CN108106952B - 一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法,属于飞机设计机械结构载荷测量领域。该方法在于:A)、确定结构梁需要测量的截面,截面一定要为双对称截面;B)、在确定的双对称截面上,选取两根对称轴通过的试件表面黏贴直角应变花片;C)、测量梁的实际工作状态下4个花片的应变值;D)、对于常见的圆形截面、圆环截面,得到结构梁材料的弹性模量E与泊松比μ,利用相应公式进行计算截面载荷;E)、对于更为一般的双对称截面,除截面扭矩载荷外,与圆形或圆环截面计算方法一致,而截面扭矩,则需要进行标定,通过标定载荷与应变关系,来反推截面载荷。

Description

一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法
技术领域
本发明涉及一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法,属于飞机设计机械结构载荷测量领域。
背景技术
机械结构中依据平面假设和纵向纤维无正应力假设,很多结构都能假设为梁,如汽车车架、飞机拦阻钩、发动机活塞杆等。这些结构梁在经受高速冲击时会容易破坏,若能测到结构工作时的冲击载荷,可利用载荷可以进行优化设计,改善力的传递路径,从而降低事故发生率。
梁的载荷是指某个截面的轴力、剪力和弯矩。通常建立一个欧拉坐标系,将其分解为三个方向的力和三个方向的弯矩。
所谓双对称截面是指该截面存在两根相交的对称轴,如常见的矩形、圆、工字形等,这样的截面力学特征是截面的剪心与截面形心重合。
传统测量冲击载荷的方法是:在试验室中,将该结构杆件相关的结构当做试验件,模拟结构实际使用时的工况,利用测力装置高速撞击结构梁,通过测力装置测得的载荷得到结构梁所受载荷。此方法存在以下弊端:
a.冲击载荷的测量属于结构瞬态响应范畴,它与冲击物及被冲击物的质量分布、刚度、阻尼分布、接触模式等关系密切,在试验室中很难模拟结构实际工作状态,所测载荷不真实;
b.冲击发生时间通常在毫秒级以下,测量需要大量程,高频响的测力原件才能准确测得载荷的时间历程。将测力元件制成测力装置,很难保证元件本身的频响,且动态标定技术难度很大。
c.结构梁受冲击载荷作用时,其瞬态应力波传播复杂,仅有一个截面加载点,需要具有相当高精度的动力学模型(往往来之不易)才能仿真梁内载荷传递,若能得到多个截面的实测载荷,在相同的模型精度情况下可以提高应力计算精度,给出更为可靠的强度评估。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法,解决实际工作状态下梁受高速冲击时的载荷测量问题。
本发明为了实现上述目的,采用如下技术方案:
一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法,该方法如下:
A)、确定结构梁需要测量的截面,截面一定要为双对称截面;
截面选取的数量依据测量目的及测量设备硬件条件决定。建议选取预估应力较大的截面,因为本方法在测力截面载荷的同时也可测量该截面相应点的应变,可节约测量硬件通道;
B)、在确定的双对称截面上,选取两根对称轴通过的试件表面黏贴直角应变花片;
建立欧拉坐标系,选取梁的形心或剪心为原点,梁长方向为z轴,截面的两根对称轴分别为x轴和y轴,坐标系符合右手定则;直角应变花片黏贴在x、y轴与梁表面相交点,共4片,花片的一条直角边与z轴平行;
C)、测量梁的实际工作状态下4个花片的应变值;
D)、对于常见的圆形截面、圆环截面,得到结构梁材料的弹性模量E与泊松比μ,利用相应公式进行计算截面载荷;
E)、对于更为一般的双对称截面,除截面扭矩载荷外,与圆形或圆环截面计算方法一致,而截面扭矩,则需要进行标定,通过标定载荷与应变关系,来反推截面载荷。
本发明的有益效果:
本发明解决实际工作状态下梁受高速冲击时的载荷测量问题,在试验中准确模拟结构实际工作状态,真实有效;提高应力计算精度,给出更为可靠的强度评估。
附图说明
图1为本发明的梁的双对称截面示意图;
图2为图1A-A面示意图;
图2中:1-第一贴片;2-第二贴片;3-第三贴片;4-第四贴片;
图3为B向第一贴片方向示意图;
图4为C向第三贴片方向示意图;
图5为第二贴片方向示意图;
图6为第四贴片方向示意图;
图7为测量应变值与梁坐标下应变的关系示意图;
图8为梁的扭转标定示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述:
对于选定的结构梁双对称截面,建立梁元坐标系,坐标系原点选在截面的形心O点,x、y轴分别为截面的两根对称轴,z轴顺着梁方向,见附图1所示。
在附图2所示在截面的第一贴片1、第二贴片2、第三贴片3、第四贴片4黏贴直角花应变片,直角花片黏贴方向即定义见附图3、4、5、6所示。选取直角花片的一条直角边原着+z轴方向,将其定为εi_0°,,在梁元坐标系中即为εiz;沿截面方向为εi_90°,在梁元坐标中为εix或εiy;εi_0°与εi_90°成45°方向的应变片即为εi_45°。
由附图7,可知应变片测得的εi_0°、εi_45°、εi_90°,与梁元坐标系的正应变
Figure BDA0001488286520000041
和剪应变γixz、γiyz的关系为:
当i=1、3时
Figure BDA0001488286520000042
当i=2、4时
Figure BDA0001488286520000043
对于常见的圆形截面、圆环截面可按下式计算截面载荷。梁材料的弹性模量为E,泊松比为μ,剪切模量G,且
Figure BDA0001488286520000044
这些材料常数可依据材料手册查得,或通过试验得到。A为截面的面积,Ix为截面对x轴的惯性矩,Iy为截面对y轴的惯性矩,Ip为截面对O点的极惯性矩,R为1、2、3、4点到原点的距离R。
Figure BDA0001488286520000051
Figure BDA0001488286520000052
Figure BDA0001488286520000053
Figure BDA0001488286520000054
Figure BDA0001488286520000055
Figure BDA0001488286520000056
很显然对于圆形(圆环)截面,Mx计算式中的y=R,My计算式中的x=R。
对于更为一般的双对称轴截面,截面扭转Mz引起截面的剪应变不是简单的公式能够计算,只能通过标定的方法来给出载荷与剪应变的关系。其余的截面载荷都与圆形(圆环)截面一致可通过公式计算。标定的方法见附图8所示。将目标梁安装与水平方向夹角为θ,用一根水平方向的刚性梁一端与目标量梁固接于A点,另一端B点挂上砝码。待标定的截面在目标梁上的O点。AO的距离为L,AB的距离为b。在B点放置砝码,逐级加载,测量4个应变片花的应变值。当B点吊挂砝码质量为m,当地重力加速度g,换算到截面的扭矩为:
Mz=-mgbcosθ
结构线性范围内存在:
Mz=K1·(γ3xz1xz)=K2·(γ4yz2yz)
利用一组砝码质量m得到一组γ3xz1xz和γ4yz2yz,进行回归分析,得到最小二乘的K1和K2。
在实际工况测量时,利用标定的K1、K2,得到截面扭转载荷:Mz=[K1·(γ3xz1xz)+K2·(γ4yz2yz)]/2。

