基于LabVIEW內壓薄殼容器應力測量虛擬仿真系統設計

呂鵬帥，劉愛玲，楊 霖，劉天新，常學森

(遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051)

壓力容器的安全檢測是工業生產中重點關注的內容，電測法是測量內壓薄殼容器應力變化的常用方法，測量時利用粘合劑將電阻應變片固定在被測容器上，另一端與電阻應變儀相連接。實驗時操作者通過手動加壓裝置控制容器內部壓力，當容器變形時，應變片的電阻值也發生相應的變化。通過電阻應變儀，可以將應變片中的阻值變化測量出來并用記錄儀記錄。電測法雖然測量精度高，但需準備的實驗器材和設備較多，步驟較為繁瑣，手動加壓時壓力變化幅度變化大，實驗時間長[1]。

近年來，虛擬仿真實驗由于可以模擬真實的實驗環境，依托虛擬現實、人機交互、網格通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗資源和環境，得到了快速發展。利用虛擬現實技術，在計算機上操作虛擬實驗，既不消耗器材，也不受場地等外界條件限制，可改進傳統演示實驗[2]。LabVIEW軟件可以提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，能方便地創建用戶界面，是目前常用的一種虛擬仿真實驗手段。本文采用LabVIEW軟件根據無力矩理論，模擬內壓薄壁容器周向應力和軸向應力變化情況，該方法可以更便捷的測定應力，可作為一種新的實驗教學手段，也可為工程技術人員現場測量提供方便[3]。

1 無力矩理論

在承受氣體內壓回轉薄殼內部同時存在薄膜內力和彎曲內力，當薄殼的抗彎剛度非常小，或者殼體中面的曲率、扭率改變非常小時，彎曲內力很小。在分析薄殼平衡時，可省略彎曲內力對平衡的影響，這種理論稱為無力矩理論。因殼壁很薄，沿厚度方向的應力與其他應力相比很小，其他應力不隨厚度而變，因此殼體中面上的應力和變形就可以代表薄殼的應力和變形。當回轉薄殼承受軸對稱載荷時，殼體的抗彎剛度可以抵抗彎曲、扭曲變形，殼體的應力狀態僅有周向應力和軸向應力，此時處于無力矩狀態，應力沿厚度均勻分布，殼體材料強度可以合理利用，是最理想的應力狀態[4]。殼體無力矩理論在工程殼體結構分析中占有重要地位。根據無力矩理論可以求得幾種典型回轉薄殼的軸向應力σφ和周向應力σθ：

式中：p——容器所受內壓力，MPa；

D——容器中徑，mm；

R——容器半徑，mm；

δ——容器壁厚，mm；

a——橢球形殼體長半軸，mm；

b——橢球形殼體短半軸，mm；

x——橢球形容器上某點距殼體頂點距離，mm；

r——平行圓半徑，mm；

α——錐形容器錐頂角角度,°。

根據以上公式，可以計算出理想的無力矩狀態下殼體的周向應力和軸向應力。若殼體邊界處同時存在較大的彎曲應力和薄膜應力，可以先按無力矩理論求解，再用有力矩理論修正[4]。

2 內壓容器應力測定實驗系統的設計

LABVIEW軟件是一種圖形化的編程語言，設計時可在前面板和程序框圖里同時操作。前面板提供與傳統儀器類似的顯示量，可用來創建用戶界面。程序框圖中使用圖標和連線，采用數據流編程方式，程序框圖中控制量之間的數據流向決定了VI及函數的執行順序。本系統應用顯示量和控制量實現以下功能[5]。

2.1 虛擬實驗室登錄

圖1 虛擬實驗室登錄用戶界面圖

圖2 虛擬實驗室登錄功能VI程序框圖

登陸界面由賬號、密碼、進度條組成。輸入賬號和密碼可進入虛擬實驗室的應力測試系統，如圖1～2所示。為了保障實驗數據的安全性，該平臺也提供了修改密碼功能，輸入用戶原賬戶密碼，然后輸入修改后的賬戶密碼，點擊確認即可，如圖3～4所示。

圖3 修改密碼用戶界面圖

圖4 修改密碼界面VI程序框圖

登錄之后進入容器類型選擇界面，根據實驗要求，選擇相應的容器，分別為球形容器，橢球形容器和錐形容器，如圖5～6所示。點擊相應按鈕，進入實驗界面。

圖5 選擇容器類型用戶界面圖

圖6 選擇容器類型VI程序框圖

2.2 球形容器應力模擬實驗

將容器承受的內壓值，殼體的壁厚和半徑數據輸入程序中，點擊確定。程序自動計算出此時容器不同測量點的壓力。由于球形容器上外形具有特殊性，其測量點為任意選取。點擊停止按鈕，運行結束，系統會給出測量結果，并得到相應的圖表，如圖7～8所示。

圖7 球形容器應力測試用戶界面圖

圖8 球形容器應力測試VI程序框圖

2.3 橢球形容器應力模擬實驗

實驗操作與球形容器測試操作相同，用戶操作界面和程序框圖如圖9～10所示，橢球形容器測量點為的容器短半軸頂點，曲線上的中點和赤道點。

圖9 橢球形容器應力測試用戶界面圖

圖10 橢球形容器應力測試VI程序框圖

2.4 錐形容器應力模擬實驗

實驗操作與球形容器測試操作相同，用戶操作界面和程序框圖如圖11～12所示，錐形容器的測量點為錐頂點，中點和底部邊緣點。

圖11 錐形容器應力測試用戶界面圖

圖12 錐形容器應力測試VI程序框圖

3 電測法數據與模擬數據比較

本文以橢球形容器應力模擬實驗為例對電測法獲得的數據和LabVIEW仿真實驗獲得的數據進行對比。分別選取壓力為1 MPa和2 MPa，容器短半軸長度為154.5 mm，長半軸長度為77.25 mm，容器壁厚為8 mm進行分析[6]，數據結果見圖13～14。從圖中可以看出，電測法獲得的數據和LabVIEW仿真獲得的數據誤差相差不大，數據變化趨勢基本一致。

圖13 橢球形容器周向應力實測值與模擬值對比圖

圖14 橢球形容器軸向應力實測值與模擬值對比圖

4 結論

(1)本發明通過基于LabVIEW工具進行仿真系統的建設，通過控制量和顯示量對子程序進行調用，實現整個實驗過程。該仿真系統可進行實時應力測試和監控，比傳統的測試儀器測試速度快、性能穩定，功能多，節約資源。該仿真系統符合現代化教學規律的要求,在教學中能起到事半功倍的作用；

(2)虛擬仿真系統可以根據無力矩理論相關公式模擬殼體的周向應力和軸向應力，依托虛擬現實、人機交互，構建高度仿真的虛擬實驗資源和環境，可以滿足學生的實驗需求。