster440是用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器。它由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的

12、絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件。因此其具有很高的可靠性和功能的多樣性。MicroMaster440具有缺省的工廠設(shè)置參數(shù)，且具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機(jī)控制系統(tǒng)。MicroMaster440既可用于單獨(dú)驅(qū)圖16 BOP操作面板動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。本實驗裝置中采用了BOP基本操作面板，如圖16所示。面板上各符號的意義如下：狀態(tài)顯示。LCD顯示變頻器當(dāng)前的設(shè)定值；起動電動機(jī)。按此鍵啟動變頻器。缺省值運(yùn)行時，此鍵是被封鎖的，為了使此鍵的操作有效，應(yīng)設(shè)定P0700=1；停止電動機(jī)。改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。按此鍵可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。電動機(jī)的反

13、向用負(fù)號表示或用閃爍的小數(shù)點(diǎn)表示。電動機(jī)點(diǎn)動。在變頻器無輸出的情況下，按此健，將使電動機(jī)啟動，并按預(yù)定的點(diǎn)動頻率運(yùn)行。功能。此鍵用于瀏覽輔助信息。變頻器在運(yùn)行中，在顯示任何一個參數(shù)時按下此鍵并保持不動2秒鐘，將顯示出一系列的參數(shù)。訪問參數(shù)。按此鍵即可訪問參數(shù)。增加數(shù)值。按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值。減小數(shù)值。按此鍵即可減小面板上顯示的參數(shù)數(shù)值。3、測試所需工具及器材（1）器材有：四位電橋、兆歐表、電吹風(fēng)、25W電鉻鐵、剝線鉗、剪刀、鋼尺；（2）易耗品有：常溫用電阻應(yīng)變片、連接片、502粘接劑、丙酮、藥棉、0.2mm的連接導(dǎo)線、焊錫膏、焊錫絲、松香、鐵砂紙等。四、實驗方法與步驟1、實際測試

14、操作步驟（1）在所測封頭上粘貼應(yīng)變片第1步：用四位電橋測量各應(yīng)變片的電阻值，并記錄其電阻值。第2步：用鋼尺在封頭表面上量好距離，并作好定位工作。然后用細(xì)砂紙對其表面打磨，再用丙酮清洗干凈。第3步：用502粘接劑將電阻值相近的電阻應(yīng)變片粘貼在某個已確定的位置上，用每個電阻應(yīng)變片的附近再粘貼一片連接片，貼好后，用電吹風(fēng)微吹一下所粘貼好的應(yīng)變片和連接片。第4步：對連接片表面打磨，然后將應(yīng)變片的上線焊接到連接片上。第5步：焊接連接導(dǎo)線。先將已編好號碼導(dǎo)線的塑料皮剝出3mm左右，然后用電鉻鐵打上錫焊，再將其與應(yīng)變片的引線焊到一起。注意，焊點(diǎn)要求光滑小巧，防止虛焊。第6步：用四位電橋檢查每個應(yīng)變片的電阻值

15、，并記錄其電阻值。第7步：用兆歐表檢查各應(yīng)變片的絕緣電阻值，要求大于50M。第8步：將測量的導(dǎo)線固定在封頭上。用密封膠將應(yīng)變片密封，防止其受潮。（2）調(diào)試測量儀器并清零（2）給封頭及筒體旋加載荷第1步：打開控制平臺上的總電源開關(guān)；接通PID控制儀的電源。第2步：選擇對應(yīng)的PID控制儀，在其上設(shè)置給定值。其過程如下：11、 按住鍵2秒以上不松開直至顯示；12、 按鍵，調(diào)出已設(shè)定的參數(shù)值，這時會顯示出已設(shè)定的值如：；13、 按鍵移位，在顯示屏上將會顯示當(dāng)前位，這時可以按該鍵1次，即可移動1位，如此循環(huán)。14、 按鍵將會減小當(dāng)前位的數(shù)值，每按1次，當(dāng)前數(shù)字將下降1，如此循環(huán)下去。15、 按鍵將會使當(dāng)

16、前位的數(shù)字增加，每按1次，當(dāng)前數(shù)字將增加1，如此循環(huán)下去。16、 按鍵存入設(shè)定值關(guān)退出設(shè)置狀態(tài)。第3步：旋轉(zhuǎn)操作平臺上的旋鈕“23”（如圖8），使其與當(dāng)前的PID控制儀相對應(yīng)。第4步：旋轉(zhuǎn)電磁閥控制開關(guān)旋鈕“24”或“25”（如圖8），使其處于升壓位置。第5步：啟動電機(jī)。在變頻器BOP控制面板上按啟動鍵“”，電動機(jī)開始啟動。（3）讀數(shù)第1步：依次加栽，當(dāng)壓力表和PID控制儀上的壓力讀數(shù)保持穩(wěn)定時，就可以讀出相應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值。第2步，依次缷栽，當(dāng)壓力表和PID控制儀上的壓力讀數(shù)保持穩(wěn)定時，就可以讀出相應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值。（4）關(guān)閉電源五、實驗報告與要求1、簡述實驗?zāi)康?、原理、方法及基本步驟；2、畫出所貼電