一級結(jié)構(gòu)專業(yè)之結(jié)構(gòu)靜力實驗

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為確定工程結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的強度、剛度或穩(wěn)定性而進行的力學(xué)實驗。在研制、鑒定或改進工程結(jié)構(gòu)時,除須對結(jié)構(gòu)的承力零件如桿、軸、壁板、梁、接頭、支座等作加載實驗外,有時還要對結(jié)構(gòu)作整體或局部的承力性能實驗。結(jié)構(gòu)靜力實驗同理論分析和計算一般是互相驗證、互為補充的,但有時由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和受力的特殊性而無法進行準確的理論分析或計算,結(jié)構(gòu)靜力實驗就成為確定結(jié)構(gòu)強度、剛度或穩(wěn)定性的的方法。
     概述 結(jié)構(gòu)靜力實驗的目的在于:①確定結(jié)構(gòu)在一定靜載荷作用下的應(yīng)力分布和變形形態(tài);②確定結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性; ③確定結(jié)構(gòu)的承載能力, 即強度;④從承力的角度評價結(jié)構(gòu)承受靜載荷的合理性;⑤驗證理論分析和計算方法的可靠性,或由實驗提出新的理論和計算方法。
     據(jù)記載,意大利的達。芬奇和伽利略曾先后進行過原始而又簡單的結(jié)構(gòu)靜力實驗。隨著工業(yè)的進步,結(jié)構(gòu)靜力實驗的發(fā)展受到兩方面因素的推動:一是工程結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化,需要進行更完善的結(jié)構(gòu)靜力實驗;二是隨著技術(shù)水平的提高,結(jié)構(gòu)靜力實驗的手段和方法不斷得到改進。近年來,結(jié)構(gòu)靜力實驗有時還和結(jié)構(gòu)斷裂實驗結(jié)合起來。目前,結(jié)構(gòu)靜力實驗日趨完善,并向大型化方向發(fā)展。例如,在飛行器結(jié)構(gòu)(破壞方式的或非破壞方式的)靜力實驗中,將整架飛機懸掛在分布的多區(qū)協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)上,模擬飛機在各種飛行狀態(tài)下和起飛著陸時的受力情況。這種整機的結(jié)構(gòu)靜力實驗是鑒別飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造是否合理的最終鑒定手段。對于建筑結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)等,也都有了完善的現(xiàn)代化的結(jié)構(gòu)靜力實驗設(shè)備和方法。
     進行結(jié)構(gòu)靜力實驗,須先設(shè)計和制造結(jié)構(gòu)實驗件、支持系統(tǒng)和加載裝置,然后進行安裝并同測量位移、應(yīng)變和載荷的儀器一起調(diào)試。調(diào)試完畢后,可按下述兩步進行實驗:①預(yù)實驗階段。按一定程序逐級緩慢地加一不大的載荷,對位移和應(yīng)變測量|考試大|點進行觀測和監(jiān)視,找出結(jié)構(gòu)承力和變形的基本趨勢,并檢驗實驗件、支持系統(tǒng)、 加載裝置和測量設(shè)備的可靠性。 ②正式試驗階段。常先取預(yù)計載荷的5~10%為初始載荷,測量初始應(yīng)力、應(yīng)變和位移。然后按一定程序逐級、均勻、緩慢地加載,并逐次測量和記錄各應(yīng)變測量點、位移測量點和載荷測量點的數(shù)據(jù)。同時,仔細觀察試件,直至達到預(yù)定的載荷(如設(shè)計載荷、使用載荷等)或預(yù)定的實驗狀態(tài)(如實驗件破壞或變形過大而無法繼續(xù)進行實驗的狀態(tài))。正式實驗有時須反復(fù)多次。最后檢驗實驗件,細察其殘余變形和破壞情況,并對記錄的位移、應(yīng)變和載荷等數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)處理和誤差分析,以得出科學(xué)的實驗結(jié)論。
     完成一項實驗,必須抓住五個關(guān)鍵環(huán)節(jié):
