动应力实验（共8篇）
动应力实验 篇1
引言
对冲击动应力问题的分析是以冲击物的动能全部转化为被冲击物的应变能为基础进行的, 教科书中及一些工程应用中都是如此处理的[1,2,3,4,5,6]. 这种近似解法将复杂的冲击问题进行简化, 得出了动荷系数的概念并借此计算动应力. 尚需补充的是, 应该对该方法的近似程度有更明确的理解.
为了研究冲击动应力问题实际与理论结果的差别程度, 我们设计制造了一套冲击动应力实验装置, 利用动态应变测试技术, 测量悬臂梁受冲击载荷作用时的应变, 得到了动荷系数. 实验结果与材料力学理论值相对差18%～20%. 为了对实验结果的理解更加深刻, 我们对这一过程利用ANSYS/LS-DYNA软件进行了数值模拟, 提取悬臂梁的动态应变时程曲线, 计算动荷系数. 此软件数值模拟冲击动应力的可靠性是被认可的[7,8]. 数值计算结果与实验值相对差不超过3.1%, 与理论值相对差是14%～23%.这一结果可用于材料力学教学中, 加深学生对冲击动应力分析方法的认识, 也有助于工程应用中作参考.
1 实验研究
1.1 实验装置设计
实验装置如图1 所示. 悬臂梁右端固定, 在图示位置上下共粘贴4 片应变片, 组成全桥. 重锤由锁扣连接在丝杠上, 通过旋转手轮带动丝杠来调节重锤的冲击高度. 重锤沿导向柱自由下落, 以保证每次冲击时锤的冲击刃与梁的接触位置一致. 采用高频动态电阻应变仪 (东华DH3841, 频率范围是30 k Hz) 测量悬臂梁的静态和动态应变, 再通过高分辨率A/D转换采集卡 (ADLink DAQ-2213, 最高采样频率为250 k Hz) , 将应变信号输入计算机. 根据静态和动态测试结果, 可以计算出冲击动荷系数. 悬臂梁长 × 宽 × 高为300 mm × 30 mm × 13 mm.重锤自重F = 12.76 N, 材料与梁一致, 弹性模量E = 200 GP, 泊松比 µ = 0.26, 密度 ρ = 7 800 kg/m3.
1.2 实验原理
材料力学理论动荷系数计算公式如下:
式中, H为落锤高度;∆st为冲击点的静挠度.
实验动荷系数为
式中, εd为最大动应变测量值;εst为静应变测量值.
1.3实验测试结果与分析
1.3.1 实验应变波形曲线
图2 是冲击高度H分别为10 mm, 40 mm, 80 mm时, 典型的动态应变波形曲线. 从图中可以看出, 梁受到重锤冲击后, 测量位置的应变逐渐增大, 历经8 ms左右应变达到最大值, 随后应变逐渐变小, 之后梁趋于自由振动.
1.3.2 实验测试结果
实验结果见表1.
实验中, 每组高度重复进行3 次实验, 每次测量动应变的最大值列于表中, 3 个最大值的平均值为 εd, 与静应变 εst之比为实验动荷系数kd1. 若以实验结果为准, 理论值与实验值之间的相对差如表1 所示. 冲击高度为80 mm时相对差最大, 为19.15%, 冲击高度为10 mm, 40 mm时的相对差分别为18.28% 和18.20%, 3 种冲击高度的相对差波动范围不超过1%.
2 数值计算
2.1 计算模型和冲击动画
为了对实验结果的理解更加深刻, 用ANSYS/LS-DYNA软件对同一冲击过程进行了数值模拟, 计算模型与梁 (包括重锤) 的实际尺寸一致.重锤和梁均采用LS-DYNA中的solid164 单元 (8 节点六面体单元) . 由于主要计算冲击过程中梁的动应变响应, 梁的有限元网格划分较密, 整个模型共有2664 个单元. 图3 给出了重锤从初始位置开始下落, 与悬臂梁碰撞并达到最大变形位置这一过程的几个动画截图.
2.2 应变时程曲线
图4 给出了冲击高度H分别为10 mm, 40 mm, 80 mm时, 对应实际梁粘贴应变片位置的单元应变时间历程曲线, 上述曲线与实验测试的曲线变化趋势一致, 只是自由振动时的幅值比实验结果高70µε左右.
表2 给出了LS-DYNA计算结果.
为了便于比较, 表2 中列出了计算值与实验值之间的相对差和理论值与计算值之间的相对差. 从表2 中可看出, 数值计算值与实验值比较接近, 冲击高度为40 mm时相对差最大, 为3.07%. 冲击高度是80 mm时, 理论值与计算值相对差较大, 达22.18%, 而冲击高度为40 mm时理论值与计算值相对差最小.
材料力学理论分析中, 能量全部转化的假设要求冲击物的自重较小, 冲击时自身的应变能相对小, 以满足上述假设. 但是实验设计中, 不能将冲击物设计地太小, 否则静应变太小, 影响到测量的准确性.为此, 又计算了冲击物重量仅为原重锤1/10 的情况. 重锤冲击高度仍是10 mm, 40 mm和80 mm, 对应的动荷系数和理论值与计算值相对差分别为29.26, 63.30, 81.50 和18.67%, 8.10%, 18.22%.这一结果说明冲击物自重在实验和数值计算的取值范围内影响不大, 可以用来与理论结果相比较.
3 讨论
(1) 对比图2 和图4 可知, 数值模拟和实验在冲击过程中非常相似, 数值也一致, 不太一致的是之后自由振动的部分, 数值模拟的振幅大于实验测量的振幅. 原因是, 实验时, 重锤冲击后 (由于导向柱的限制) 保持与梁接触, 随梁一起振动, 数值计算时 (无导向柱) 重锤冲击后被弹开, 梁独自振动, 从而导致两者振幅的不同. 但是这对文中的结果并不影响, 因为所计算的动荷系数取决于冲击动应变的峰值, 动应变达到峰值时, 重锤肯定还没有被弹开.
