实验一、内压容器外壁应力测定综合实验

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1、实验一、内压容器外壁应力测定综合实验一、实验目的1、掌握与了解受压零件应力分析的一般方法；2、掌握应力测试的基本方法和步骤，熟悉应力测试的基本仪器操作，以及计算机自动测试的过程与设备；3、了解和掌握边缘应力的概念，以及平封头、锥形封头、球形封头和椭圆形封头与筒体相连区域的边缘应力分布规律，加深课堂教学的印象；4、进一步验证薄壁容器筒体应力计算公式二、实验原理1、静态电测应变测量的基本原理电测法是受压元件应力测量中的一种最常见的方法。其基本原理是通过粘贴在被测量构件表面某点处一定方向上的电阻应变片的电阻值变化来测定构件在某方向上的应变，然后经换算及计算出该处的的应力大小。基主要优点是：灵敏度及精

2、确度较高，适用于静载荷常温下的模型试验和现场测试。其缺点是：只能测出构件上某一点处某一方向的应变值，不能测出构件内部的应变信全面了解构件的应力分布情况。下面主要介绍电阻应变片、电阻应变仪和应力计算方法的基本原理。图1 电阻应变片的结构示意图（1）电阻应变片电阻应变片是测量表面应力的主要元件之一，其结构如图1所示。主要由敏感栅、引出线、底基及表面覆盖层等部分组成。在应力测量时，用502胶水，将电阻应变片底基粘贴在构件所需测定变形的地点及方向，使敏感栅通过底基与构件一起变形，故只需测出敏感栅的长度变化，即可得出构件的变形大小。也可以看到，上述测定只能测出构件变形在敏感栅面积范围内变形的平均值。电阻

3、应变片敏感栅的长度变化是通过测定电阻变化来确定的。由物理学知，金属丝电阻的变化与金属丝长度及截面积之间的关系式为，为金属丝材料的电阻率，将该式两边进行微分有： （1）可见当电阻应变片的长度及截面积发生变化时，其电阻值也会发生变化，通过对（1）式进行简化，可得到： （2）即在一定范围内，其电阻值的变化率与敏感栅长度的变化率成正比。（2）式中表示电阻应变片的灵敏系数。其计算公式为 （3） 式中为敏感栅金属丝材料的泊松比，为金属丝的材料常数。利用上式计算应变片的灵敏系数常受到应变片加工工艺和材料成分的影响，使得计算值与理论值有一定的出入。因此实际中，常采用抽样试验的方式来确定一批应变片的灵敏系数。一

4、般纸基丝绕式电阻应变片的灵敏系数在2.02.4之间。因此在测量过程中，其灵敏系数一般直接采用电阻应变片的出厂标牌值，即为（2）电阻应变仪工作片补偿片图2 惠斯登电桥电阻应变仪是测量电阻片电阻变化的专用仪器，其工作原理是通过图2所示的惠斯登电桥测定电阻片电阻变化所引起的电压变化，进行放大后输出。由电工学原理有：当间有电源电压为时，间的电压为： （4）当电桥平衡时，即有，由（4）式可得到。若某个桥臂的电阻值发生变化，则电桥间的电压也将发生相应的变化。对（4）式两端进行微分，可得到电桥端电压变化与各桥臂电阻变化的关系式，即 （5）式中为电阻的变化量。利用（2）式，并设各电阻应变片的灵敏系数相同，则有

5、 （6）式中为各相应的电阻片的应变值。因此若需测定某一电阻片的应变值，只需将此电阻片连接在某一桥臂上，而使其它桥臂上的电阻值在测量过程中保持不变，通过电阻仪测量出电压的变化，按式（6）就可以计算出所测量的电阻片的应变值。在实际测量过程中，为了消除外界因素特别是温度变化对电阻应变值的影响，一般要接一个温度补偿片，以消除外界温度变化而产生的影响。由图2和式（6）可知，当工作应变片接在桥臂时，温度补偿片应该接在桥臂，这样，当温度在试验过程中有变化时，由于电阻，电阻和所产生的温度变化对应的电阻变化值也是相同的，故相应的电压变化也等于零。即在读数中排除了试验过程中温度波动所产生测量误差。一般来说，电阻变

