虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

1、虛實(shí)結(jié)合的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究摘要：為滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證要求，提出了以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向的虛實(shí)結(jié)合的真 實(shí)工程問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)對(duì)象為工程實(shí)際中的蒸壓釜開(kāi)門機(jī)構(gòu)，實(shí) 驗(yàn)項(xiàng)目包含理論分析、有限元仿真、試驗(yàn)測(cè)試等環(huán)節(jié)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目能夠使 學(xué)生形成分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的系統(tǒng)性思維，鍛煉學(xué)生解決工程復(fù)雜問(wèn)題、自我學(xué) 習(xí)和團(tuán)隊(duì)合作能力，對(duì)工程人才培養(yǎng)具有重要意義。關(guān)鍵詞：工程教育專業(yè)認(rèn)證；工程人才培養(yǎng)；應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試；實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目Experimental Teaching Research on Virtual-actual Stress and Strain TestAbstract: A

2、ccording to the requirement of professional accreditation of engineering education, a real-engineering problem-driven and outcomes-based experimental teaching project is put forward. The switch structure of autoclave door is used as the subject of the experimental project. The experimental project i

3、ncludes theoretical analysis, finite element simulation, experimental testing and so on. Through the experimental teaching project, students establish the systematic thinking mode and ability of analyzing and solving problems. The abilities of solving complex engineering problems, selflearning and t

4、eamwork of students are cultivated. The experimental teaching project has great significance to the cultivation of engineering talents.Key words： professional accreditation of engineering education; cultivation of engineering talents; stress and strain test; experimental teaching project0引言工程能力強(qiáng)的人才究

5、竟如何培養(yǎng),一直是工程教 育的難題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于工程人才的培養(yǎng)也有不同 的探討分析婦1。中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)在機(jī)械 類專業(yè)認(rèn)證“自評(píng)報(bào)告”中要求,機(jī)械類專業(yè)要開(kāi)設(shè)計(jì)算方法課程6。有限元方法是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用 最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法妍,是機(jī)械專業(yè)至關(guān)重要的 課程,而計(jì)算方法是有限元的重要基礎(chǔ)之一，“新工 科”也提出要建立新學(xué)科因此，我校機(jī)械工程學(xué) 院在新版培養(yǎng)方案中確定了 “工程有限元與數(shù)值計(jì) 算”課程，該課程從計(jì)算方法、材料力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)入 手，深入淺出，讓學(xué)生抓住有限元的本質(zhì)，學(xué)用結(jié) 合，鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。傳統(tǒng)有限元課程的實(shí) 踐環(huán)節(jié)只有上機(jī)，利用有限元分析軟件分析問(wèn)題。0引言工程

6、能力強(qiáng)的人才究竟如何培養(yǎng),一直是工程教 育的難題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于工程人才的培養(yǎng)也有不同 的探討分析婦1。中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)在機(jī)械 類專業(yè)認(rèn)證“自評(píng)報(bào)告”中要求,機(jī)械類專業(yè)要開(kāi)設(shè)計(jì)能力。1實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目背景當(dāng)載荷G =6OO N時(shí),軸徑為3O mm處最大彎曲 應(yīng)力,= 101. 86 MPa,壓應(yīng)力,0 =0. 849 MPa,因此軸 上最大應(yīng)力為102. 79 能力。1實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目背景本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由科研項(xiàng)目轉(zhuǎn)化而來(lái),實(shí)驗(yàn)對(duì)象為工 程實(shí)際中的蒸壓釜開(kāi)門機(jī)構(gòu)，如圖1中圓圈所示位置。 蒸壓釜是一種體積龐大、質(zhì)量較大的大型壓力容器，釜 門質(zhì)量高達(dá)34 t,在釜門重力作用下,開(kāi)門機(jī)構(gòu)承受 巨大載荷，整

