專利名稱：彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力測量橋路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彎扭組合試驗(yàn)裝置，更具體地說是彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力測量橋路。
背景技術(shù)：
電阻應(yīng)變測量技術(shù)是工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)應(yīng)力分析的主要手段之一，并廣泛應(yīng)用于機(jī)械、土木、 航空航天等各工程技術(shù)領(lǐng)域。學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變測量原理，掌握其測量方法和技術(shù)，并能熟練加 以應(yīng)用，是工科院校學(xué)生，特別是工程技術(shù)類專業(yè)學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)基本實(shí)驗(yàn)技能。因而， 電測應(yīng)力實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少的重要內(nèi)容之一，其中"圓筒彎扭組合實(shí)驗(yàn)"是電測應(yīng) 力實(shí)驗(yàn)的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是測量彎扭組合變形下的主應(yīng)力以及指定截面 上彎矩、扭矩、剪力等內(nèi)力素?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)變片布置方案，在主應(yīng)力、彎矩和扭矩測 量時(shí)精度較高，但是測量剪力時(shí)的誤差很大，超過50%，已經(jīng)失去實(shí)驗(yàn)意義。
實(shí)驗(yàn)方式-
圖l、圖2和圖3所示，實(shí)驗(yàn)裝置是由鋁合金圓筒懸臂1和與其呈90角的曲拐2所構(gòu) 成，由彎扭組合變形受力特點(diǎn)可知，A、 C兩點(diǎn)為純剪切應(yīng)力狀態(tài)，兩點(diǎn)沿45°和-45°方向 的線應(yīng)變分別為
<formula>formula see original document page 3</formula>
式中^和^分別表示扭轉(zhuǎn)和彎曲切應(yīng)力。測量時(shí)，將A、 C兩點(diǎn)應(yīng)變花中的45"方向和-45'
方向敏感柵連接成如圖4所示的全橋橋路，則彎曲切應(yīng)力的測量值為
<formula>formula see original document page 3</formula>
(2)
式中S
<formula>formula see original document page 3</formula>
:(t45。h _(S45。h +&45。)C -((45。)C為橋路實(shí)際輸出值。代入下式
測—16(l + " + "2)頻 W 可以得到I-I截面上的剪力，其中《 = 3/1>， & Z)分別為圓筒l的內(nèi)、外徑。當(dāng)作用在曲拐端部的載荷F-100N時(shí)，I-I截面上剪力的理論值為F。"00N。實(shí)驗(yàn)時(shí)，
采用等量逐級加載法，表l為一組實(shí)測數(shù)據(jù)。根據(jù)表l實(shí)測數(shù)據(jù)，測得1-I截面上的剪力為 157.61N，與理論值的相對誤差達(dá)57.6%。
表1電橋的實(shí)際測量輸出值
載 荷尸/N50150250350450
應(yīng)變儀讀數(shù)^ /ps34102171239307
誤差分析
根據(jù)電阻應(yīng)變片測量原理，應(yīng)變片測得應(yīng)變?yōu)槊舾袞诺钠骄鶓?yīng)變，近似等于敏感柵中心
位置處的應(yīng)變。當(dāng)采用45°-3直角應(yīng)變花進(jìn)行測量時(shí)，由于敏感柵中心與測量點(diǎn)不重合，在 采用全橋測量彎曲切應(yīng)力時(shí)，只能抵消扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，而附加的彎曲正應(yīng)力無法消除，從而導(dǎo) 致測量誤差很大，由圖5也可以看出，除了橫向效應(yīng)和粘貼方位的影響之外，剪力測量的主 要誤差是由于應(yīng)變花敏感柵中心位置的應(yīng)力狀態(tài)與被測點(diǎn)純剪切應(yīng)力狀態(tài)不一致造成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力 測量橋路， 一方面作為實(shí)驗(yàn)裝置，不僅能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，同時(shí)能對 剪力進(jìn)行有效的測量，從而增加新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改造為提高型實(shí)驗(yàn)；另一方面為工程結(jié)構(gòu)中 類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供借鑒。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
本發(fā)明彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力測量橋路的結(jié)構(gòu)形式是采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié) 構(gòu)，由鋁合金圓筒懸臂和與其呈90角的曲拐構(gòu)成，在所述鋁合金圓筒懸臂的被測橫截面外 圓周上，按照應(yīng)變花A、應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的順序，依次呈90角間隔布置四
只45°-3直角應(yīng)變花； 本發(fā)明結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是-
在沿所述圓筒懸臂的軸線方向上，應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的朝向相同，應(yīng)變 花A與其它三只應(yīng)變花朝向相反，并且以測量點(diǎn)所在圓周位置為對稱中心；
