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高温应变测试方法与测试系统开发

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-08        点击量:647

工程上经常需要通过测试零件、结构的受力和工作状态,确定应力、应变、位移、力、载荷等力学参数,用以解决工程结构和机械的强度刚度的问题。目前的趋势是工程测试和有限元理论计算相结合,理论计算和实测相结合,相互验证,对设备的状态和寿命进行评估。而在做实验应力、应变分析时,高温应变的测量往往因为其环境的特殊性而成为测试的难点。高温应变测试中,高温会对传感器、测试仪器设备设备以及测试数据带来诸多的影响,需要采取有针对性的措施来保证测试方案的可行性和测试数据的准确性。本文针对某冷轧连续退火炉的升温过程,采用了合理且有效的方法,跟踪测试了炉壁应变情况,以求与后期有限元分析进行结合分析,对炉体的现状进行评估。同时,由于一般先进的应变测试仪器设备都是进口的,价格比比较高,且在高温恶劣的条件下测试,特别是长期跟踪测试,容易造成仪器设备的损坏,所以,也需要开发出一套便捷、性价比高的测试系统来满足现场测试的需要。

高温应变测试方法与测试系统开发 

高温应变测试的特点

与常温应变测试相比,高温应变测试具有如下特点:

(1)需采用专门的高温应变计:常温应变计工作温度一般在-30~60℃,更高温度下,应变计所用材料与性能都不大适用。玻璃仪器检测量具:滴定管、量筒、量杯、分度吸管。转速仪器检测:机械式转速表、数字式转速表、转速检定装置。因此,需要根据测试要求选择合适的高温应变计,并需要考虑高温带来的热输出影响;

(2)由于构件处在高温环境下,除了应变计其本身外,其安装方法也与常温应变计不同,需用点焊固定或者高温固化处理,且连接需用专门高温线;

(3)由于构件在高温工况下一般温度不均匀分布并随时间变化,因此,需要在测量应变同时测量各测点的温度分布,这样做一方面是应变计性能与温度有关,一方面热输出修正也需要已知温度分布;

(4)由于高温测量时数据受多种因素影响,所以,需要对数据进行相应的修正。计量器具等级的高低表示着它精度的高低,即检测结果中存在误差的大校一般天平和台秤的等级用I,II,III级表示。

 

应变测试理论

一个测点上的贴片数和方位问题,由该点的应力状态而定:如果能明确测点处为单向应力状态,则只要沿该单向应力方向贴一个工作应变计即可测出应变的大小&epsilon,如果应变的大小和方向均未知,则可以在待测点处将应变计以等边形布片方式方法安装(120°),先测出3个已知方向的组合应变εa,εb,εc,然后,计算得到2个主应变ε1,ε3的大小和方向,应变计贴法如图1所示。

根据材料力学理论,在实际应用中往往使用莫尔圆法求解得到需要的2个主应变ε1,ε3的大小和方向。具体公式如下

式中εa,εb,εc分别为图中所贴3个应变计方向所测的应变;ε1,ε3分别为计算得到的主应变大小,而φ为εa和ε1分别与x轴的夹角之差。再根据广义虎克定律,主应力与主应变的关系式(平面应力问题)为

 

高温应变测试方案

1、应变电桥的选择

应变计的组桥方式方法一般有1/4桥、半桥和全桥,3种组桥方式在本质上都是将应变计作为电桥桥臂把应变转化成为电压输出,区别在于应变计(工作片)和平衡电阻的数量不同:1/4桥以一个工作片输出单向的应变ε,半桥是以2个工作片输出组合应变ε1-ε2,而全桥是以4个工作片输出组合应变ε1-ε2+ε3-ε4,测量过程中需要根据测量要求选择不同的组桥方式。以1/4桥为例,组桥方式如图3(a)所示。

其中,R1是工作片,R2,R3,R4为电桥平衡电阻器,4个电阻器的标称阻值相同。1/4桥使用一个工作片R1粘贴在被测物体表面感受单一方向的变形,而其他3个平衡电阻器阻值不会发生变化。R1产生的应变ε与电桥输出ΔU之间的关系如下

式中ΔR1为主动应变计电阻的变化量;R为应变片的名义电阻(这个数据由制造商提供);K为应变计的灵敏度系数;U为供桥电压;ΔU为电桥的输出电压。这样,就建立了应变ε与输出电压ΔU之间的关系,在供桥电压U确定的情况下,只要测量出ΔU就可以计算出主动应变计的应变ε的值。

2、高温应变计的特性

普通应变计采用的是纸或有机树脂作为基底材料传递应变,工作温度一般为-30~60℃,更高温度下,应变计所用材料及性能都不大适用。而高温应变计由于采用的是不锈钢或铁铬铝合金作为基底材料,工作温度可达600℃,并且,多采用点焊方式方法,可以满足长期跟踪测试的要求。

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