(2) 近年来出版的有些教材中都提到了, 梁受冲击后应力以波的形式在梁中传播, 而非瞬时传遍全梁[1,3,4]. 在某一时刻, 应力波的主要能量可能会集中于梁的一部分上, 而不像静载那样应变能按弯矩的大小分布. 教科书中的假设与实际的差别可能是理论结果与实验结果相对差为19% 左右的主要原因.
(3) 图2 和图4 的动应变曲线中都出现很多毛刺 (或小波动) , 其中一部分是测量噪声, 但是主要的并非是测量噪声. 重锤冲击到梁后, 在重锤内产生一压力脉冲, 该脉冲传到锤的上表面后反射成拉应力脉冲. 该拉应力脉冲再传到锤与梁的接触面时, 会减小一点锤对梁的压力. 此脉冲的一部分会再反射回锤内, 循环作用于梁, 也会导致小波动的产生. 由图2 和图4 可以看出, 实验曲线和数值模拟曲线的小波动形态是相似的, 这也可以看作是一种证明. 当然, 若冲击物的材料和被冲击物不同, 或者冲击物的形状不同, 都会影响冲击时应力波的透射和反射, 曲线毛刺的多少与形态也会因此而发生改变.
4 结论
基于所开发的冲击动应力实验装置, 利用动态应变测试技术, 测量了在不同冲击高度下的动荷系数. 确定材料力学的经典理论值与实际值相对差是18%～20%. 利用ANSYS/LS-DYNA软件对同一问题进行了数值模拟, 模拟结果与实验值相对差不超过3.1%, 与理论值相对差是14%～23%. 实验和数值模拟起到相互印证的作用. 这一结论可以在材料力学教学中说明, 使学生对冲击动应力问题的模型、理论和误差范围有更清晰的理解, 也有助于在工程应用中参考.
摘要：为探究以材料力学理论为基础的冲击动应力问题实际与理论结果的差别程度, 设计开发了冲击动应力实验装置, 并测量了重锤在不同冲击高度下冲击悬臂梁的动荷系数.同时利用ANSYS/LS--DYNA软件对同一问题进行了数值模拟.动荷系数模拟结果与实验值的相对差不超过3.1%, 与理论值相对差在14%～23%之间.实验和数值模拟起到相互印证的作用.这一结论加强了对冲击动应力问题的模型、理论和误差范围的理解, 在实际应用中有助于对误差范围的判断.
关键词：冲击动应力,动荷系数,数值模拟,教学实验
参考文献
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动应力实验 篇2
扩展厢式车厢体在运输过程中,必然承受着由于路面不平引起的随机振动.在建立了扩展厢式车厢体运输状态下有限元模型的基础上,对其在路面随机激励下的`应力响应进行了分析计算,并对计算结果进行了分析.结果表明,扩展厢式车厢体满足动强度要求,除局部高应力区外,厢体大多数部位动应力都较低,今后应在满足其他性能要求的前提下进行等强度设计.
作 者：李慧梅 蒋美华 LI Huimei JIANG Meihua 作者单位：李慧梅,LI Huimei(军事交通学院,汽车工程系,天津,300161)
蒋美华,JIANG Meihua(军事交通学院,科研部,天津,300161)
叠合梁的应力分布实验 篇3
关键词：叠合梁,应力分布,性能,实测值,理论值
1 实验部分
1.1 主要仪器
主要仪器:XL3418材料力学多功能实验装置, XL2118系列力&应变综合参数测试仪, 游标卡尺, 钢板尺。
1.2 实验方法
叠合梁使用Q235普通钢材与普通钢材 (以下简称钢钢) , 普通钢材与铝合金 (以下简称钢铝) 两种情况不粘合组成, 钢钢与钢铝组合截面尺寸及长度不变, 叠合梁应变片在梁跨中截面上, 沿截面高度前、后布置八片平行于梁轴线的应变片, 从梁顶面到底面每隔5 mm布置一片, 编号从上到下为1号～8号。采用钢梁与钢梁叠合, 钢梁与铝梁叠合 (钢梁置于下方) 两种情况进行实验。梁的截面尺寸:宽度b=20 mm, 高度h=40 mm, 跨度L=600 mm, 加载点到支座距离a=150 mm。泊松比μ=106。钢梁的材料为低碳钢, 其弹性模量E钢=206 GPa, 铝合金的弹性模量E铝=70 GPa。
将试件和仪器安装到位后, 接通静态电阻应变仪线路 (采用全桥温度补偿接法) , 校准好仪器, 接通电源, 实验开始。本实验采用转动手轮加载的方法, 荷载大小由与荷载传感器相连的测力仪显示。梁的纯弯曲正应力的测量—弯曲正应力沿垂直于梁长方向的分布, 拟定大位移 (ΔP=400 N) 和小位移 (ΔP=200 N) 两种不同的加载方案Pj (j=1, 2, 3…) 。每增加荷载增量ΔP, 通过两根加载拉杆, 使得梁距两端支座为a处分别增加作用力
2 理论部分
2.1 钢铝应力理论公式
弹性模量比值系数:
叠合梁的形心公式:
其中, A1, A2分别为铝梁与钢梁截面积;yc1, yc2分别为铝梁与钢梁截面积的形心位置。
叠合梁的惯性矩:
其中, h1, h2分别为铝梁与钢梁截面高度;a1, a2分别为铝梁与钢梁截面形心到叠合梁形心的距离。
铝梁截面应力值:
σ铝
钢梁截面应力值:
σ钢
其中, y1, y2分别为铝梁与钢梁计算应力处截面离叠合梁形心的距离。
2.2 钢钢应力理论公式
钢梁与钢梁组合时钢梁截面应力值是上述n=1的情况:
σ钢
3 结果与讨论
3.1 实验数据及处理
将不同组合及加载方式采集到的ΔP—Δε数据取平均值进行处理得到如表1所示的结果。
根据实验数据, 从钢钢及钢铝组合分别在ΔP=200 N和ΔP=400 N所得到的ΔP—Δε和ΔP—ε曲线中分析, 得到钢钢, 钢铝与整梁在荷载作用下的弯矩分布情况比较 (见图1～图3) 。
3.2 实测值与理论值的误差比较
1) 钢钢不粘合。
钢钢不粘合情况下实测值与理论值的误差比较见表2。
2) 钢铝不粘合。
钢铝不粘合情况下实测值与理论值的误差比较见表3。
4 结语
1) 从实验中可以看到:在相同的加载方式下, 钢钢上下两梁的应变情况相同, 钢铝中铝梁的应变值大于钢梁的应变值, 说明受不同材料性能的影响, 叠合梁应力分布也不同。因此, 在实际工程中, 可以选用不同材料进行叠合, 使各种材料充分发挥其性能, 避免材料的浪费。2) 叠合梁的理论值和实测值相差很小, 大部分测量点的误差控制在5%以内。考虑应变片的贴片、材料加工、安装位置、动力疲劳等引起的误差, 可认为理论值与实测值之间的误差已控制在容许范围内。因此, 本次实验实际工作情况与理论设想基本吻合。3) 不管是钢钢还是钢铝, 当ΔP增加一倍时, 其实测应变值也近似增加一倍, 从而从加载方式的角度确保了本次实验的准确性。由于本组成员知识有限, 尚未对实验结果进行更深刻的分析。
