帶孔彈性元件溫度場的模擬實驗方法
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帶孔彈性元件在測力與稱重等領域有著廣泛應用。在一些特殊場合，如火箭發(fā)射、冶金生產(chǎn)等測控設備中作為基礎件應用時，常要處于不均勻溫度場中而產(chǎn)生熱應力，從而帶來測量誤差。為消除這種誤差，必須采取相應的補償措施。這就要求對帶孔彈性元件在局部熱影響下的溫度及應力分布狀態(tài)進行研究。
計算機技術的迅猛發(fā)展極大促進了有限元、邊界元等數(shù)值方法的完善，從而使得如帶孔彈性元件的溫度場、應力場分析這類理論上可以歸結(jié)為平面問題的數(shù)值模擬變得輕而易舉。與此相比，采用實驗方法研究溫度和應力問題則顯得有些陳舊和費時費力。但即便如此，實驗方法仍有其獨特優(yōu)勢，首先，它可以為數(shù)值計算結(jié)果提供驗證手段，因為數(shù)值計算中若參數(shù)選擇不當或數(shù)學模型有偏差，仍會出現(xiàn)較大誤差；其次，計算因受計算機和軟件等條件的制約而常常無法展開，實驗則因設備和條件要求不苛刻而容易實現(xiàn)。
確定溫度場是研究熱應力的前提條件，因篇幅所限，本文僅討論彈性元件在局部穩(wěn)態(tài)熱影響下的溫度場實驗研究方法。
2 實驗研究的基本方法簡介
2.1 實驗研究的理論基礎
根據(jù)光彈性實驗基本理論，在平面應變狀態(tài)下，彈性元件和實驗模型的熱應力間具有如下關系［1］：
在彈性遠件和模型上得到穩(wěn)定的應力狀態(tài)的最短時間之比為［1］
以上公式表明，在材料性能參數(shù)已知且滿足熱平衡條件的情況下，可用模型研究彈性元件的熱應力狀態(tài)。
2.2 材料選擇與模型制作
模型材料選擇厚度為8mm的樹脂材料3Д－6M，按與元件成相似關系的幾何尺寸經(jīng)機械加工方法制成［2］，應注意保持小的加工余量以防止模型上殘余應力過大。做好的模型需放入保溫爐中進行24小時的退火處理，以有效消除殘余應力。加熱器是用3Д－6M材料做骨架，以細銅絲纏繞而成，在細銅絲兩端加可調(diào)電壓，即可達到加熱并改變溫度的目的。
2.3 熱電偶的制備與標定
熱電偶是由直徑為0．33mm的細銅絲和直徑為0．4mm的康銅絲在40V電壓和96%的酒精中焊接而成。在使用前，需對所制成的熱電偶進行標定，其標定裝置如圖2—1所示 。
1－熱電偶測量端；2－盛有機油的加熱容器；3－可調(diào)變壓器；4－伏特計；
5－水銀溫度計；6－換位開關；7－指針式萬用表；8－盛有冰水混合物的容器
對制備的熱電偶在20℃～80℃范圍內(nèi)進行3次重復標定，取其平均值利用最小二乘法進行數(shù)值擬合，得回歸方程
T＝2．4＋2．59 V
式中T為溫度值，V為電壓值。在上述溫度范圍內(nèi)，標定曲線為一理想直線。
2.4 溫度場的確定
實驗選擇帶孔彈性元件的關鍵部位進行研究，在模型上布置一系列熱電偶，以研究溫度場的分布情況，其結(jié)構及熱電偶布置如圖2—2所示。圖2—2a研究模型沿高度方向溫度分布和模型長度B之間的關系；圖2—2b研究模型沿長度方向溫度分布和模型高度B之間的關系；圖2—2c研究單孔模型沿圓周方向溫度分布和孔徑D之間的關系；圖2—2d研究雙孔模型沿高度方向溫度分布和孔徑D之間的關系。
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