带孔弹性元件温度场的模拟实验方法

　　1　引言

　　带孔弹性元件在测力与称重等领域有着广泛应用。在一些特殊场合,如火箭发射、冶金生产等测控设备中作为基础件应用时,常要处于不均匀温度场中而产生热应力,从而带来测量误差。为消除这种误差,必须采取相应的补偿措施。这就要求对带孔弹性元件在局部热影响下的温度及应力分布状态进行研究。

　　计算机技术的迅猛发展极大促进了有限元、边界元等数值方法的完善,从而使得如带孔弹性元件的温度场、应力场分析这类理论上可以归结为平面问题的数值模拟变得轻而易举。与此相比,采用实验方法研究温度和应力问题则显得有些陈旧和费时费力。但即便如此,实验方法仍有其独特优势,首先,它可以为数值计算结果提供验证手段,因为数值计算中若参数选择不当或数学模型有偏差,仍会出现较大误差;其次,计算因受计算机和软件等条件的制约而常常无法展开,实验则因设备和条件要求不苛刻而容易实现。

　　确定温度场是研究热应力的前提条件,因篇幅所限,本文仅讨论弹性元件在局部稳态热影响下的温度场实验研究方法。

　　2　实验研究的基本方法简介

　　2·1　实验研究的理论基础

　　根据光弹性实验基本理论,在平面应变状态下,弹性元件和实验模型的热应力间具有如下关系[1]:

　　分别以下标“H”、“M”表示弹性元件和模型,式中,σH、σM—分别表示弹性元件和模型的热应力;EH、EM—二者的弹性模量;αH、αM—热膨胀系数;υH、υM—泊松系数;ΔTH、ΔTM—温度差。

　　在弹性元件和模型上得到稳定的应力状态的最短时间之比为[1]

　　式中,CH、CM—比热容;ρH、ρM—材料密度;lH、lM—弹性元件和模型的相应尺寸。以上公式表明,在材料性能参数已知且满足热平衡条件的情况下,可用模型研究弹性元件的热应力状态。

　　2·2　材料选择与模型制作

　　模型材料选择厚度为8mm的树脂材料ЗД-6M,按与元件成相似关系的几何尺寸经机械加工方法制成[2],应注意保持小的加工余量以防止模型上残余应力过大。做好的模型需放入保温炉中进行24小时的退火处理,以有效消除残余应力。加热器是用ЗД-6M材料做骨架,以细铜丝缠绕而成,在细铜丝两端加可调电压,即可达到加热并改变温度的目的。

　　2·3　热电偶的制备与标定

　　热电偶是由直径为0·33mm的细铜丝和直径为0·4mm的康铜丝在40V电压和96%的酒精中焊接而成。在使用前,需对所制成的热电偶进行标定,其标定装置如图2—1所示。