参考文献
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光应力测试实验的创新与教学实践 篇4
力学实验是基础力学类课程的重要组成部分, 其工程应用性较强。东南大学在强化基本型实验的基础上, 将自主研究学习型实验作为培养学生独立工作能力的途径, 把研究能力和创新精神的培养融合在各个实验环节中, 学生普遍反映收获很大。光应力是一种被各种领域广泛使用的技术, 用于测量试件表面的应变, 以便确定静、动态测试中零件或结构上的应力。调查表明, 由于传统光弹仪操作复杂, 视场小, 对模型要求也比较高, 并且价格昂贵, 所以不可能让每个学生都去操作。多年来, 各校都是以演示实验为主, 即以教师操作, 学生看为主, 或少部分学生做, 大部分学生看, 这将导致学生在实验过程中, 完全依赖老师布置好的步骤进行操作, 不动脑筋、理论和实际脱节, 实验操作技能差、独立性差, 遇到问题则一筹莫展等情况, 很难调动学生的实验兴趣及思考问题的积极性, 达不到培养学生实验能力的目的。因此, 如何改进装置使其符合低成本的同时又能满足实验精度要求, 成为我们研究的重点。
创新型光应力测试实验装置, 以透射光弹实验为基础, 吸取传统光弹仪的核心概念, 着眼于本科教学验证性实验和演示性实验以及在此基础上的学生自主改进研究的可行性和可操作性, 去除传统光弹仪用于达到本科教学实验中并不需要的过高的精密性要求而所做的复杂结构, 由于其成本低、直观、操作简单, 同时在此装置的基础上学生可自主设计制作实验模型或结构, 并通过光应力测试实验, 立即识别出临界区域、明显的应力超强和应力不足的区域、峰值应力及环绕在孔、槽口、内圆角周围的应力集中情况。极大地激发了学生的自主创新能力, 符合本科教学实验装置的要求。
一、光应力测试实验装置的创新
传统光弹仪不仅仪器庞大占地面积大、价格昂贵、携带不便, 而且必须在暗房中进行试验, 因此极大地制约了教学实验在开展, 通常是小班化演示实验为主。由于精密光学元件的特性, 通常不可能让每个学生都自主去操作, 导致学生兴趣不浓厚, 看完以后很快就忘了, 更缺少了让学生思考这一环节。
1. 直观光弹试样。
我们发明了直观光弹试样, 已获实用新型专利授权, 这样可在电子试验机上和明亮的教室开展光应力教学实验。此项发明, 主要技术特点是在常规透射试样表面涂覆偏振膜技术和涂覆反射膜技术, 弹性体与光弹材料合为一体, 适合开展规定项目的演示实验和基本型实验。
2. 低成本光应力实验。
低成本光应力实验装置由加载单元、测力单元、LED光源、CCD数字摄像机和试样组成。为体现廉价和普及的原则, 加载单元采用了蜗杆直接加载方式, 测力单元采用低成本的电子秤改装组成。LED光源加偏振镜 (选用摄影器材商用品) 提供单色或白色偏振光, CCD数字摄像机加偏振镜可记录样品的图像。教学试样主要采用消除应力PC板, 可实现1至2人一组。由于PC板加工方便, 可由学生自主设计试样。该装置适用于透射式光应力实验和反射式光应力实验。可开展DIY光测实验和SRTP等教学实验。
通过上述技术创新, 我校不仅可开设常规光应力演示性实验, 还可在电子材料试验机上及明亮教室里开设静载条件下的透射式及反射式光应力测试实验和动载下的光应力测试实验。由于学生们有自主设计实验的热情, 故此项教学实践取得了很好的教学效果。
二、教学实验和研究性实验
我校开设了应力集中光应力实验, 直梁三点或四点弯曲实验, 动载 (循环载荷) 条件下的光弹教学实验等。学生在透射式光应力装置上完成了直梁损伤与应力状态实验, 缺口试验拉伸条件下的光测实验。学生在反射式光应力装置上完成了各类模型的实验研究, 其中SRTP两项, 毕业设计一项。我们利用上述自制设备, 连续四届开设了研究性实验教学活动, 学生在这项教学活动中不仅仅学习了研究方法, 还要求学习学术交流的方法, 要求学生按正式出版科技论文格式要求撰写研究报告。实践证明这有利于培养学生数据处理和分析能力, 同时能培养学生撰写科技论文的能力及科学表达能力。学生已完成的研究性实验有:光弹效应教学演示试样的制作方法, 匀质光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 匀质光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 匀质光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究, 含损伤光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 含损伤光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 含损伤光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究, 补强光弹四点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 补强光弹三点弯曲试样的等差线检测的实验研究, 补强光弹悬臂梁试样的等差线检测的实验研究, 应力集中现象的光弹实验研究, 预应力光弹实验研究等。
自制光应力测试实验装置用于本科教学实验, 保留其核心部分, 去繁就简, 利用有限的低成本资源, 制作出了能够完成材料力学等基本实验内容并且简单明了的小型光弹实验装置, 同时这种装置由于其简明、直观、易懂、易操作的特点, 不仅可以克服传统光弹仪带给学生的压迫感和畏惧心理, 还能激发学生的新奇感, 引发学生一探究竟的兴趣。更重要的是, 由于其成本低廉、制作方便, 学校可以做到让所有的学生人手一台, 自主研究。通过研究性实验的教学实践, 学生学会了实验方案的设计、试样的加工、相关标准的应用、实验数据的处理与表达, 激发了学生学习的积极性、主动性和创造性, 提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力, 培养了学生观察、动手和动脑的技能, 学习了撰写科技论文。
研究性实验教学是实验教学改革和创新的一种举措, 体现了以人为本的教育思想, 有利于创新人才的培养, 使实验教学真正成为学生学习知识、培养能力的基本方法和有效途径。
参考文献
[1]黄跃平, 胥明, 韩晓林.工程力学实验指导书[M].南京:东南大学出版社, 2009.