Claims (1)

1.一种梁的双对称截面冲击载荷测量方法,该方法的特征在于:
A)、确定结构梁需要测量的截面,截面一定要为双对称截面;
B)、在确定的双对称截面上,选取两根对称轴通过的试件表面黏贴直角应变花片;
建立欧拉坐标系,选取梁的形心或剪心为原点,梁长方向为z轴,截面的两根对称轴分别为x轴和y轴,坐标系符合右手定则;直角应变花片黏贴在x、y轴与梁表面相交点,共4片,花片的一条直角边与z轴平行;
C)、测量梁的实际工作状态下4个花片的应变值;
D)、对于圆形截面、圆环截面,得到结构梁材料的弹性模量E与泊松比μ,利用相应公式进行计算截面载荷;
E)、对于圆形或圆环截面以外的双对称截面,除截面扭矩载荷外,与圆形或圆环截面计算方法一致,而截面扭矩,则需要进行标定,通过标定载荷与应变关系,来反推截面载荷;
所述步骤D中计算截面载荷:
梁材料的弹性模量为E,泊松比为μ,剪切模量G,且
Figure DEST_PATH_IMAGE002
A为截面的面积,
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为截面对x轴的惯性矩,
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为截面对y轴的惯性矩,
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为截面对O点的极惯性矩,R为1、2、3、4点到原点的距离R;
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为梁元坐标系的正应变,
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为梁元坐标系的正应变剪应变;
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure DEST_PATH_IMAGE022
Figure DEST_PATH_IMAGE024
对于圆形或圆环截面,
Figure DEST_PATH_IMAGE026
计算式中的y=R,
Figure DEST_PATH_IMAGE028
计算式中的x=R。
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