基于有限元法的八角環(huán)應變式測力實驗的研究

郭浩澤

（臨汾職業(yè)技術學院，山西 臨汾，041000）

基于有限元法的八角環(huán)應變式測力實驗的研究

郭浩澤

（臨汾職業(yè)技術學院，山西 臨汾，041000）

本文通過對車削力測量實驗中涉及到的八角環(huán)測力儀的結構建立三維實體模型，利用有限元進行了動態(tài)特性分析，研究了實驗中電阻應變片的粘貼布片方案，使學生更好地理解和認識了八角環(huán)車削力測量實驗過程以及相關的知識。

ANSYS有限元分析；八角環(huán)測力儀；電阻應變片

車削力測量是近年來各大高校以及科研院所研究較多的課題之一,其中八角環(huán)測力儀由于結構簡單、價格低廉、便于維護普遍被我國高校及高職類院校開設這樣的實驗項目，并且取得了較好的教學效果，使學生們認識與了解了車削力測量系統(tǒng)的組成及原理；深入理解了金屬切削過程的基本規(guī)律及其應用；直觀的認識切削力的來源與切削用量的關系。

然而，在實驗的過程中，學生對測量儀的測量過程還是不能達到完全的掌握，特別是不能夠理解八角環(huán)測力儀受力的線性變形過程；粘貼電阻應變片位置的原因與目的,針對這樣的問題，需要對八角環(huán)測力儀的結構進行分析，研究其粘貼應變片位置的原因，以及實驗使用的參數范圍，既要滿足測量切削力的需要，還要能夠讓學生更加清楚地理解整個實驗的過程與目的。

圖 1 電阻應變片組成的測量電橋

1 八角環(huán)測力儀的測量原理

八角環(huán)測力儀主要通過測力儀受到外力的作用，從而使八角環(huán)的環(huán)體部位發(fā)生變形，使得粘貼在其表面的應變片受到拉伸或者壓縮，使得電阻應變片的電阻R值發(fā)生變化，產生變化量ΔR，為了測量電阻應變片的微小的電阻值變化量，將粘貼在測力儀上的電阻應變片連接成，某種形式的電路；應變式測力儀一般由測力體、電阻應變片以及測量電路組成，根據其電阻值的變化與形變量的變化計算即可以得到公式（1），其電阻應變片連接的電橋電路工作原理如圖1所示[1]。

圖2 施加的約束面

圖3 Fz方向應變

圖4 Fy方向的應變

圖5 Fx方向的應變

圖1 中，若R1、R2、R3、R4分別為四個電橋橋臂的電阻為等臂全橋電路，由電路原理可知，當在輸入電壓端給一個電壓信號U，在輸出端得到的電壓信號為ΔU，當R1、R2、R3、R4的電阻值均相等時，ΔU得到的電壓值為0；如果R1、R2、R3、R4分別產生的電阻值的變化為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，通過計算可以求得[2]：

由式（2）可以看出，在組成八角環(huán)測力儀電橋的電路中，使相鄰的電阻應變片的阻值發(fā)生符號相反的變化可以得到較大的值。同理可知，當R1、R2、R3、R4的電阻值都相同為R的時候可以得到以下公式：

并且要求粘貼的電阻應變片要牢固，與八角環(huán)測力儀連接緊密，電阻應變片與八角環(huán)之間要求絕緣性十分可靠，否則測得結果沒有實用價值。

圖6 Fx作用下八角環(huán)應變簡圖

圖7 Fy作用下八角環(huán)應變情況簡圖

圖8 Fz作用下八角環(huán)應變簡圖

圖9 應變片分布圖[3]

2 ANSYS有限元分析八角環(huán)測力儀

通過使用ANSYS有限元分析軟件對八角環(huán)的結構進行分析，這樣可以預先分析判斷，在八角環(huán)受到Fx、Fy、Fz三個方向的力的情況下，雙平行環(huán)的形變量最大的位置與粘貼電阻應變片的合理位置。分析選擇如何在八角環(huán)上粘貼電阻應變片可以構成比較理想的等臂全電橋電路，并且在三個方向上，他們測得的數據相互之間比較獨立。2.1 八角環(huán)測力儀力學結構分析

通過UG軟件建立八角環(huán)測力儀的三維實體模型，然后將模型導入ANSYS有限元分析軟件中，并對三維實體模型做簡化處理，八角環(huán)測力儀與車床刀架連接部分為中間帶銷孔的實體結構，在構建三維模型時可以將八角環(huán)尾部的這部分畫成實體結構，將約束構建于這部分的所有面上，恰恰模擬了八角環(huán)的柄部被夾緊的狀態(tài)。將刀具安裝的與工件的回轉中心線等高，因此刀具刀尖應該畫在八角環(huán)的幾何中心位置，同樣刀具與八角環(huán)的連接部分也可以簡化，將刀具體與八角環(huán)的實體建立成一個整體，其材質選擇為45號結構鋼，如圖2所示。

建立約束以后，在實體模型的刀尖處施加Fx、Fy、Fz的三個方向的力載荷，計算有限元的分析結果，對刀尖施加Fz方向的應變如圖3所示。

圖10 橋接圖[3]

從以上圖3、圖4、圖5中可以看出，當八角環(huán)受到Fx、Fy、Fz、三個方向的外力時，在固定刀具的實體模型部分與固定八角環(huán)的實體模型部分基本上沒有產生變形，產生變形比較明顯與較大的地方是在八角環(huán)的兩個平行環(huán)體上，并且產生的變形相對于八角環(huán)的結構中心線對稱，其中藍色部分為八角環(huán)產生的拉應變，拉應變的結果值為負（-）值，紅色部分為八角環(huán)產生的壓應變，壓應變的結果值為正值（+）。