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动应力实验 篇5
采用具有高重复性的组合式激波管,驱动具有不同混合比例的甘油/乙醇液体,并利用高速摄影机对气/液界面上的RM不稳定性和RT不稳定性的发展进行了实验研究,获得激波驱动液体抛撒的气 / 液界面的高速摄影照片。
1实验装置与方法
图1为实验装置示意图的正视图。装置垂直设置,主要由三部分组成,位于底部的是长为1 000 mm、横截面形状为40 × 20 mm2的矩形、充满氮气的高压段; 位于中部的是长为1 000 mm、横截面同样为40 × 20 mm2的矩形、内部为1个大气压空气的低压段; 位于上部的是试验段,其正面为梯形,底部宽40 mm,高度为600 mm,扩张角为15°,试验段的上部开口与环境大气相连。高压段和低压段均由不锈钢制成,试验段由于光学测量的需要,所用材料为10 mm厚的高韧性高透光度的PETG板。
图2为实验装置示意图的侧视图。氙灯光源通过透镜形成平行光束,垂直穿过液体抛撒扩张段并通过Photron Fast Cam SA4高速摄影机记录流场图像。高速摄影机的帧频为10 000帧/s,快门速度为1 /95 000 s,图像分辨率为512 × 768像素。
高压段和低压段之间由厚度为0. 15 mm的1# 聚酯薄膜隔开,其破膜压力为0. 95 MPa,获得马赫数为1. 63的运动激波。试验段和低压段用厚度为0. 01 mm的2#聚酯薄膜隔开,并在试验段的下方注入53. 4 m L的实验液体。实验液体如图1和图2中灰色部分所示,其正面为底部宽40 mm、高度50 mm的梯形,厚度为20 mm。实验时在高压段充入高压氮气,1#聚酯薄膜在两侧压力差的作用下破膜并在低压段内形成运动激波,激波到达压力传感器Ch1时,压力传感器产生一个电脉冲信号,此信号经电荷放大器增强后进入同步控制仪,经过适当延时后触发高速摄影机。激波继续向上运动,冲破2#聚酯薄膜后驱动实验液体形成液体的扩张抛撒。
2实验结果和分析
2.1实验工况
实验所用液体为乙醇和甘油的混合物,通过改变两种液体的混合比例改变实验液体的黏性系数。 1#聚酯薄膜的厚度为0. 15 mm,获得相同马赫数激波作用下的不同粘性系数的液体轴对称抛撒。实验中激波管和试验段的截面均为矩形,初始扰动主要分布在不锈钢壁面和界面的中心,可近似认为是一个二维轴对称问题。具体实验参数如表1所示。
2.2工况6的时间序列
图3是工况6所获得的高速摄影照片,从2#聚酯薄膜在激波作用下破膜并驱动实验液体开始加速运动到液体环发生破碎,总时间为8. 0 ms。
从图中可以看出,RT不稳定性和RM不稳定性是从实验液体与下方高压气体的接触面上发展起来的,而实验液体与其上方的大气界面并没有扰动波的形成。实验中气液两相界面上不稳定性的发展分为两个阶段。第一个阶段为2#聚酯薄膜发生破膜后,激波在气液两相界面上发生透射和反射所形成的RM不稳定性。第二个阶段为激波驱动实验液体向上方加速运动的过程所形成的RT不稳定性。
该气液两相流动的流体力学方程组由连续性方程、动量方程、界面速度相容条件等方程共同构成[10],其连续性方程为:
动量方程为N-S方程
在气液两相界面上,法向速度和切向速度连续
由于不锈钢法兰对光线的遮挡,实验中无法直接观察到RM不稳定性的形成与发展过程,即界面不稳定性发展的初期。从图3( a) ,图3( b) 可以看出,由于下方高压气体的推动作用,实验液体向上方做加速运动。在后方激波的绕射和液体在固壁面边界层的共同作用下,实验液体的上端由平面逐渐变成圆形。
对于初始阶段的RM不稳定性,界面在瞬间获得一个有限速度,加速度可写成
此时扰动方程为
利用 δ 函数的性质可得:
该阶段的RM不稳定性的扰动随时间线性增长。
如图3( b) 所示,实验时间为3. 2 ms时,实验液体与下方高压气体的界面进入透明观察窗,可以清晰的看到在RM不稳定性与RT不稳定性的共同作用下,界面上存在着一定的扰动波,且扰动波沿横向随机地分布在界面上。随着气液两相界面向上方运动,扰动逐渐增长。
如图3( e) 所示,在扰动波发展的过程中,甘油/ 空气混合区中气泡的前缘基本保持圆形。而尖钉的发展由于受到周围的液体以及壁面的拖拽,尖钉的头部有雾化的迹象。图3( f) 为8. 0 ms时液体发生破碎的图像。可见实验液体的前端已经发生首次破碎,完整的液体块破碎成丝带状的液体碎片,而尖钉的端部发生了局部的雾化,即图3( f) 中部的黑色阴影部分。
2.3不同工况的首次破碎比较
图4是不同工况下实验液体即将发生首次破碎时的高速摄影照片。工况1 ~ 工况6的实验液体的粘性系数依次逐渐增大。可以看出,随着黏性系数的增加,实验液体发生首次破碎的位置随之逐渐变远。
该过程中实验液体的加速度垂直于气液两相界面,且加速度方向朝上,即加速度由低密度液体指向高密度液体,此过程为典型的RT不稳定性的扰动增长。根据RT不稳定性理论,假设初始界面上具有k波矢的简谐扰动波
η( x,0) = εcoskx;
η( x,t) = aentcoskx。
可得
ρ1和 μ1分别为甘油的密度和粘性系数,ρ2和 μ2分别为气体的密度和黏性系数。该方程可以通过迭代的方法来计算扰动波的增长系数n。通过计算可以得出,随着液体黏性的增大,增长系数n随之降低,RT不稳定性随之减弱。可见由于黏性力的存在,不稳定性的发展将受到抑制。
