一種微應變測量裝置設(shè)計及分析

石獻金，劉紅旗，張敬彩，趙澤波，王瑞欣

（1.機械科學研究總院 中機生產(chǎn)力促進中心 制造工程研究所，北京 100044；2.煙臺冰輪股份有限公司研發(fā)設(shè)計部，山東 煙臺 264000）

0 引言

目前，常用的應變測量裝置，主要是采用電路補償方式以實現(xiàn)對所采集的應變的放大，從而獲得高精度測量結(jié)果。然而當被測應變非常微小時，受到測量裝置的精度制約，一般的應變測量裝置并不能滿足高精度測量微小應變，而可以實現(xiàn)應變的高精度測量的儀器價格昂貴。因此，急需提出一種既能實現(xiàn)對微小應變的精確測量且成本較低的測量裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該應變測量裝置的結(jié)構(gòu)特點決定了在測量微小應變的情況下的優(yōu)勢，適用于拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)工況下的應變測量。

1.1 總體設(shè)計

圖1 微應變測量裝置Fig.1 Micro-strain measuring equipment

如圖1所示，該結(jié)構(gòu)采用兩頭粗、中間細的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其在拉壓載荷作用下發(fā)生的應變都集中在中間薄弱區(qū)域，因此可以起到傳遞應變和放大信號的作用。兩端向中間過渡區(qū)域采取逐漸減小的趨勢和圓角設(shè)計，由此可避免由于尖銳邊角導致的應力集中，進而保證測量精度。應變片粘貼于應變放大傳感器中間區(qū)域上下表面，粘貼有應變片2的應變放大傳感器1底面兩側(cè)設(shè)計有底腳，通過焊接方法就可以安裝在測量基體3上，可以很容易將應變放大傳感器1中間載荷敏感區(qū)域的應變測量出來，應變片測量應變信號可以認為是應變放大傳感器所產(chǎn)生的應變，進而將測量基體3在載荷作用下發(fā)生的微小應變進行放大，從而提高了測量精度。測量基體3為金屬可焊接材質(zhì)，與應變放大傳感器通過焊接方式連接，既可以測量承受拉壓載荷的應變，也可以測量承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應變。

該應變測量裝置是一種新型的應變測量系統(tǒng)，特別適用于微弱應變[1]的高精度測量，但在使用方法上，可以實現(xiàn)應變片的各種組橋方式[2]，例如全橋、半橋、1/4橋，簡便易行。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

借助有限元仿真軟件ANSYS[3]，對該應變測量裝置進行了結(jié)構(gòu)模擬分析。采用對稱結(jié)構(gòu)模型，進行網(wǎng)格劃分，施加邊界約束條件和載荷，有限元仿真模型如圖2所示。得到如圖3所示仿真結(jié)果，由此在拉伸載荷作用下產(chǎn)生的等效應力云圖可見該結(jié)構(gòu)最大應力都集中在中間區(qū)域，且中間區(qū)域的應力值顯然是被測基體應力值的數(shù)倍，切實起到將被測件在載荷（拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等）作用下所發(fā)生的應變值放大的作用，通過放大倍數(shù)即可獲知被測件在載荷作用下的微應變值，進而可以提高測量精度。