6、化量要比初始的电阻值小很多（仅约2%左右）。为了使测量值具有较高的精确度，电阻应变仪都需将信号放大后输出。另外为了适应不同灵敏系数的电阻片，电阻应变仪上都装有可调灵敏系数旋钮。在试验时，必须将旋钮上的值调至电阻片灵敏系数的数值，这时，电阻应变仪上的读数才能表示为应变的真实数值，若，需要对读数进行修正。其修正公式为： （7）（3）受压元件上的应力测定一般来说，大多数压力容器处于轴对称结构，其应力分量有（径向应力）、（周向或环向应力）、（轴向应力）和（径向与环向之间剪切应力）。对于承受内压的压力容器的外壁来说，有，因此其状态处于平面应力状态。由于只有两个应力分量，也没有剪切应力分量，该应力分量即为

7、主应力，其方向分别平行及垂直于对称轴，在这种情况下，只需在两主应力方向各贴一个电阻片，测量它们的应变和后，根据广义虎克定律即可求出主应力的数值为 （8）式中材料的弹性模量，对于材料（常温下）； 为材料的泊松比，对于材料。将各测点的应变值代入上式，即可求出各测位置的应力值。2、计算机辅助自动测试原理图7 应力测试原理示意图计算机辅助自动测试过程的接线原理图如图7所示。将应变片用502胶水粘贴在元件上将要测试的某点处，用导线与其引线焊接在一起。若采用手动操作测试，导线的另一端与DH3818型静态测试仪相连，该测试仪可对每个测点分别自动平衡。三、实验装置与与仪器1、实验装置图8 计算机模拟仿真测试实

8、验平台计算机模拟仿真检测实验操作平台如图8所示。图中标注说明如下：1椭圆形封头与筒体；2回油管及排空管；3球形封头与筒体；4计算机操作平台； 5筒体上的压力表；6排污口；7平封头与筒体；8锥形封头与筒体；9油泵出口油管；10叶片泵；11电动机；12贮油罐；13压力传感器与变送器；14架子；15阀门；16球形封头与椭圆形封头在平台上的压力表；17平封头与锥形封头在平台上的压力表；18变频器的操作面板；19控制椭圆形封头的PID控制器；20控制平盖封头的PID控制器；21控制台上的总电源开关；22PID控制器的电源开关；23PID调节器控制变频器的转换开关；24控制球形封头的电磁阀开关；25控制平

9、盖封头的电磁阀开关；26计算机操作键盘。图9 封头的基本尺寸及结构图其中四个封头及筒体的基本尺寸如图9所示。2、测试仪器及操作简介（1）DH3818型静态测试仪：DH3818静态应变测试系统由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材料应力试验中多点的静态应变应力值。其特点有：1、 手控状态时，大屏幕数码显示测量通道和输入应变量，且可通过功能键设置显示通道、修正系数及平衡操作。2、 程控状态时，与计算机的RS-232接口进行数据通讯，最大程度上满足了对便携式仪器的要求。3、 自动平衡。4、 内置标准电阻，全桥、半桥、1/4桥连接方便。（2）XSC/AP

10、ID控制仪PID控制仪与各类传感器、变送器配合，可实现对温度、压力、液位、成份等过程量的定值控制。其主要的技术参数精度有：5、 测量周期：0.3s6、 控制周期: 0.375.0S,可设置7、 测量精度: 0.2%F.S1个字, 自动对温漂、时漂进行补偿8、 测量分辨率:1/16000, 14位A/D转换器9、 显示范围: -1999-999910、 热电阻输入导线电阻: 小于20其操作面板如图15所示，其中各符号的意义如下：测定值显示屏幕；图15 PID控制面板示意图设定值显示屏幕；其中“AH”、“AL”、“AHH”、“ALL”为指示灯。设定键。在控制状态下，按住2秒以上不松开则进入设置状态

11、。在设置状态下，显示参数符号时，按住2秒以上不松开进入下一组参数或返回测量状态。左键。在PID自动控制下，按住6秒以上不松开启动自整定。在设置状态下，调出原有参数值，移动修改位。MOD键。在控制状态下，进行手动/自动切换。在设置状态下，存入修改好的参数值。增加键。在手动控制输出时，增加控制输出。在设置状态下增加参数数值或改变设置类型。减小键。在手动控制输出时，减小控制输出量。在设置状态下减小参数数值或改变设置类型。（5）MicroMaster440标准变频器MicroMaster440是用于控制三相交流电动机速度的变频器。它由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率