3结论
采用高速摄影对不同液体在激波驱动下的抛撒进行实验研究。主要结论如下。
( 1) 本实验方法可以实现具有可重复性的液体扩张抛撒,并能获得RT不稳定性和RM不稳定性发展过程的时间序列。但由于不锈钢法兰对于光线的遮挡,无法观察界面不稳定性发展的早期过程。
( 2) 在不稳定性的发展过程中,RM不稳定性随时间线性增长,RT不稳定性随时间非线性增长。 在扰动波发展的过程中,两相混合区中气泡的前缘基本保持圆形。而尖钉的发展由于受到周围的液体以及壁面的拖拽,尖钉的头部有雾化的迹象。
( 3) 由于黏性应力存在,不稳定性的发展将受到抑制。且随着黏性系数的增大,扰动波的增长系数随之减小。
摘要：利用组合式激波管和高速摄影机,获得不同工况的气液界面不稳定性发展直至发生首次破碎的高速摄影照片。实验结果表明,RT不稳定性和RM不稳定性均随时间增长。在扰动波发展的过程中,两相混合区中气泡的前缘基本保持圆形,而尖钉的头部在发展过程中有雾化的迹象。由于黏性的存在,不稳定性的发展将受到抑制,且随着黏性系数的增大,扰动波的增长系数随之减小。
关键词：RT不稳定性,RM不稳定性,扰动波,黏性系数
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动应力实验 篇6
近年来, 对纳米结构陶瓷涂层的研究、开发和应用已引起了各国政府和材料科学界的高度重视, 美国康涅迪克大学Zhang B.等人对WC、Al2O3等结构陶瓷涂层材料的磨削机理和加工损伤进行了系统的研究, 并得出了一些有意义的结论。美国政府已在纳米结构涂层材料制备技术及其后续精密加工技术的研究上投入了大量的资金。日本用激光在研磨过的人造单晶金刚石上切出大量等高性一致的微小切刃, 对硬脆材料进行精密磨削加工的研究, 德国在这一研究领域也有比较强的研究能力。目前我国对纳米陶瓷材料超精密磨削加工的研究才刚刚起步, 这些研究主要集中在制备方法和结构表征方面, 在纳米结构陶瓷涂层精密磨削方面最近才出现少量几篇报道, 至于磨削表面残余应力, 工程陶瓷磨削表面残余应力方面有田欣利等做了一些研究, 而在纳米陶瓷涂层磨削表面残余应力方面, 到目前为止, 只有少数人对它进行了部分研究。
由于磨削条件影响磨削表面残余应力, 那么不同的磨床和砂轮、不同的磨削参数对磨削表面残余应力的影响规律是怎样的呢?最好的解决办法是先在磨床进行磨削实验, 然后用X射线衍射仪测量。本文正式对这样的磨削实验进行设备选择和参数设计, 为后续研究做准备。
1 实验用设备
1.1 磨床
磨削实验在杭州机床厂生产的超精密平面磨床MGK7120×6 (如图1所示) 上进行, 磨床的主轴进给精度为0.1μm。机床的静刚度为20N/μm。在机床上安装了一个能对砂轮进行无极调速的调速装置。砂轮的最高转速为3000转/分, 其线速度为31.4m/s。
本机床主要是用砂轮周边磨削工件的平面, 也可以用砂轮的端面磨削工件的槽和凸缘的侧面, 磨削精度较高。
机床采用十字拖板移动式, 拖板上、下、纵、横导轨均为双V型滑动导轨。工作台纵向运动由齿轮油泵驱动, 运动平稳, 拖板横向运动由油马达驱动。
磨头垂直进给是通过FANUC单轴数控微机系统, 控制交流伺服电机, 驱动蜗杆副, 带动垂直丝杆副, 作垂直进给, 由于采用了交流伺服电机控制系统, 进给灵敏度高, 自动磨削循环结束, 工作台始终停止在纵向运动的右端。
磨头轴承采用双联成对高精度滚动轴承, 回转精度和刚性较高。该机床的精度性能比较好。
1.2 砂轮
试验采用三种金刚石砂轮磨削纳米结构WC/12Co涂层材料。这三种金刚石砂轮是由东京金刚石砂轮公司提供的。
在实验中, 分别采用二种不同粒度号和两种不同粘结剂类型的SD600N100B、SD600N100V、SD2000N100V的三种不同砂轮来磨削试件, 以便于分析砂轮粒度 (600V与2000V) 、粘结剂类型 (600B与600V) 等各种磨削参数对磨削表面残余应力的影响。砂轮的外径为Ф200mm, 内径为Ф32mm。通过砂轮径向挤压作用在薄铅片上复印砂轮的表面形貌, 利用SEM通过计算单位面积上的磨粒压痕数来测量砂轮表面的磨粒密度, 砂轮型号和参数性能见表1。
金刚石砂轮使用前必须和法兰盘装配, 装配之后必须调平衡。平衡时使用平衡块来保证静平衡。调平衡后的砂轮必须修整, 在平面磨床上修整到一定标准, 修整的方法为用制动式砂轮修整器和GC杯状砂轮修整器 (绿色碳化硅砂轮修整器) 修整金刚石砂轮。
2 X射线衍射仪
本次实验在一台德国产SIMENS D5000型X射线衍射仪上进行磨削表面残余应力的测量, 仪器的重复精度为0.001°。用40k V和40m A的Cu靶提供Kα单色纯辐射。
本次实验在一台德国产SIMENS D5000型X射线衍射仪上进行磨削表面残余应力的测量, 仪器的重复精度为0.001°。在磨削表面残余应力的测量中, 一般使用铜靶Cu-Kα辐射, 衍射晶面为WC101晶面, 查PDF卡片可知, 对应的无应力衍射2θ0=48.266°, 入射波长为1.54056nm, 石墨单色器。分别测量平行磨削方向和垂直磨削方向的2θi, 试验时所选取的渍i分别为0°、10°、20°、30°。