圖2 試驗載荷模擬（1/2模型）Fig.2 Load boundary simulation（1/2 model）

圖3 整體應力分布云圖Fig.3 Stress distribution

該應變測量裝置的優(yōu)勢在于其可以高精度測量微小應變，而決定測量精度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在于應力最高點的中間區(qū)域。為了增大中間應力應變的放大幅度，提高測量精度，將該結(jié)構(gòu)設(shè)計成中間區(qū)域與兩端區(qū)域厚度差的形狀，在寬度上也呈凹進去的形狀，寬度的最小值取決于所需粘貼的應變片尺寸。而厚度直接影響的應變測量放大倍數(shù)，為了既能保證測量精度，又不至于在高應力下發(fā)生破壞，經(jīng)仿真分析，厚度取1mm最合適。此外，影響測量精度的一個重要因素就是中間最薄區(qū)域的高度位置，在厚度一定的情況下，即是中間區(qū)域底面與兩端區(qū)域底面的距離，用符號H表示。H越大，就會使中間區(qū)域向上凸起，反之，則向下凹陷，沿縱向長度方向上應力分布不均，進而導致應變片測量應變值不準確，對測量結(jié)果影響最大。而H值的優(yōu)化，同樣受結(jié)構(gòu)中底腳設(shè)計高度影響，在綜合考慮焊接材料和焊接效果情況下，底腳支撐高度設(shè)計為4mm，底腳有一個細節(jié)設(shè)計，就是保留4mm的焊縫坡口。

因此，借助有限元仿真軟件，在底腳支撐高度一定的前提下，對H進行優(yōu)化，進而找到其最優(yōu)值，保證測量精度。由圖4和圖6所示，正如預期結(jié)果，隨著高度H的增加或減小，都會使得中間區(qū)域發(fā)生翹曲。通過多次改變高度H，模擬分析得到優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，當H=4mm時，由圖5可以直觀看出中間區(qū)域在長度方向上變形均勻，應力應變在同一層面上保持一致，這樣就保證了應變片測量結(jié)果的準確性。

圖4 H=5mm豎直方向變形分布云圖Fig.4 Vertical deformation （H=5mm）

圖5 H=4mm豎直方向變形分布云圖Fig.5 Vertical deformation （H=4mm）

圖6 H=2mm豎直方向變形分布云圖Fig.6 Vertical deformation （H=2mm）

在此優(yōu)化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過理論計算和仿真模擬得到系統(tǒng)的放大倍數(shù)。仿真邊界條件為：以上仿真模擬計算得到應變放大倍數(shù)為5.6。理論計算如下：

經(jīng)分析，理論計算值稍大于仿真結(jié)果的原因在于理論計算前提條件是將基體變形全部假設(shè)等效到中間區(qū)域，而實際兩端區(qū)域同樣會承擔一部分變形，因此仿真結(jié)果應該更接近于實際情況。

2 標定試驗

設(shè)計如圖7所示標定裝置，用于對應變測量裝置進行標定，觀察其線性關(guān)系及數(shù)據(jù)的重復性。標定裝置由嵌塊、夾板、吊塊組成，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。將被試件應變測量裝置一端嵌入槽內(nèi)形狀一樣的嵌塊內(nèi)，另外一端通過吊塊卡住，懸掛不同質(zhì)量的砝碼。如表1所示，被試件中間區(qū)域粘貼有MM品牌的高靈敏度應變片，連接信號輸出裝置，輸出信號為電流。

圖7 標定裝置Fig.7 Calibration equipment

表1 基本尺寸參數(shù)Tab.1 Basic parameters

得到表2～3和圖8所示標定結(jié)果，可見被試件應變測量裝置隨著載荷的增加呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，且重復性很好。

表2 應變片粘貼Tab.2 Strain gauges installation

表3 標定數(shù)據(jù)記錄Tab.3 Calibration results

表4 標定試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.4 Calibration data analysis

圖8 載荷與輸出線性關(guān)系Fig.8 Relationship between load and output

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種微應變測量裝置，并借助仿真軟件，對新型微應變測量裝置進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，找到了該應變測量裝置中間區(qū)域最優(yōu)厚度和高度，通過自行設(shè)計的標定加載裝置對該應變測量裝置進行了標定試驗，驗證了其具有良好的線性關(guān)系和穩(wěn)定的可重復性，以及該裝置用于高精度測量微應變的可行性，授權(quán)實用新型專利一項[4]。

[1]郭敏強，李揚，劉曉娜，等.一種微弱應變測量系統(tǒng)：中國，2013207 635603[P].2013.

[2]夏祁寒.應變片測試原理及在實際工程中的應用[J].山西建筑，2008，28.

[3]劉浩，等.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].機械工業(yè)出版社，2014.

[4]劉紅旗.一種應變測量裝置：中國，ZL201621273004.8[P].2016.