接入測量橋路中的是應(yīng)變花A和應(yīng)變花C的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應(yīng)變花 A的-45'方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B,應(yīng)變花A的45"方向敏感柵接 入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應(yīng)變花C的-45"方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A 和輸出端D，應(yīng)變花C的45'方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
本發(fā)明按照已有技術(shù)中的應(yīng)變花布置方式，將A點(diǎn)處的應(yīng)變花旋轉(zhuǎn)18(T粘貼，則可同
時(shí)消除扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和附加的彎曲正應(yīng)力，從而提高剪力的測量精度。與已有技術(shù)相比，本發(fā)
明有益效果體現(xiàn)在
1、 本發(fā)明裝置中45。方向和-45。方向敏感柵中心點(diǎn)所在橫截面處的剪力和扭矩均不z變，
彎矩變化不超過2%，因而可近似認(rèn)為其應(yīng)力狀態(tài)保持不變。
2、 本發(fā)明裝置不僅能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，同時(shí)還能對剪力進(jìn)行有 效的測量， 一方面豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增添了實(shí)驗(yàn)的思考性和趣味性，加深了學(xué)生對應(yīng)力 狀態(tài)概念和組橋原理及方法的理解，另一方面為工程結(jié)構(gòu)中類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供了借 鑒。


圖l為實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為I一I橫截面上的測點(diǎn)位置示意圖。 圖3已有技術(shù)中應(yīng)變花布置方式示意圖。 圖4為已有技術(shù)中的剪力測量橋路示意圖。 圖5為應(yīng)變花結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明應(yīng)變花布置方式示意圖。 圖7為本發(fā)明裝置用于剪力測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8為本發(fā)明裝置用于扭矩測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9為本發(fā)明裝置用于附加彎曲正應(yīng)力測量的橋路結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標(biāo)號l鋁合金圓筒懸臂、2曲拐。 以下通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步描述
具體實(shí)施例方式
參見圖l、圖2和圖6，本實(shí)施例按照已有技術(shù)中的應(yīng)變花布置方式，將A點(diǎn)處的應(yīng)變花
旋轉(zhuǎn)18(T粘貼。圖中示出，與已有技術(shù)相同的是，采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié)構(gòu)，由鋁合金
圓筒懸臂1和與其呈卯角的曲拐2構(gòu)成，在鋁合金圓筒懸臂1的被測橫截面外圓周上，按照
應(yīng)變花A、應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應(yīng)
變花。與已有技術(shù)所不同的是在沿圓筒懸臂1的軸線方向上，應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花 D的朝向相同，應(yīng)變花A與其它三只應(yīng)變花朝向相反，并且以測量點(diǎn)所在圓周位置為對稱中心。
本實(shí)施例彎扭組合試驗(yàn)裝置在內(nèi)力素測量上的應(yīng)用 應(yīng)用之一剪力的測量
A、 C兩點(diǎn)處應(yīng)變花中的45'方向和-45'方向敏感柵中心點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以看成單向應(yīng)
力狀態(tài)和純剪切應(yīng)力狀態(tài)的疊加。根據(jù)廣義胡克定律，采用本實(shí)施例布片方案時(shí)，其沿柵長 方向的線應(yīng)變分別為
/<formula>formula see original document page 6</formula>轉(zhuǎn)和彎曲切應(yīng)力，ctm為附加彎曲正應(yīng)力。
將A、 C兩點(diǎn)處應(yīng)變花中的45。方向和-45。方向敏感柵按圖7分別接入橋路，g|3:應(yīng)變 花A的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應(yīng)變花A的45°方向敏感柵 接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應(yīng)變花C的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端
A和輸出端D，應(yīng)變花C的45"方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋
測量橋路。
則輸出的測量應(yīng)變f，為
測得的剪力為<formula>formula see original document page 6</formula>可以看出，采用新的貼片方式，同時(shí)消除了扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力和附加彎曲正應(yīng)力，可以獲得較 為準(zhǔn)確的剪力測量值。
應(yīng)用之二扭矩測量
采用本實(shí)施例貼片方式，如果仍選擇A、 C兩點(diǎn)的應(yīng)變花測量扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將無法消除
敏感柵中心點(diǎn)的附加彎曲正應(yīng)力。這樣，會增加扭矩的測量誤差，對測量精度產(chǎn)生不利影響。本實(shí)施例中，選擇B、 D兩點(diǎn)處應(yīng)變花的45'方向和-45'方向敏感柵來測量。這些敏感柵中