采用X射线衍射法检测残余应力是根据弹性力学及X射线晶体学理论进行的。
对于理想的多晶体, 在无应力的状态下, 不同方位的同族晶面面间距是相等的, 而当受到一定的宏观残余应力时, 不同晶粒的同族晶面面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化, 从而使X射线衍射谱线发生位偏移, 根据位偏移的大小则可以计算出残余应力的大小。
下式是X射线衍射分析计算残余应力的基本公式:
式中E为弹性模量, v为泊松比, θ0为所选晶面在无应力情况下的衍射角, 渍为试样表面法线与所选晶面法线的夹角, 2θ渍为样品表面法线与衍射晶面法线为渍时的衍射角, K为应力常数 (当选定某一特定的晶面簇和入射线波长时, K为常数, 故称为应力常数) , M为2θ渍对sin2渍的斜率。σ为实验中所要测试的表面残余应力, 它为平面 (二维) 应力, 处于被衍射晶面法线和样品表面法线所决定的平面与样品表面交线方向, 这种方法也叫sin2渍法。如图3.6所示, 图中渍0为入射线与表面法线间的夹角, η为入射线 (衍射线) 与晶面法线的夹角。
3 磨削实验
为了能够测量纳米结构WC/12Co涂层磨削后表面残余应力, 必须先磨削试件, 然后才能拿到X射线衍射仪上去检测表面残余应力。
实验前采用制动式碳化硅砂轮修整器38A60-M8VBE对金刚石砂轮进行整形, 整形砂轮Z向进给率为5μm/行程和1μm/行程, 通过千分表测量砂轮的径向跳动量低于±2μm之后, 整形完成, 接着采用WA150G或WA600G的氧化铝油石对整形后的砂轮进行靠磨实现修锐, 修锐时间为15分钟左右。
为了使修整后砂轮表面的磨粒稳定, 砂轮以10mm的磨削深度在氧化铝块 (65×14×9 mm3) 上进行试磨, 在铝块上去除6mm左右的厚度。实验时用环氧树脂把n-WC/12Co涂层试件粘结在夹具上, 再通过四个M8螺钉把夹具固定在测力仪上。由于试件粘结不平及本身喷涂存在缺陷的原因, 刚开始磨削时不能磨到整个试件长度, 故要以极低的磨削深度进行磨削, 直到整块试件都磨到为止, 磨削好的试件备用。
磨削实验中, 采用了平面磨削方式, 往复式逆磨, 水基冷却液, 使用了SD600B、SD600V、SD2000V三种砂轮, 磨削了25×4×2.0mm3的试件17个。还有经表面喷涂n-WC/12Co涂层的未磨试件1个, 共计18个试件。为了研究磨削用量及砂轮特性对n-WC/12Co涂层磨削后表面残余应力的影响, 分别采用了不同的磨削深度, 对600B及600V砂轮, 磨削深度设定为2、5、10和15μm, 对2000V砂轮, 磨削深度设定为1、2和5μm。工件进给速度分别为20、30和50mm/s, 砂轮转速均为主轴的最大转速 (50Hz) 31.4 m/s。将磨削好了的试件放置于室温干燥通风的水平台面上, 然后再用X射线衍射仪检测磨削表面残余应力。
4 结论
纳米结构WC/12Co (n-WC/12Co) 涂层材料是近年来国内外迅速发展的一种新型工程材料, 其优良的性能使其在工程上有着广泛的应用前景。在用金刚石砂轮的磨削加工中引入了残余应力, 降低了零件的强度。本文以近些年来新出现的纳米碳化钨/钴 (n-WC/12Co) 陶瓷涂层材料为磨削对象, 选择卧式平面磨床、采用二种不同粒度号和两种不同粘结剂类型的SD600N100B、SD600N100V、SD2000N100V的三种不同砂轮来做磨削试件实验, 用X射线衍射仪进行残余应力的测量实验, 为后续分析砂轮粒度和粘结剂类型等各种磨削参数对磨削表面残余应力的影响做准备。
摘要：以近年来新出现的纳米结构碳化钨/钴 (n-WC/12Co) 陶瓷涂层材料为磨削对象, 巧妙选择磨削实验用磨床和三种砂轮, 利用X射线衍射仪等设备, 通过设计磨削参数, 为纳米结构陶瓷涂层的磨削实验和表面残余应力的测量及后续研究“磨削参数对磨削表面残余应力的影响规律”提供依据。
关键词：纳米结构陶瓷涂层,磨削,表面残余应力,实验设计
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动应力实验 篇7
1 实验装置
实验装置的结构示意图如图1(a)所示.圆筒用铝合金制成,其外径D=40mm,内径d=34 mm,材料常数E=70GPa,v=0.33.在圆筒I-I横截面处的外表面上下边缘和中性轴前后处分别粘贴了一个45°-3直角应变花,测点位置及应变花布置方式展开示意图如图1(b)和图1(c)所示.测量弯曲切应变时,将A,C两点的45°和-45°敏感栅连接成如图2所示的全桥桥路,采用等增量4级加载,载荷增量为100 N,取应变增量的平均值作为测量值,其值为68.25με.
根据弯扭组合变形的受力特点可知,A,C两点为纯剪切应力状态,如图3所示,其中
式中τT和τQ分别表示扭转切应力和弯曲切应力
由广义胡克定律,A,C点沿45°和-45°方向的线应变分别为
按照图2所示方式接桥测量时,应变仪输出的由弯曲切应力所产生的理论应变值为
其中α=d/D.在载荷F=100N作用下,按式(3)计算得到的理论值为ε理=43.40με,实验值和理论值的相对误差达57.26%.
