軸壓試驗載荷測量的誤差分析

何曉勃，田振宇，張茹遠

（中國航天科技集團公司第四研究院四〇一所，西安710025）

軸壓試驗載荷測量的誤差分析

何曉勃，田振宇，張茹遠

（中國航天科技集團公司第四研究院四〇一所，西安710025）

軸壓試驗是考核試驗件承受最大軸向壓縮載荷的試驗，影響軸壓試驗載荷測量的因素有很多，試驗設備誤差及測量系統誤差是軸壓試驗誤差的主要來源，其余為邊界條件影響。分析了各種誤差來源及誤差計算方法，可對軸壓試驗提供一定的參考，各種誤差累計之后對軸壓載荷測量的影響即可計算得出，最終對軸壓試驗結果提供一定的參考。

軸壓試驗；安裝誤差；測量誤差；總誤差

軸壓試驗是模擬試驗件最大軸向壓縮載荷所進行的試驗，其主要目的是考核試驗件在軸向壓縮載荷作用下的工作可靠性；獲得試驗件在軸向壓縮載荷作用下主要部位的應變和位移情況，為試驗件設計提供真實、可靠的有效數據。

本文主要敘述薄壁圓筒形狀試驗件的軸壓試驗。根據軸壓試驗的受力特點及其他試驗情況中的軸壓載荷，圓筒形狀軸壓試驗在整個靜力試驗中占有很大比重。

試驗載荷誤差可視為在試驗過程中，試驗件實際承受的載荷與試驗給定的載荷值之差。因此，這里著重分析筒段軸壓試驗的誤差。

軸壓加載的誤差來源主要有2個方面：①所使用的加載系統及測量系統，包括加載系統設計和加工之間的偏差，試驗件的安裝偏差對試驗件的附加載荷；②作為邊界條件的模擬件，包括加載設備加載是否準確，載荷的模型計算及其測量系統測試結果等引起的誤差。

因此，這里著重分析筒段軸壓試驗的誤差。

1 引起載荷誤差的各個環節

1.1 試驗設備的設計加工和試驗安裝誤差

對于試驗工裝（試驗件的前、后連接部分等）和試驗加載設備（油缸、管路及控制設備等），設計加工誤差、試驗件的安裝偏差等引起試驗的載荷誤差是安裝及測量中變化的系統誤差，這類誤差屬系偶誤差性質。

圖1 誤差產生部位

一般邊界通常安裝在試驗件上、下，不考慮試驗件本身誤差的影響，可以試驗件為界分上、下兩部分進行討論。安裝誤差引起的加力線的偏斜給試驗件帶來附加載荷，具體產生誤差部位見圖1，即試驗件軸線對兩承力點連接的垂直平分線的同軸度影響，加力帽兩加載孔心連線的垂直平分線對試驗件軸線的同軸度的影響，試驗件對接面與基準面的平行度的影響，加力帽下端面對試驗件上端面平行度的影響。

1.2 力源不穩定的誤差

由于受到試驗位置、能源位置及油溫等的影響，通過管路輸送油壓不一定很平穩，試驗加載過程中加載力會出現沖擊載荷，或因閥門變換緩慢出現幾個載荷上升速率不同的現象，所以，按原給定的加載載荷平穩加載比較困難，會引起一定的誤差。

1.3 測力系統的誤差

測力傳感器（力傳感器）和二次儀表（測力表）等組成力的測量系統，在使用時均在有效檢定期內，但誤差是由2部分組成的，即上級部門標檢之后的系統誤差和測量時產生的測量誤差。

1.4 實際加載載荷計算的誤差

力傳感器標定一般是按滿量程的5～6級進行，標定之后形成一個線性區域，誤差在精度允許范圍內即為合格。試驗正式加載時一般是將試驗件的實際載荷分為多級進行加載，一般為最大載荷的整數百分比；雖然力傳感器滿足精度要求，但試驗件的試驗載荷與測力傳感器的標定載荷不一定都在一個載荷點上，所以出現了偶然誤差。

2 試驗載荷值的總誤差

在試驗過程中，測力系統的顯示載荷值與試驗件受到的實際載荷值之差是由測力系統、加載力不穩及載荷計算的誤差集合而成，按方和根法合成，即：

式（1）中：E指示為顯示載荷值的誤差；E測力為測力系統的誤差；E力源為加載不穩定的誤差；E換算為載荷計算的誤差。

按絕對值和法合成為：

試驗的載荷值總誤差是工裝設計加工、試驗的整體安裝及試驗設備設計的誤差引起的附加載荷值構成的誤差和測力系統指示載荷值的誤差組成。方和根合成為：

式（3）中：E總和為試驗載荷值的總誤差；E附加為工裝設計加工、試驗的整體安裝及試驗設備設計的誤差引起的附加載荷值構成的誤差。

按絕對值和法合成為：

引起載荷測量的誤差原因多種多樣，從分析結果看，各部分誤差合成之后即為系統的總誤差，但各部分誤差量難以界定，在實際試驗時，無法準確分析、判斷在單個試驗時會出現多少誤差，所以，試驗必須多次進行，從一定數量的樣本分析中去消除載荷測量的誤差。

從每個誤差環節可看出，實際每個環節產生的誤差數量級應在總載荷的0.1%左右，單項誤差環節是在誤差允許范圍內，但各個環節合成誤差應為總載荷的1%左右，要大于國標誤差允許范圍；實際加載中，設計輸入允許誤差一般為1%，這樣可保證減少加載難度，通過多次試驗計算誤差，得到最終的試驗件載荷。

3 試驗測量誤差的消除

從上述章節分析得出各個部分誤差來源，通過來源我們可對各個環節進行改進，盡量減少總誤差數量級，得到更加接近于實際載荷的加載方式。

3.1 試驗設備的設計加工和安裝誤差減少

減少安裝間隙及安裝空隙，使得各個工裝在有限范圍內活動，可有效減少安裝誤差。

3.2 力源不穩定的誤差減少

對于檢測油源系統及加載系統，應對力傳感器進行定期標定，對載荷進行多點分級加載，盡量得到準確、平滑的加載力。

3.3 測力系統的誤差減少

升高力傳感器標定級別，比如國家2級標定，進度減少標定誤差，試驗前進行帶系統標定，減少測力系統各個環節帶來的誤差。

3.4 實際加載載荷計算的誤差減少

采用計算機輔助計算軟件結合理論力學計算方法進行載荷計算，得到更加真實、更加接近于實際載荷的計算載荷。

4 誤差總結

載荷測量誤差無法完全消除，但可以有效減少，經過多年試驗經驗總結，我們在試驗時得出大量測量經驗，現在已經可以將測量及加載誤差控制在5‰以內；可通過持續改進，繼續減少載荷測量誤差，使得到的載荷更加接近實際載荷，獲得更加真實、有效、翔實的試驗數據。

［1］魏生道.結構靜力試驗技術［M］.北京：宇航出版社，1988.

〔編輯：張思楠〕

O346.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.033

2095－6835（2017）14－0033－02