高空作業(yè)平臺是一種用于將作業(yè)人員和工具舉升到指定高度并進(jìn)行高空作業(yè)的一種特殊設(shè)備。通常,在完成高空作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)分析后,有必要驗證樣機(jī)在實際工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否符合設(shè)計預(yù)期。當(dāng)從應(yīng)變測試收集的數(shù)據(jù)十分符合有限元分析的預(yù)期結(jié)果,工程師對理論模型的信心會更高,這將減少設(shè)計耗時和昂貴的原型機(jī)。
應(yīng)變測試是利用應(yīng)變片測量構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗分析方法,借助應(yīng)變片測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同工況下的表面應(yīng)變以及隨時間的動態(tài)應(yīng)變變化和應(yīng)力峰值,為結(jié)構(gòu)設(shè)計安全評估提供了可靠數(shù)據(jù)支持,并進(jìn)一步驗證結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
測試點的確定
通常應(yīng)變片會粘貼在工程師感興趣的高應(yīng)力區(qū)域,以驗證結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,但應(yīng)變片的粘貼位置總是受到多種因素的影響:①不利于應(yīng)變片粘貼和測量的幾何形狀受限區(qū)域,如結(jié)構(gòu)中的圓弧、尖角、焊縫和孔等;②在運(yùn)動機(jī)構(gòu)的行程范圍內(nèi)可能會造成應(yīng)變片損壞的位置;③可能會導(dǎo)致較大測量誤差的應(yīng)力梯度大且范圍小的高應(yīng)力區(qū)域。
在應(yīng)變測試中獲得精確的數(shù)據(jù)比記錄最大和最小預(yù)期值更為重要。在確定測試點的位置時,普遍的做法是將應(yīng)變片布置在最大應(yīng)力點附近,且應(yīng)力變化比較平緩的區(qū)域,以此來推測臨近區(qū)域應(yīng)力分布的有效性,并減小因位置偏差導(dǎo)致的人為誤差。
根據(jù)高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)有限元分析應(yīng)力云圖,選取前傾工況的測試點1、2和側(cè)傾工況的測試點3、4開展應(yīng)變測試。
應(yīng)變片的粘貼
應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量決定了應(yīng)變測試的測量精度,因此選取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用技術(shù)和輔助材料至關(guān)重要。
試件表面處理
試件表面達(dá)到化學(xué)上的清潔狀態(tài)并獲得與粘接要求相適應(yīng)的表面粗糙度,以及提供能見的定位線以便精確定位,這是應(yīng)變片得以牢固粘接在試件表面的必要保證。
應(yīng)變片的粘貼
在高空作業(yè)平臺測試工況中,因無法確定測試點的主應(yīng)力方向,應(yīng)變片選用一款以金屬箔為基體的三向應(yīng)變花。在粘貼應(yīng)變片時,應(yīng)檢查應(yīng)變片是否有折痕,斷絲等缺陷。粘貼全過程應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)完成,并避免任何形式的污染物。
應(yīng)變片的保護(hù)
因機(jī)械損傷、腐蝕和氧化效應(yīng)的影響,應(yīng)變片柵格、基底尺寸和粘結(jié)層的變化都有可能導(dǎo)致電阻值的永久性增加。因此,在完成黏貼后必須提供對應(yīng)變片的保護(hù),通常會在應(yīng)變片表面涂敷風(fēng)干式聚氨酯涂料,在其凝固后再在其表面涂一層蠟。
應(yīng)變測試的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果對比
應(yīng)變測試的工況要確定和結(jié)構(gòu)分析工況相一致,才能更真實的體現(xiàn)結(jié)構(gòu)真實的應(yīng)力狀況??捎善矫鎽?yīng)力狀態(tài)的廣義胡克定律,將測試點在一個完成的工作循環(huán)下的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為最大主應(yīng)力的動態(tài)變化曲線。
各測試點的最大主應(yīng)力曲線如圖。
其中:
AB段-平臺舉升至最大工作高度的過程;
BC段-底盤傾角至分析工況相同的過程;
CD段-施加風(fēng)載荷和手動力合力的過程;
DE段-施加等效合力后機(jī)器的穩(wěn)定階段;
EF段-釋放平臺水平作用力的過程;
FG段-釋放水平作用力后的穩(wěn)定階段;
GH段-平臺下降到收藏初始狀態(tài)的過程。
觀察這四個測試點的最大主應(yīng)力變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)同一工況下臨近的兩個測試點的應(yīng)力曲線相似。這也從一定程度上驗證了整個應(yīng)變測試過程符合預(yù)期。
結(jié)合高空作業(yè)水平的實際工況和測試點的受力情況分析,應(yīng)變儀記錄的是柵格由壓縮狀態(tài)到拉伸狀態(tài)時電阻值的變化,所以應(yīng)力曲線表示的是測試點在工作循環(huán)內(nèi)的最大主應(yīng)力變化范圍。同樣的,還需要計算出測試點在有限元分析中的應(yīng)力變化范圍。有限元分析結(jié)果和應(yīng)變測試數(shù)據(jù)表1。
測試點 | 結(jié)構(gòu)分析應(yīng)力變化范圍(Mpa) | 應(yīng)變測試最大主應(yīng)力 (Mpa) | 結(jié)果偏差(%△) | |
前傾 | 測試點1 | 144.2 | 135.2 | -6.66% |
測試點2 | 182.4 | 164.6 | -10.81% | |
側(cè)傾 | 測試點3 | 92.3 | 97.4 | 5.24% |
測試點4 | 77.6 | 81.3 | 4.55% |
結(jié)論
根據(jù)目前應(yīng)變測試精度和有限元分析方法的局限性,有限元分析和應(yīng)變測試的結(jié)果偏差應(yīng)控制在15%以內(nèi),這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計證明是可接受的。
通過對前傾和側(cè)傾工況熱電區(qū)域測試點的應(yīng)變測試以及和有限元分析結(jié)果的對比,所有測試點的結(jié)果偏差均符合要求,驗證了有限元分析模型的邊界條件設(shè)置和計算算法的選擇是行之有效的,計算出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布能真實反映出高空作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)實際的應(yīng)力狀態(tài)。