7、個(gè)結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生變形,導(dǎo)致釜門難以正常開(kāi) 關(guān)，尤其是中間軸上應(yīng)力較大，甚至出現(xiàn)過(guò)軸斷裂事 故。因此,針對(duì)蒸壓釜開(kāi)門結(jié)構(gòu)在釜門重力作用下的 受載情況進(jìn)行分析，將實(shí)際結(jié)構(gòu)縮小簡(jiǎn)化為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?搖臂軸結(jié)構(gòu)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生首先采用材 料力學(xué)知識(shí)對(duì)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn) 行測(cè)繪建模,建立有限元模型,進(jìn)行有限元仿真，進(jìn)而 搭建應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，最后 進(jìn)行綜合分析，對(duì)比分析理論計(jì)算結(jié)果、測(cè)試結(jié)果與有 限元分析結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的目標(biāo)是讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn) 過(guò)程學(xué)習(xí)將真實(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為力學(xué)模型和構(gòu)建合理 有限元模型的方法，掌握復(fù)雜工程問(wèn)題的理論分析甫 限元仿真分析實(shí)驗(yàn)分析的分析方法

8、，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字 化思維和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。圖3結(jié)構(gòu)受力分析3有限元仿真3.1建立有限元模型根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)在ANSYS Workbench軟件中建立 有限元模型，軸的材料為45號(hào)鋼，利用六面體單元對(duì) 結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對(duì)結(jié)構(gòu)施加邊界條件，實(shí)際結(jié) 構(gòu)中底座是固定的，搖臂端部掛鉤上通過(guò)重物施加載 荷,因此在結(jié)構(gòu)底部施加固定約束,在搖臂掛鉤上施加 垂直向下600 N載荷，有限元模型如圖4所示。圖1蒸壓釜圖2實(shí)驗(yàn)對(duì)象Y搖臂軸圖4有限元模型2應(yīng)力計(jì)算根據(jù)圖2所示的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,軸和底座側(cè)板通過(guò)焊接固定在一起，套筒和搖臂焊接在一起,軸和套筒之間通過(guò)軸承連接，搖臂可以繞著軸旋轉(zhuǎn)，搖臂端部掛鉤處懸掛重物加

9、載，在該結(jié)構(gòu)中軸起主要承載作用，主要對(duì)軸的受力情況進(jìn)行分析。整個(gè)結(jié)構(gòu)的受力分析見(jiàn)圖3,掛鉤處受垂直向下力C,根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可知，j 8 GIq _ 8 G由此可以看出，軸上承受載荷為彎矩和壓力，因此，套 筒和底座側(cè)板中間的軸上所受最大彎曲應(yīng)力M32 GI%, 8 區(qū) 8式中：為抗彎截面系數(shù);d為軸徑;Zo=O. 45 m。4_壓應(yīng)力為:= 2。d3.2有限元計(jì)算結(jié)果結(jié)構(gòu)受的載荷固定不變，搖臂可以繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有限 元計(jì)算時(shí)選擇搖臂與底座側(cè)板平行的位置分析結(jié)構(gòu)的 受力情況。結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布如圖5所示。A: Static StructuralEquivalent Stress 2Type: Equ

10、ivalent(von-Mises)Stress Unit:PaTime:l2019/6/28 星期五 17:071.5813E8Max1.4683E81.3554E81.2424E81.1295E8 1.0165E8 9.0359E7 7.9065E7 6.777E7 5.6476E7 4.5181E7 3.3887E7 2.2592E7 1.1298E7 3359.7 Min圖5等效應(yīng)力分布由圖5可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)中受力最大的是軸，最大等效應(yīng) 力值出現(xiàn)在軸靠近套筒下沿的軸肩應(yīng)力集中處，且處 于搖臂正下方,軸非應(yīng)力集中處最大應(yīng)力出現(xiàn)在搖臂 正下方中間處，這跟理論分析結(jié)果一致，符合實(shí)際 情況。4應(yīng)力應(yīng)

11、變測(cè)試實(shí)驗(yàn)4.1搭建測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。電阻應(yīng) 變片利用金屬絲的應(yīng)變電阻效應(yīng)將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量轉(zhuǎn) 換成電量進(jìn)行測(cè)試，即當(dāng)金屬絲沿其軸線方向受力而 產(chǎn)生變形時(shí)，其電阻值也隨之發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械結(jié) 構(gòu)的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化電量也-電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:選擇測(cè)試 位置，將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)構(gòu)件表面，然后接入測(cè)量電 路（電橋），隨著被測(cè)件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵隨 之變形,致使其電阻值發(fā)生變化，此電阻值的變化與構(gòu) 件表面應(yīng)變成比例，測(cè)量電路輸出應(yīng)變片電阻變化產(chǎn) 生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)采集儀采集處理后直接傳輸給計(jì) 算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本次試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖6 所示，采用江蘇東華測(cè)試技