     實驗件設(shè)計 設(shè)計和制造具有一定代表性的結(jié)構(gòu)實驗件,是為了更好地了解結(jié)構(gòu)的承力特性或選擇合理的結(jié)構(gòu)參量和計算方法。實驗件除了應(yīng)用實際結(jié)構(gòu)或?qū)嶋H部件外,有時為了突出結(jié)構(gòu)主要因素的作用,以便通過實驗選擇合理的結(jié)構(gòu)形式或合理的參量值,而在實驗件的設(shè)計中忽略次要因素,把實驗件制成具有典型結(jié)構(gòu)形式的模型。采用模型實驗件的另一些原因是:在實物上無法進行直接測量,或在設(shè)計工作之初要進行一些不同方案的實驗比較,或出于經(jīng)濟上的考慮,用模型代替貴重的實物。為了能把從模型上得到的實驗結(jié)果推算到實物上去,必須保證模型和實物的力學(xué)相似性,即應(yīng)保證幾何相似和變形位移相似,以及邊界條件相似。在許多情況下仍必須采用部分的實物結(jié)構(gòu)甚至整體實物結(jié)構(gòu)作為實驗件。
     加載系統(tǒng) 選擇合適的加載系統(tǒng),使它所產(chǎn)生的作用力和力矩的大小、方向以及作用點都能準確地模擬結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)。加載系統(tǒng)按其所施加的載荷是否與結(jié)構(gòu)變形有關(guān)而分為兩類:一類是載荷與結(jié)構(gòu)變形有關(guān)的加載系統(tǒng),多用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性實驗或結(jié)構(gòu)的破壞實驗。這種加載系統(tǒng)能在實驗件失穩(wěn)或破壞的瞬間迅速卸載而不致造成整個結(jié)構(gòu)的破壞,有利于實現(xiàn)現(xiàn)場觀察重復(fù)實驗和分析比較。機械螺旋式加力器、電動馬達式加力器、無蓄壓器的普通液壓加載裝置等均屬此類。另一類是載荷與結(jié)構(gòu)變形無關(guān)的加載系統(tǒng),在分區(qū)多點加載的結(jié)構(gòu)實驗中,這類加載系統(tǒng)可避免各加載點之間相互牽制所引起的載荷此起彼伏的現(xiàn)象(這會影響各加載點的協(xié)調(diào)和逐級加載的準確性,甚至使整個實驗件失去平衡)。具有蓄壓器的液壓裝置、具有補償彈性元件的機械式電動加力器、氣壓加載裝置等均屬此類。近年來已經(jīng)采用多點協(xié)調(diào)加載系統(tǒng),它利用閉環(huán)液壓同級加載系統(tǒng),由電子模擬計算機或數(shù)字計算機統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)各加載點的載荷。
     如果結(jié)構(gòu)承受的是非均勻分布的載荷,在實驗中可用等效的集中載荷來代替,作法是:將分布載荷劃分為若干區(qū)域,在每個區(qū)域上用等效集中載荷代替分布載荷,再利用杠桿系統(tǒng)將其分層集中,最后與自動協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)連接。圖 1[利用杠桿系統(tǒng)將載荷逐級分層集中示意圖]表示在機翼靜力實驗中,利用杠桿系統(tǒng)將載荷逐級分層集中。
     結(jié)構(gòu)承受均勻分布載荷的實驗,通常是將實驗件和支持系統(tǒng)共同置于密閉容器中由液壓或氣壓來實現(xiàn)。
     邊界模擬 設(shè)計和制造合理的支持系統(tǒng),使它起到平衡作用于結(jié)構(gòu)上的外載荷,準確模擬結(jié)構(gòu)受力邊界條件的作用。支持系統(tǒng)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)實驗件在連接方式、支持點位置、約束數(shù)目、約束形式以及支持剛度等方面都能準確地模擬真實結(jié)構(gòu)。有時必須采用與實驗件相連接的真實結(jié)構(gòu)作為實驗結(jié)構(gòu)的支持裝置。
     結(jié)構(gòu)實驗件的支持系|考試大|統(tǒng)根據(jù)連接方式可分為集中連接和分布連接兩類。集中連接是以少數(shù)支持點支持實驗件的連接方式,它又可分為靜定連接和靜不定連接。靜定連接只需各支持點具有足夠的強度和剛度;而靜不定連接則由于支持點的反作用力和力矩不僅與外載荷特征、結(jié)構(gòu)的幾何形狀和約束形式有關(guān),而且與支持裝置上各支點的剛度有關(guān),因此,在設(shè)計專用支持系統(tǒng)時,須使各支持點之間的剛度和真實情況基本相符。為此,可在支持裝置和實驗件之間放置過渡夾具。分布連接是以無窮多支持點支持實驗件的連接方式。實際上,只要支持點足夠多,就可當作分布連接。對分布連接,難于計算或測定各支持處的剛度,因此,也難以對支持處的剛度比實現(xiàn)真實模擬。這樣,在支持點附近的實驗結(jié)果就不能反映真實情況。根據(jù)(圣維南原理^圣維南原理),只有在距支持點足夠遠的點上,實驗結(jié)果才有意義。另外,支持點對實驗件的摩擦力(見摩擦)是多余的支持反作用力,應(yīng)采取措施盡量減少。