對ANSYS軟件分析八角環(huán)測力儀在三個方向力的作用下產生的應變情況，畫出八角環(huán)上下兩環(huán)的拉壓應變情況示意如圖6、圖7、圖8所示。

根據分析的結果，盡量選擇應變較大的位置粘貼電阻應變片，并且使得使電阻應變片的電橋連接為等臂全橋電路，所以在連接電阻應變片時，相鄰的電阻應變片應該為符號相反的應變；電橋電路中相對的電阻應變片為符號相同的應變。

當對八角環(huán)施加Fz方向的力時，八角環(huán)產生的應變?yōu)閷ΨQ的，粘貼應變片應該與八角環(huán)的結構上下、左右對稱分布，并且在①、②、⑦、⑧處其應變?yōu)樽畲笾担虼苏迟N電阻應變片的位置得到的方案有三種，分別為：

(1)上下兩環(huán)的①、②、⑦、⑧處的八個應變片組成電橋；

(2)上下兩環(huán)的①、⑧處的四個電阻應變片組成電橋；

(3)上下兩環(huán)的②、⑦處的四個電阻應變片組成電橋。

當對八角環(huán)施加Fy方向的力時，八角環(huán)產生較大應變的位置為上下兩環(huán)的①、②、⑦、⑧、⑨、⑩位置。

當對八角環(huán)施加Fx方向的力時，八角環(huán)產生較大應變的位置為上下兩環(huán)的①、③、⑥、⑧、⑩位置。

由以上分析結果可以得出，在受到Fx、Fy、Fz方向的外力時，上下兩環(huán)的①、⑧兩處位置的應變值都比較大，但是由于Fz方向為切削的主切削力的方向，所以在Fz方向上①、⑧兩處位置的應變與其他兩個方向的向間干擾不容易被區(qū)分，所以測量Fz方向的全橋電路選擇第三種方案（3），因此為了使三個方向測量的應變更加符合實驗的要求，我們將八角環(huán)測力儀的應變片按照這種方法進行粘貼，如圖9、圖10所示。

并且經過ANSYS有限元分析可以模擬仿真八角環(huán)受到切削力大小為326.19N，則分解在三個方向的力分別為：Fx大小為100N，F(xiàn)y大小為80N，F(xiàn)z大小為300N,。通過軟件模擬仿真計算，可以得到式（4），八角環(huán)受到切削合力產生的應變量是分別加載三個方向的力產生的應變量的疊加結果，從而證明八角環(huán)測力儀的測量結果數據呈線性的。

圖11 前十五階模態(tài)振型頻率

2.2 八角環(huán)測力儀的模態(tài)分析

經過以上的研究分析，已經將幾何結構模型導入了ANSYS有限元分析軟件中，在此基礎上，我們在ANSYS軟件中選擇模態(tài)分析項目，采用相同的約束進行網格化，得到關于八角環(huán)測力儀的前十五階模態(tài)振型與頻率，如圖11所示。

由結果與振型可以得知，八角環(huán)測力儀在振型頻率的范圍以上，測量系統(tǒng)均會受到振動的影響，為了保證實驗數據的可靠與準確，要求選擇車床的主軸轉動頻率應該低于八角環(huán)測力儀共振頻率的4-8倍，故選擇實驗時的主軸轉速應小于76.965r/s或4617.9r/ min。如果實驗時，切削一些特殊外形的工件，還需要根據具體的情況進行選擇主軸轉速。

3 結論

本文利用有限元方法完成了八角環(huán)測力儀的結構力學分析，結構模態(tài)分析，確定了實驗測量使用的范圍；并對電阻應變片的布片方案的設計做了詳細的論證，比較明顯地消除了向間干擾，并且通過實驗結果數據可以驗證八角環(huán)測力儀的直線特性，同時也使實驗過程更好的演示與表達的更加清楚，為車削力測量系統(tǒng)的研究與教學實驗提供了更為完善的理論方法與依據，并且驗證了該方法的可行性。

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上接P72頁比結果，確保維修結果滿足專業(yè)標準。

3.5 落實維修保障管理

第一，調整直升機使用率。對于壽命后期直升機，需要結合其檢修結果各項數據，來對其使用率進行合理調整，包括起落次數、飛行間隔時間、連續(xù)飛行時間、裝載重量等，延長飛行間隔時間，且減少起落次數，避免造成安全威脅增加，減少各部附件故障發(fā)生率。直升機連續(xù)飛行時間越長，各機件需要承受的動力負荷與熱負荷越大，也更容易出現(xiàn)變形、裂紋、斷裂等情況。第二，提高維修質量。所有機務人員均要有較高的專業(yè)技能水平，以及專業(yè)操守，可以貫徹落實各項規(guī)章制度，保證各項預防性措施落實到位，最大程度上來提高直升機可靠性。

4 結束語

進入到壽命后期的直升機，各類運行故障發(fā)生概率增加，針對此特點，在對其進行維修保障管理時，需要確定各類作業(yè)要點，有針對性的采取措施進行優(yōu)化，對飛行和訓練任務進行合理調整，最大程度上來提高直升機固有可靠性。

參考文獻（References）

[1]溫偉, 秦銀雷, 劉毅. 直升機壽命后期維修保障對策[J]. 中國科技信息, 2016(19)：17-18.

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[5]戎翔. 民航發(fā)動機健康管理中的壽命預測與維修決策方法研究[D]. 南京航空航天大學, 2008.

郭浩澤（1987- ），男，本科，助教，研究方向：機械工程。