12、術(shù)股份有限公司信號(hào)采集 分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，采用應(yīng)變適配器搭建電 橋電路，采用應(yīng)變片作為測(cè)試元件皿，型號(hào)為BX120- 2AA,電阻值為（120 0.2） Q,靈敏系數(shù)為（2.08 1） % O1 計(jì)算機(jī)與軟件 信號(hào)采集分析系統(tǒng)應(yīng)變適配器應(yīng)變片圖6測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖應(yīng)變片粘貼是應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的關(guān)鍵步驟,粘貼質(zhì) 量的好壞直接影響應(yīng)力測(cè)試結(jié)果目。本次實(shí)驗(yàn)采用 速干性黏貼劑進(jìn)行應(yīng)變片粘貼,在搖臂軸上豎直方向 上粘貼應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試,同時(shí)為了減少環(huán)境 溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，在與軸材料相同但不受 力的結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片作為溫度補(bǔ)償片，如圖7 所示變片,Ed為溫度補(bǔ)償片，+ac為電壓輸入端，+

13、。為輸出 端。實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變適配器進(jìn)行電路搭建，適配器連接 工作應(yīng)變片和溫度補(bǔ)償應(yīng)變片組成一個(gè)半橋電路。圖8半橋電路4.2測(cè)試過(guò)程實(shí)驗(yàn)通過(guò)在搖臂端部掛鉤上吊掛質(zhì)量已知的重物 進(jìn)行施加載荷，施加載荷時(shí)保證搖臂不擺動(dòng)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng) 如圖9所示。圖9實(shí)驗(yàn)測(cè)試加載過(guò)程實(shí)驗(yàn)采用東華測(cè)試軟件,測(cè)量量可以設(shè)置為采集 應(yīng)力或應(yīng)變。選擇測(cè)量應(yīng)力，可以采集應(yīng)變片粘貼位 置的應(yīng)力值;選擇測(cè)量應(yīng)變，可以采集應(yīng)變值,每次采 集信號(hào)前，要先對(duì)設(shè)備進(jìn)行清零平衡，盡量減小環(huán)境、 設(shè)備等對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析圖7應(yīng)變片粘貼位置搖臂軸結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量時(shí)采用應(yīng)變片半橋連 接電路，如圖8所示,E1、用為固定電阻,Eg為工作應(yīng)圖

14、10應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力結(jié)果當(dāng)載荷為圖7應(yīng)變片粘貼位置搖臂軸結(jié)構(gòu)在應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量時(shí)采用應(yīng)變片半橋連 接電路，如圖8所示,E1、用為固定電阻,Eg為工作應(yīng)圖10應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)力結(jié)果應(yīng)變片粘貼處豎直方向應(yīng)力值為106.52 MPa。 在workbench軟件中查看應(yīng)變片粘貼處等效應(yīng)力值, 從圖11中可見(jiàn)，有限元計(jì)算的應(yīng)變片粘貼處的應(yīng)力值 為102. 34 MPa,結(jié)果對(duì)比如表1所示。|1.02434響菽.1.5813E8 Max |1.02434響菽.1.5813E8 Max I.4683E81.3554E81.2424E81.1295E8 1.0165E8 9.0359E7 7.9065E7 6.77

15、7E7 5.6476E7 4.5181E7 3.3887E7 2.2592E7 1.1298E7 3359.7 MinA:Static StructuralEquivalent StressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:PaTime:l2019/6/28 星期五 16:35圖11有限元計(jì)算應(yīng)力結(jié)果合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。通過(guò)整個(gè) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的訓(xùn)練，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的 系統(tǒng)級(jí)思維能力,鍛煉學(xué)生解決工程復(fù)雜問(wèn)題的能力、 自我學(xué)習(xí)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，為課程目標(biāo)的達(dá)成提 供支撐。表1應(yīng)力結(jié)果對(duì)比理論計(jì)算/MPa有限元計(jì)算值/MPa測(cè)試值/MPa有限元分析誤差/%測(cè)試誤差/%102.79102.34106.520.443.63通過(guò)應(yīng)力值對(duì)比可見(jiàn)，豎直方向應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果 與理論計(jì)算結(jié)果的誤差為3.63%，有限元分析結(jié)果與 理論計(jì)算的誤差為