心點(diǎn)的彎曲切應(yīng)力很小，近似為零，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與A、 C點(diǎn)相同。其沿柵長方向的線應(yīng)變分 別為
, 、 l + v 1 — 1/
(C 。)；？=--rT +-<T
45°/S 五 T 2五
(5)
1+v l-v
丄=--rT--C
1+V l—V
"5°/D 五 T 2五
式中O"為B點(diǎn)彎曲正應(yīng)力。
將B、 D兩點(diǎn)應(yīng)變花中的45。方向和-45。方向敏感柵按圖8接入橋路，艮P:
將應(yīng)變花B的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應(yīng)變花B的45°方
向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應(yīng)變花D的45°方向敏感柵接入測量橋路的
輸入端A和輸出端D，應(yīng)變花D的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，
構(gòu)成全橋測量橋路
則輸出的測量應(yīng)變s，為
, 、 , 、 / 、 , 、 4(1+ v)
S頂—(S"5。)S +(、。)。 一&一45。)。 =~^~&
測得的扭矩為
測=64(1 + " ^測
測量結(jié)果與原來選擇A、 C兩點(diǎn)應(yīng)變花的測量效果一致。 應(yīng)用之三附加彎曲正應(yīng)力測量
采用本實(shí)施例貼片方式，可增加測量A、 C兩點(diǎn)應(yīng)變花附加彎曲正應(yīng)力的新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。將 A、 B、 C、 D四個(gè)測量點(diǎn)應(yīng)變花中的45'方向和-45'方向敏感柵按照圖9分別接入測量橋路， 即
接入測量橋路中的是應(yīng)變花A、應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的45'方向和-45°方向敏 感柵，應(yīng)變花B的-45°方向敏感柵和應(yīng)變花A的45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸 入端A和輸出端B;應(yīng)變花B的45'方向敏感柵和應(yīng)變花A的-45'方向敏感柵串聯(lián)，再接入 測量橋路的輸入端C和輸出端B;應(yīng)變花C的-45'方向敏感柵和應(yīng)變花D的45。方向敏感柵 串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端A和輸出端D;應(yīng)變花C的45"方向敏感柵和應(yīng)變花D的-45°方向敏感柵串聯(lián)，再接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路
根據(jù)惠斯登電橋串聯(lián)橋路的特點(diǎn)，并結(jié)合(4)和(5)式，可得輸出測量應(yīng)變e^為
<formula>formula see original document page 8</formula>
測得的附加彎曲正應(yīng)力為 —五
CTM = J3^&測
該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅可巧妙地測量出產(chǎn)生剪力的誤差來源(附加彎曲正應(yīng)力)，而且將 惠斯登電橋串聯(lián)橋路應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而加深學(xué)生對橋路的認(rèn)識，拓寬視野。
權(quán)利要求
1、彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力測量橋路，采用鋁合金圓筒懸臂曲拐結(jié)構(gòu)，由鋁合金圓筒懸臂(1)和與其呈90角的曲拐(2)構(gòu)成，在所述鋁合金圓筒懸臂(1)的被測橫截面外圓周上，按照應(yīng)變花A、應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應(yīng)變花；其特征是在沿所述圓筒懸臂(1)的軸線方向上，應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的朝向相同，應(yīng)變花A與其它三只應(yīng)變花朝向相反，并且以測量點(diǎn)所在圓周位置為對稱中心；接入測量橋路中的是應(yīng)變花A和應(yīng)變花C的45°方向和-45°方向敏感柵，所述應(yīng)變花A的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端B，應(yīng)變花A的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端B，應(yīng)變花C的-45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端A和輸出端D，應(yīng)變花C的45°方向敏感柵接入測量橋路的輸入端C和輸出端D，構(gòu)成全橋測量橋路。
全文摘要
彎扭組合試驗(yàn)裝置中的剪力測量橋路，其裝置由鋁合金圓筒懸臂和與其呈90角的曲拐構(gòu)成，在鋁合金圓筒懸臂的被測橫截面外圓周上，按照應(yīng)變花A、應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的順序，依次呈90角間隔布置四只45°-3直角應(yīng)變花；其特征是在沿圓筒懸臂的軸線方向上，應(yīng)變花B、應(yīng)變花C和應(yīng)變花D的朝向相同，應(yīng)變花A與其它三只應(yīng)變花朝向相反，并且以測量點(diǎn)所在圓周位置為對稱中心。本發(fā)明能在彎矩、扭矩方面獲得較高的測量精度，能對剪力進(jìn)行有效的測量，從而增加新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并能為工程結(jié)構(gòu)中類似構(gòu)件的內(nèi)力測量提供借鑒。
文檔編號G01L1/22GK101487748SQ200910008289
公開日2009年7月22日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者劉一華, 吳枝根, 昊 李, 王美芹, 詹春曉 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)