12、输出器件。因此其具有很高的可靠性和功能的多样性。MicroMaster440具有缺省的工厂设置参数，且具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。MicroMaster440既可用于单独驱图16 BOP操作面板动系统，也可集成到自动化系统中。本实验装置中采用了BOP基本操作面板，如图16所示。面板上各符号的意义如下：状态显示。LCD显示变频器当前的设定值；起动电动机。按此键启动变频器。缺省值运行时，此键是被封锁的，为了使此键的操作有效，应设定P0700=1；停止电动机。改变电动机的转动方向。按此键可以改变电动机的转动方向。电动机的反向用负号表示或用闪烁的小数

13、点表示。电动机点动。在变频器无输出的情况下，按此健，将使电动机启动，并按预定的点动频率运行。功能。此键用于浏览辅助信息。变频器在运行中，在显示任何一个参数时按下此键并保持不动2秒钟，将显示出一系列的参数。访问参数。按此键即可访问参数。增加数值。按此键即可增加面板上显示的参数数值。减小数值。按此键即可减小面板上显示的参数数值。3、测试所需工具及器材（1）器材有：四位电桥、兆欧表、电吹风、25W电铬铁、剥线钳、剪刀、钢尺；（2）易耗品有：常温用电阻应变片、连接片、502粘接剂、丙酮、药棉、0.2mm的连接导线、焊锡膏、焊锡丝、松香、铁砂纸等。四、实验方法与步骤1、实际测试操作步骤（1）在所测封头上

14、粘贴应变片第1步：用四位电桥测量各应变片的电阻值，并记录其电阻值。第2步：用钢尺在封头表面上量好距离，并作好定位工作。然后用细砂纸对其表面打磨，再用丙酮清洗干净。第3步：用502粘接剂将电阻值相近的电阻应变片粘贴在某个已确定的位置上，用每个电阻应变片的附近再粘贴一片连接片，贴好后，用电吹风微吹一下所粘贴好的应变片和连接片。第4步：对连接片表面打磨，然后将应变片的上线焊接到连接片上。第5步：焊接连接导线。先将已编好号码导线的塑料皮剥出3mm左右，然后用电铬铁打上锡焊，再将其与应变片的引线焊到一起。注意，焊点要求光滑小巧，防止虚焊。第6步：用四位电桥检查每个应变片的电阻值，并记录其电阻值。第7步：

15、用兆欧表检查各应变片的绝缘电阻值，要求大于50M。第8步：将测量的导线固定在封头上。用密封胶将应变片密封，防止其受潮。（2）调试测量仪器并清零（2）给封头及筒体旋加载荷第1步：打开控制平台上的总电源开关；接通PID控制仪的电源。第2步：选择对应的PID控制仪，在其上设置给定值。其过程如下：11、 按住键2秒以上不松开直至显示；12、 按键，调出已设定的参数值，这时会显示出已设定的值如：；13、 按键移位，在显示屏上将会显示当前位，这时可以按该键1次，即可移动1位，如此循环。14、 按键将会减小当前位的数值，每按1次，当前数字将下降1，如此循环下去。15、 按键将会使当前位的数字增加，每按1次，

16、当前数字将增加1，如此循环下去。16、 按键存入设定值关退出设置状态。第3步：旋转操作平台上的旋钮“23”（如图8），使其与当前的PID控制仪相对应。第4步：旋转电磁阀控制开关旋钮“24”或“25”（如图8），使其处于升压位置。第5步：启动电机。在变频器BOP控制面板上按启动键“”，电动机开始启动。（3）读数第1步：依次加栽，当压力表和PID控制仪上的压力读数保持稳定时，就可以读出相应的应变数值。第2步，依次缷栽，当压力表和PID控制仪上的压力读数保持稳定时，就可以读出相应的应变数值。（4）关闭电源五、实验报告与要求1、简述实验目的、原理、方法及基本步骤；2、画出所贴电阻应变片的位置及编号；3、进行数据处理（1）完成理论计算；（2）利用公式（7）和（8），将实测值换算成应力值并列表表示；（3）将实测值与理论计算结果进行比较，并用相对误差表示；4、画出所测封头外壁应力的分布曲线（包括实测值和理论读计算）；5、结合所学的知识，对上述实验结果进行分析讨论。表1：封头外壁应变测试数据记录表封头类型：编号学号距离压力应变表2 实验数据分析表压力值（KPa）封头类型编号平均应变环向应力（KPa）轴向应力（KPa）环向轴向理论实测FEM误差理论实测FEM误差123456789