应变电测技术在产品结构强度设计中的应用

在进行产品结构强度设计时，由于结构形状和实际载荷条件的复杂性，采用常规的力学理论很难进行准确合理的计算分析。近年来，有限元分析技术在产品设计工作中得到了广泛的应用，但其成本很高，又不能完全满足要求。因为假设的简化条件与实际情况有出入，特别是对铸造件，其内部不可避免存在气孔、缩松等缺陷，材料的连续性遭到破坏，应力分布与理想状态相差甚远，如仍用有限元分析计算会产生较大的误差；因此，用实验方法验证设计计算结果非常必要。

应变电测技术是一种较好的实验验证方法，它利用金属材料在受力时产生弹性变形的特性，采用电阻应变片作为传感元件，将产品表面应变转换成电阻的相对变化，然后用应变测量仪将电阻再转换成电压或电流变化，经放大、检波、测量、记录，最后将应变换算为直观的应力。

应变电测技术典型应用

案例一

组合承力索座是某公司研制的新产品，材质为ZG270-500。由于它的结构、受力状态复杂，同时铸造工艺易形成内部缺陷，很难进行有限元分析，采用应变电测技术进行设计验证的情况简要如下：

首先根据经验在组合承力索座危险断面上选取测点，并在受力方向明确的测点上，粘贴应变片；对受力方向不明确的测点，粘贴应变花。共布置了8枚应变花和4枚应变片。

然后模拟产品的实际工况进行安装和施加载荷，测量不同状态下各点的应变大小，最后进行计算，将应变转换为应力。

应力应变测试结果表明，盖板上危险部位的实际应力值超过了允许应力。设计人员根据测试数据重新设计，加大了相关部位尺寸厚度，同时加大圆弧过渡外半径，避免应力集中。重新进行应力应变测试，结果合格。从而大大缩短了组合承力索座研制周期，确保了使用安全。

案例二

某公司使用的铜合金套管铰环发生质量事故后，全线三万多套需要全部更换，可供选择的替代产品有锻钢96式和锻钢92式。这两种型式进行有限元分析都合格，并有自己的优势。到底选用哪一个是个有争议的问题。

为了用数据验证，对这两种产品分别进行了应力应变测试。根据铜质实际断裂部位及有限元分析计算结果，应力危险部位在抱箍与连接平板过渡处。为此，在两种抱箍上布置了9枚应变花，另外在每个U型螺栓上也布置了5枚应变片。测试结果表明，96式产品各别危险部位的应力值接近允许应力值，与有限元分析结果相差较大；92式产品的安全裕度更大，应力值普遍比96式产品的小，与有限元分析结果相近，从而科学决策提供了技术依据。

案例三

定位夹环是某城市地铁第一次使用的一种新产品，其结构小巧轻便，由于壁厚只有3mm，看起来很薄，业主有些担心质量问题。后通过应力测试技术的验证，结果合格。

应用中应注意的问题

测试部位的选择

测试的主要目的是检验产品的最薄弱部位是否合格，若测试部位选择不当，有可能得出错误的结论。一般是利用有限元分析结果并结合实际经验进行选择。

粘贴应变片

应变片粘贴水平的高低直接决定整个测试的成败。产品表面打磨的不够平、清洗不干净、粘剂太多或太少、压紧力不均匀、压紧时间不够等，都可能造成应变片与产品粘贴不好而在测试过程中开脱，导致失败，必须特别注意。

常量E、μ值的选用

常量E、μ值一般设计手册中都可以查到，作为一般测试，可以直接利用。但材料经过各种工艺加工后，性能有时会有较大的变化。因此，在进行准确地测试时，建议首先测量出产品的实际E、μ值。

结论

应变电测技术具有测量精度高、灵敏度高、数据稳定、测量技术简单、测量范围大等优点，用于产品开发设计方面具有很大的优势。

使用应变电测技术，对产品设计情况进行实验验证，可以确保产品设计更加合理、科学，避免大批量生产后造成的质量隐患。同时可以提高新产品开发进度。