2 误差分析
产生上述实验误差的因素很多,除了横向效应和粘贴方位的影响之外,弯曲切应变测量的主要误差是由于应变花敏感栅中心位置的应力状态与被测点的纯剪切应力状态不一致所造成的.用电阻应变片测量应变时,所测得的应变反映的是敏感栅中心点处的应变.而A,C两点处应变花的45°和-45°敏感栅的中心点与A,C两点不重合,其相对位置如图4所示,图中l=2.5mm,a=3mm.相应的应力状态如图5所示,其中
式中,τ'Q为敏感栅中点的弯曲切应力,为敏感栅中心到中性轴的距离.在考虑敏感栅中心位置的影响后,A,C两点的45°和-45°敏感栅按图2所示方式接桥测量时,由应变仪输出的理论应变值为
比较式(3)和式(6)可以看出,由于τQ和τ'Q数值相差不大,所以弯曲切应变的测量误差主要是由于敏感栅中心点的弯曲正应力引起的.当载荷F=100N时,由式(5)可得σM=1.50 MPa.根据式(6)可知,该应力值由应变仪输出的应变为28.73με.扣除此应变后,由弯曲切应力引起的应变测量值为39.52με,与式(3)所得理论值的相对误差为8.94%.
3 改进方案
通过以上误差分析可以看出,由于应变花自身结构的特点,在测量弯曲切应变时,敏感栅中心的应力状态与被测点的应力状态不一致.在采用图2所示的测量桥路时,只能抵消扭转切应力的影响,而弯曲正应力的影响无法消除.根据惠斯通电桥的特点,只要选择合适的贴片方式和桥路,便可同时消除扭转切应力和弯曲正应力的影响,从而提高弯曲切应变的测量精度.
基于上述思想,对贴片方式进行如下改进:将A点(或C点)处的应变花旋转180°,如图6所示.此时,A,C两点处45°和-45°敏感栅中心点的应力状态如图7所示,A点处应变花的45°敏感栅中点为拉应力,-45°敏感栅中点为压应力,数值可近似认为与改进前一致.由广义胡克定律可得,A,C两点处45°和-45°敏感栅中心点沿栅长方向的线应变分别为
仍采用图2所示测量桥路,则由应变仪输出的理论应变值为
由式(8)可以看出,采用图6所示的改进贴片方式后,可以同时消除弯曲正应力和扭转切应力的影响,从而获得较为准确的弯曲切应力的测量值.
为了验证上述实验方案的准确性,在应变花布置方式改进后的实验装置上进行加载实验.仍采用等增量4级加载,载荷增量仍为F=100N,取应变增量平均值作为测量值代入式(8),得到弯曲切应力的测量值为0.59MPa.根据式(4)得到的理论值为0.57 MPa,两者的相对误差仅为3.5%.
4 结论
采用新的应变花布置方式后,在测量弯曲切应力时,可以同时消除弯曲正应力和扭转切应力的影响.实验测量结果也表明,在新的布置方式下,弯曲切应力的测量精度有了很大的提高,满足测量精度的要求.
参考文献
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动应力实验 篇8
残余应力消除是多种工程领域中的一个重要实践环节,也是一个多方面知识与技术相互融合,多学科知识综合应用的过程。由于残余应力消除过程凝聚了多方面知识的综合运用,从培养学生角度出发,残余应力消除实验不但能够从工程实际应用方面培养学生解决工程实践能力,而且还以学生的动手能力、创新能力、研究能力和综合设计能力。因此,消除残余应力综合实验平台的建设对培养适应于社会发展人才十分必要,对培养新型人才具有重要意义。
1 平台原理
基于振动理论消除应力的方法是将工件(包括铸件、锻件、焊接结构件等)在其固有频率下进行数分钟至数十分钟的振动处理,消除其残余应力,使尺寸精度获得稳定的一种方法。它的基本原理是以振动的形式给工件施加附加应力,当附加应力与残余应力叠加后,达到或超过材料的屈服极限时,工件发生微观塑性变形,从而降低和均化工件内的残余应力,并使其尺寸精度达到稳定[4]。比较典型的振动消除应力是以施加静力或者静力矩方式实现消除应力并达到稳定精度效果,这种方式中附加动力形式主要以冲击、随机振动或周期振动(包括共振)为主。它的主要实现方法是将激振器牢固地夹持在被处理工件的适当位置上,通过对振动设备进行某些参数的测量并进行控制,根据工件固有频率调节激振频率,直至使联结在工件上的振动传感器(速度计或加速度计)所接收的信号达到一个最大值,这时标志工件已达到共振状态。在这种状态下持续振动一段时间,即可达到消除应力、稳定尺寸精度的目的。
根据以上原理,本文采用电机带动击振机构,给工件施加振动力,用传感器获取工件振动频率,并对其进行频谱分析。根据频谱分析结果调整电机转动速度实现击振机构频率的调整,使工件与击振机构发生共振,并根据工件振动幅值与时间关系调整击振时间,进而消除工件残余应力。
随着振动理论、测试技术和激振设备等迅速发展,利用共振方式消除应力已成为一种有效途径,以某种振动方法在工件共振频率下进行振动,可以缩短振动处理时间,消除应力和稳定精度的效果更好,能源消耗也最少。特别是随着虚拟仪器的发展,信号处理完全可以采取软硬件混合分析与处理方法,可以将高复杂高费用的硬件交予虚拟仪器来完成,这既降低了费用,要降低了系统实现的复杂程度。
2 平台架构
为了培养学生的动手能力、创新能力和面向工程实际应用能力,本文基于模块化思想构建实验平台。根据平台原理,消除工件残余应力过程需要采集击振机构振动频率和工件振动频率,采集和控制电机转速,调理采集信号和控制信号,分析击振机构振动幅度和频率与电机转速的关系,分析工件振动幅值与时间关系,对工件振动进行频谱分析,因此本文将整个平台划分为软件模块和硬件模块两大部分,如图1所示。硬件模块包括传感器子模块、模数转换子模块、通信子模块、电机驱动子模块、脉宽调速子模块、通用MCU控制单元、IO扩展板和电源子模块等。软件模块包括FFT(快速傅里叶变换)子模块、通信子模块、数据采集子模块、鉴频子模块、滤波子模块、频域分析子模块、谱分析模块和IO操作子模块等。