     為了方便典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計和理論分析,通常支持點的邊界條件簡化為三種基本約束形式:可動鉸支座、固定鉸支座和固定端支座。可動鉸支座(圖2a[鉸支座示意圖])是在支持裝置和實驗件上分別安裝一個具有橢圓孔的耳片,用一個圓銷將兩者鉸接,這樣可動鉸支座只在橢圓短軸方向傳遞反作用力;固定鉸支座(圖2b[鉸支座示意圖])是取兩個互相垂直放置的可動鉸支耳片,使實驗件受到兩互相垂直的約束反作用力而固定;固定端支座的剛度比實驗件的剛度大一個數(shù)量級,它把實驗件固定起來。
     測量 用具有足夠精度和量程的測量系統(tǒng)在實驗中測定有關(guān)力學(xué)參量值,如載荷、位移、應(yīng)變等。通常測量系統(tǒng)由傳感部分、放大部分和指示部分構(gòu)成。測量載荷可采用板簧式測力計、電子式測力計(如電子秤)等;測量位移可采用機械式位移計、光學(xué)位移計、機械-光學(xué)式位移計、電阻式位移計、電感式位移計、電容式位移計、壓電式位移計等;測量應(yīng)變可采用機械式應(yīng)變計、光學(xué)應(yīng)變計和電學(xué)應(yīng)變計以及脆性涂層法、光彈性法等測量方法?,F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向是大型化和復(fù)雜化,而測量系統(tǒng)則向著輕巧和精密的方向發(fā)展。在這種趨勢的推動下,出現(xiàn)了許多新技術(shù)。經(jīng)典的光彈性法已由早期的二維分析法發(fā)展為三維光彈分析法和光彈涂層法,現(xiàn)在又和全息術(shù)結(jié)合起來,顯示出其他許多測量方法無法比擬的優(yōu)點。例如,物體在承受很小載荷的情況下的變形和位移場,也可顯示出來;可根據(jù)等值線圖解決結(jié)構(gòu)設(shè)計的化問題;既可對透明結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析,又可對非透明的具有粗糙面的結(jié)構(gòu)進行變形測量;能解決物體瞬時變形的測量問題。在電測方面,電阻應(yīng)變儀已經(jīng)發(fā)展為多點自動巡回檢測測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可對大型結(jié)構(gòu)進行適時的快速多點測量和記錄。該系統(tǒng)同計算機相結(jié)合,可對測量數(shù)據(jù)進行適時的選擇、分類、校準、運算等,便于對現(xiàn)場加載系統(tǒng)進行反饋控制。近年來,力學(xué)參量的電測方法又和無線電遙測技術(shù)相結(jié)合,滿足了一些特殊情況(如高溫、輻射、運轉(zhuǎn)、飛行等條件)下的結(jié)構(gòu)實驗的要求。電測方法既不影響結(jié)構(gòu)的正常工作,又可以同時了解結(jié)構(gòu)的實驗情況。
     結(jié)果分析 在對實驗數(shù)據(jù)進行處理的基礎(chǔ)上,分析實驗結(jié)果并作出科學(xué)結(jié)論。結(jié)果分析包括兩個方面:①根據(jù)誤差理論確定系統(tǒng)誤差(可通過實驗或預(yù)先標定予以確定),估計偶然誤差(即隨機性誤差,可根據(jù)高斯誤差定律、最小二乘法和誤差傳遞定律予以估算),求出所測各力學(xué)參量的可靠程度,并對所得數(shù)據(jù)作出合理解釋。②根據(jù)處理數(shù)據(jù)的基本技術(shù)(包括數(shù)據(jù)的列表法、分度法、作圖法、內(nèi)插法和外推法、微分法、積分法以及用經(jīng)驗公式求解等)找出載荷、位移、應(yīng)變、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)參量等諸參量之間的函數(shù)關(guān)系,或繪出反映該函數(shù)關(guān)系的圖表和曲線,最后作出科學(xué)的分析和結(jié)論。對模型實驗的結(jié)果有時還需進行量綱分析。自動化程度較高的誤差分析和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能根據(jù)預(yù)編程序?qū)⑽灰?、?yīng)變、載荷等測量數(shù)據(jù)自動輸入計算機,進行適時而復(fù)雜的運算,也能自動制圖或把各力學(xué)參量之間的特性曲線或圖表直接顯示出來。