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帶孔彈性元件溫度場的模擬實驗方法

作者: 時間:2013-06-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

在測力與稱重等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在一些特殊場合,如火箭發(fā)射、冶金生產(chǎn)等測控設(shè)備中作為基礎(chǔ)件應(yīng)用時,常要處于不均勻中而產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而帶來測量誤差。為消除這種誤差,必須采取相應(yīng)的補償措施。這就要求對在局部熱影響下的溫度及應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行研究。

計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展極大促進(jìn)了有限元、邊界元等數(shù)值方法的完善,從而使得如、應(yīng)力場分析這類理論上可以歸結(jié)為平面問題的數(shù)值模擬變得輕而易舉。與此相比,采用實驗方法研究溫度和應(yīng)力問題則顯得有些陳舊和費時費力。但即便如此,實驗方法仍有其獨特優(yōu)勢,首先,它可以為數(shù)值計算結(jié)果提供驗證手段,因為數(shù)值計算中若參數(shù)選擇不當(dāng)或數(shù)學(xué)模型有偏差,仍會出現(xiàn)較大誤差;其次,計算因受計算機和軟件等條件的制約而常常無法展開,實驗則因設(shè)備和條件要求不苛刻而容易實現(xiàn)。

確定是研究熱應(yīng)力的前提條件,因篇幅所限,本文僅討論彈性元件在局部穩(wěn)態(tài)熱影響下的溫度場實驗研究方法。

2 實驗研究的基本方法簡介

2.1 實驗研究的理論基礎(chǔ)

根據(jù)光彈性實驗基本理論,在平面應(yīng)變狀態(tài)下,彈性元件和實驗?zāi)P偷臒釕?yīng)力間具有如下關(guān)系[1]:

分別以下標(biāo)“H”、“M”表示彈性元件和模型,式中,σH、σM—分別表示彈性元件和模型的熱應(yīng)力;EH、EM—二者的彈性模量;αH、αM—熱膨脹系數(shù);υH、υM—泊松系數(shù);△TH、△TM—溫度差。

在彈性遠(yuǎn)件和模型上得到穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)的最短時間之比為[1]

式中,CH、CM—比熱容;ρH、ρM—材料密度;lH、lM—彈性元件和模型的相應(yīng)尺寸。

以上公式表明,在材料性能參數(shù)已知且滿足熱平衡條件的情況下,可用模型研究彈性元件的熱應(yīng)力狀態(tài)。

2.2 材料選擇與模型制作

模型材料選擇厚度為8mm的樹脂材料3Д-6M,按與元件成相似關(guān)系的幾何尺寸經(jīng)機械加工方法制成[2],應(yīng)注意保持小的加工余量以防止模型上殘余應(yīng)力過大。做好的模型需放入保溫爐中進(jìn)行24小時的退火處理,以有效消除殘余應(yīng)力。加熱器是用3Д-6M材料做骨架,以細(xì)銅絲纏繞而成,在細(xì)銅絲兩端加可調(diào)電壓,即可達(dá)到加熱并改變溫度的目的。

2.3 熱電偶的制備與標(biāo)定

熱電偶是由直徑為0.33mm的細(xì)銅絲和直徑為0.4mm的康銅絲在40V電壓和96%的酒精中焊接而成。在使用前,需對所制成的熱電偶進(jìn)行標(biāo)定,其標(biāo)定裝置如圖2—1所示 。


1-熱電偶測量端;2-盛有機油的加熱容器;3-可調(diào)變壓器;4-伏特計;
5-水銀溫度計;6-換位開關(guān);7-指針式萬用表;8-盛有冰水混合物的容器

將熱電偶的熱端(測量端)放入盛有機油的容器2中,冷端(補償端)放入盛有冰水混合物的容器8中,油溫控制通過調(diào)節(jié)變壓器3改變?nèi)萜?溫度來實現(xiàn),而電壓值則由伏特計4讀出,油溫由水銀溫度計5讀出,熱電偶的溫度由指針式萬用表7讀出,撥動換位開關(guān)就可以讀出多個熱電偶的示值。

對制備的熱電偶在20℃~80℃范圍內(nèi)進(jìn)行3次重復(fù)標(biāo)定,取其平均值利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)值擬合,得回歸方程

T=2.4+2.59 V

式中T為溫度值,V為電壓值。在上述溫度范圍內(nèi),標(biāo)定曲線為一理想直線。

2.4 溫度場的確定

實驗選擇帶孔彈性元件的關(guān)鍵部位進(jìn)行研究,在模型上布置一系列熱電偶,以研究溫度場的分布情況,其結(jié)構(gòu)及熱電偶布置如圖2—2所示。圖2—2a研究模型沿高度方向溫度分布和模型長度B之間的關(guān)系;圖2—2b研究模型沿長度方向溫度分布和模型高度B之間的關(guān)系;圖2—2c研究單孔模型沿圓周方向溫度分布和孔徑D之間的關(guān)系;圖2—2d研究雙孔模型沿高度方向溫度分布和孔徑D之間的關(guān)系。

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