在硬件方面,由于平台采用开放式和模块化方式设计,学生可以灵活自由地搭建消除残余应力的采集电路和控制电路。同时,学生也可以自行思考和设计采集电路和控制电路,并通过IO扩展板接入通用MCU控制单元。在软件模块方面,由于软件比硬件具有更强的柔韧度,学生不但可以采用已有的软件模块对数据进行分析与处理,并返回控制相应硬件模块,还可灵活自由地根据相关算法设计和编写相应的数据处理程序,并通过通信接口返回控制硬件模块。例如电机调速子模块既可以采用硬件调整方式,也可以采用软件调整方式进行,但是软件调整不但可以实现电机的速度变化控制,而且还可以实现加减速度控制,可以使电机按照梯形加减速等方式运行。本平台不论硬件还是软件方面均可由学生自选方案、自行设计、自组模块和扩展设计进行原理性验证实验、综合性实验、创新实验、研究性实验和面向工程实际应用实验等多种实验。本文所提出的综合实验平台,由于采用开放性模块化和虚拟仪器技术相结合的方式构建,使其具有了实验组建方式灵活多变,开出实验类型丰富,成本低等优点,是培养学生动手能力、创新实践能力、独立分析能力和解决工程实践能力的良好综合实验平台。
3 平台实现
3.1 硬件实现
根据硬件模块架构,综合考虑各硬件部分性价比,本文选取ATMEL128芯片作为MCU单元的核心处理器;选取AD7321芯片作为模数转换子模块的核心部件并以AD8251芯片为程控放大辅助部件;选取5v/12v/24v/36v四档输出开关电源作为电源子模块;电机驱动模块用于驱动无刷直流电机,其核心部件选取带霍尔传感器的三相无刷直流电机专用驱动芯片EC302;选取TL494芯片作为脉宽调速子模块的核心部件;传感器子模块设有电压型、电流型和电阻型传感器接口,并添加了各类型的处理调理电路。以AT-MEL128芯片作为核心处理器的MCU单元,具有较高的运行速度,经过对核心处理器扩大内存之后,该MCU能够满足比较复杂的运算,适合于本平台的各种外围控制和资源调度。以AD7321芯片为核心的模数转换子模块,具有12位转换精度,并且在AD8251程控放大芯片的辅助下,该模块可采集量程更大,可将平台扩展到其它领域的实验。传感器子模块模块接口类型较多,适合于多种传感器类型的接入,非常有利于开设多传感器实验。平台主要硬件模块原理图如图2所示。
3.2 软件实现
随着测试技术和虚拟仪器技术的迅速发展,将虚拟仪器技术与通用硬件相结合,测试和控制设备对象已成为现实。由于虚拟仪器技术投入要远比时机硬件投入小得多,因此运用虚拟仪器技术将软件代替部分硬件处理的办法,将会使得综合实验平台在具有全硬件功能的基础上,投入费用更低,复杂程度也得到降低,维护更加便捷,扩展性更强[5]。
Labview(Laboratory Virtual instrument Engineering)是一种图形化编程语言,已广泛应用于数据采集和仪器仪表控制等领域。由于labview集成了多数通信协议,满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡均可以通过labview进行数据采集、测试和控制。由于labview内置了信号处理、硬件输入输出、便于应用TCP/IP和ActiveX等库函数,基于labview的软件编程变得更加灵活、更加强大和更加便捷[6][7]。同时,由于labview还提供了与C语言、matlab等混合编程接口,基于labview的数据处理表现出了优越的性能。
消除残余应力过程需要传感器获取实验对象的振动频率和振幅等,并对这些信息进行信号调理、时域到频域转换、幅频分析、频谱分析和幅相分析,同时向外部输出模拟量信号和数字量信号以控制外部击振机构运动状态。由于labview在信号处理方面集成了多种算法和多种接口,基于labview的信号处理变得更方便捷。Labview不但为虚拟仪器编程、实际硬件访问接口、数据采集、系统控制和信号处理等提供了便捷途径,提高仪器系统的设计、测试和研究效率,还可以激起学生浓厚的认知兴趣与探究兴趣,有利于增强学生构建复杂实验系统能力、面向实际工程应用能力和综合设计能力。
基于Labview实现的消除残余应力综合实验平台可根据实际实验要求,灵活自行设计实验。为了方便学生通过进行相关实验,平台提供了各个模块的子程序和调用范例,主要程序如图3所示。学生可以直接调用这些模块子程序,通过修改参数对实验对象进行分析、研究和控制。由于平台具有开放、灵活的特点和labview的便捷编程,学生可根据实际实验对象自行思考、设计和编写程序。
结语
残余应力消除是一个多方面知识综合运用的过程。针对社会发展对人才培养的新要求,本文通过分析了消除工件残余应力原理,基于实验教学改革理念,引入开放式模块化和虚拟仪器技术构建了消除残余应力综合实验平台。通过兼顾了软件硬件的优点,平台能够为学生开出创新实验、综合设计实验、研究性实验和面向工程应用实验等多种实验,为了培养学生的创新实践能力、自学能力、独立分析能力、多学科知识综合运用能力和解决工程实践能力提供了重要途径,对培养适应于社会发展的人才具有重要意义。
摘要：研发了基于开放式模块化和虚拟仪器技术的消除残余应力综合实验平台。平台兼顾了软硬件的优点,能够为学生开出创新实验、综合设计实验、研究性实验和面向工程应用实验等多种实验,为了培养学生的创新实践能力、自学能力、独立分析能力、多学科知识综合运用能力和解决工程实践能力提供了重要途径。
关键词：虚拟仪器技术,消除残余应力,综合实验平台
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