在進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)形狀和實(shí)際載荷條件的復(fù)雜性，采用常規(guī)的力學(xué)理論很難進(jìn)行準(zhǔn)確合理的計(jì)算分析。近年來(lái)，有限元分析技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作中得到了廣泛的應(yīng)用，但其成本很高，又不能完全滿足要求。因?yàn)榧僭O(shè)的簡(jiǎn)化條件與實(shí)際情況有出入，特別是對(duì)鑄造件，其內(nèi)部不可避免存在氣孔、縮松等缺陷，材料的連續(xù)性遭到破壞，應(yīng)力分布與理想狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，如仍用有限元分析計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大的誤差；因此，用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果非常必要。

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)是一種較好的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，它利用金屬材料在受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形的特性，采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件，將產(chǎn)品表面應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化，然后用應(yīng)變測(cè)量?jī)x將電阻再轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，經(jīng)放大、檢波、測(cè)量、記錄，最后將應(yīng)變換算為直觀的應(yīng)力。

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)典型應(yīng)用

案例一

組合承力索座是某公司研制的新產(chǎn)品，材質(zhì)為ZG270-500。由于它的結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)復(fù)雜，同時(shí)鑄造工藝易形成內(nèi)部缺陷，很難進(jìn)行有限元分析，采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證的情況簡(jiǎn)要如下：

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在組合承力索座危險(xiǎn)斷面上選取測(cè)點(diǎn)，并在受力方向明確的測(cè)點(diǎn)上，粘貼應(yīng)變片；對(duì)受力方向不明確的測(cè)點(diǎn)，粘貼應(yīng)變花。共布置了8枚應(yīng)變花和4枚應(yīng)變片。

然后模擬產(chǎn)品的實(shí)際工況進(jìn)行安裝和施加載荷，測(cè)量不同狀態(tài)下各點(diǎn)的應(yīng)變大小，最后進(jìn)行計(jì)算，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力。

應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，蓋板上危險(xiǎn)部位的實(shí)際應(yīng)力值超過(guò)了允許應(yīng)力。設(shè)計(jì)人員根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)重新設(shè)計(jì)，加大了相關(guān)部位尺寸厚度，同時(shí)加大圓弧過(guò)渡外半徑，避免應(yīng)力集中。重新進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，結(jié)果合格。從而大大縮短了組合承力索座研制周期，確保了使用安全。

案例二

某公司使用的銅合金套管鉸環(huán)發(fā)生質(zhì)量事故后，全線三萬(wàn)多套需要全部更換，可供選擇的替代產(chǎn)品有鍛鋼96式和鍛鋼92式。這兩種型式進(jìn)行有限元分析都合格，并有自己的優(yōu)勢(shì)。到底選用哪一個(gè)是個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。

為了用數(shù)據(jù)驗(yàn)證，對(duì)這兩種產(chǎn)品分別進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。根據(jù)銅質(zhì)實(shí)際斷裂部位及有限元分析計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力危險(xiǎn)部位在抱箍與連接平板過(guò)渡處。為此，在兩種抱箍上布置了9枚應(yīng)變花，另外在每個(gè)U型螺栓上也布置了5枚應(yīng)變片。測(cè)試結(jié)果表明，96式產(chǎn)品各別危險(xiǎn)部位的應(yīng)力值接近允許應(yīng)力值，與有限元分析結(jié)果相差較大；92式產(chǎn)品的安全裕度更大，應(yīng)力值普遍比96式產(chǎn)品的小，與有限元分析結(jié)果相近，從而科學(xué)決策提供了技術(shù)依據(jù)。

案例三

定位夾環(huán)是某城市地鐵第一次使用的一種新產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)小巧輕便，由于壁厚只有3mm，看起來(lái)很薄，業(yè)主有些擔(dān)心質(zhì)量問(wèn)題。后通過(guò)應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證，結(jié)果合格。

應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題

測(cè)試部位的選擇

測(cè)試的主要目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品的最薄弱部位是否合格，若測(cè)試部位選擇不當(dāng)，有可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。一般是利用有限元分析結(jié)果并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇。

粘貼應(yīng)變片

應(yīng)變片粘貼水平的高低直接決定整個(gè)測(cè)試的成敗。產(chǎn)品表面打磨的不夠平、清洗不干凈、粘劑太多或太少、壓緊力不均勻、壓緊時(shí)間不夠等，都可能造成應(yīng)變片與產(chǎn)品粘貼不好而在測(cè)試過(guò)程中開脫，導(dǎo)致失敗，必須特別注意。

常量E、μ值的選用

常量E、μ值一般設(shè)計(jì)手冊(cè)中都可以查到，作為一般測(cè)試，可以直接利用。但材料經(jīng)過(guò)各種工藝加工后，性能有時(shí)會(huì)有較大的變化。因此，在進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)試時(shí)，建議首先測(cè)量出產(chǎn)品的實(shí)際E、μ值。

結(jié)論

應(yīng)變電測(cè)技術(shù)具有測(cè)量精度高、靈敏度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，用于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

使用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加合理、科學(xué)，避免大批量生產(chǎn)后造成的質(zhì)量隱患。同時(shí)可以提高新產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度。