徐州师范大学本科生毕业设计 组合梁弯曲应变片粘贴及应力的测试和数值模拟
绝缘电阻是指应变片的引出线与被测金属试件之间的电阻值。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。 7.应变片的温度特性
应变片由于温度改变而产生的电阻变化，相当于应变片产生应变输出。这种由于温度变化而引起的应变输出，称为应变片的热输出。产生应变片热输出的原因主要由两个：一是应变片敏感栅材料本身的电阻温度系数引起的；二是由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生了附加变形。 (六) 应变片的种类和选用 1.应变片的种类
应变片的种类有以下几种： (1)圆弧弯头丝绕式应变片 (2)短接式应变片 (3)箔式应变片 (4)半导体应变片 2.应变片的选用
应变片种类繁多，选用时要考虑以下几个方面： (1)测试的环境条件，包括环境温度和环境湿度。
(2)被测构件的应变状态，包括应变分布梯度和应变性质
(3)被测构件的材料性质，若被测构件的材料为弹性模量较高的均质材料，则对应变片无特殊要求；若被测构件的材料为非均质材料。则应选用栅长较大的应变片，以消除因材料不均匀而带来的影响。
(4)应变片的电阻值，选用的应变片的电阻值应在电阻仪所选用的范围内。 (七) 应变片的粘贴工艺
应变片的粘贴工艺，是应变片电测试验中非常重要的一个环节。应变片粘贴的好坏，直接影响到构件表面的应变能否正确、可靠地传递到敏感栅。 1.粘合剂
选用粘合剂时，要考虑应变片的工作环境温度、湿度、有无化学腐蚀以及加温、加压固化的可能性因素，同时还应注意所用粘合剂是否与应变片的基底材料相适应。常见的粘合剂有以下几种：
(1)氰基丙烯酸脂类粘合剂的KH502胶，是我国目前在应变测量中应用最广泛的粘合剂。
(2)酚醛-缩醛树脂粘合剂，广泛应用于传感器的制作。 (3)环氧树脂粘合剂。 (4)914环氧树脂粘合剂。 2.应变片的粘贴工艺
应变片粘贴有以下几个步骤： (1)应变片的检查
首先对应变片进行外观检查，观察敏感栅是否有损坏、锈蚀斑痕、弯折以及引出线的焊点质量等方面。然后测量每个应变片的电阻值，对同一型号、规格的应变片按其阻值进行分组，使同一组内各片电阻值相差不超过0.5欧姆，否则在测量时不易调平衡。 (2)构件表面处理
先用刮刀、锉刀或手提砂轮机清除构件表面测点处的油漆、锈斑，使表面平整，然后用砂布将表面打磨光，最好能打出与贴片方向成45°的交叉微细条纹，光洁度达到▽4～▽5即可。再用划针在测点处划出细微的定位线。最后用脱脂棉球蘸甲苯、丙酮、乙醇、擦洗测点处表面，直至棉球不出现黑污为止 (3)粘贴应变片
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看清贴片的位置及方向，引出线应朝向便于布置导线的一方。
在已清洗过的贴片处和应变片的基底上，各涂一层薄薄的粘合剂，然后将应变片粘贴在预定的方位上。
在应变片上放一层透明的塑料薄膜，然后用手指滚压，挤出多余的粘合剂及气泡，并注意应变片的位置和方向不能移动。
待粘合剂稍干后，用镊子轻轻地将引出线拉离构件表面，防止它粘固在构件上。 (4)粘合剂的固化处理
对粘贴好的应变片，按粘合剂的固化程序要求进行固化处理。若需要加温、加压固化处理，可以在应变片上放一层聚四氟乙烯塑料膜和高温橡皮，然后施加所需压力进行加温固化。
(5)导线的固定和焊接
在每个应变片的引出线下面粘一块焊接贴片，，用以焊接引出线和导线，并防止引出线和金属构件短路。
试验过程中，为了防止干扰信号对测量的影响，一般均采用多芯多股屏蔽导线。导线可用胶布固定在被测构件上。在测量冲击应变和动态应变时，为了防止固定的导线脱落，可以将导线用绝缘胶布缠绕在被测构件上。
焊接导线时，要求将焊点焊透，不能虚焊，否则会使导线时通时断，产生虚假信号，甚至使测量电路失去平衡。
(6)测量应变片电阻值和绝缘电阻
用电桥测量应变片的电阻值(包括导线的电阻)，如发现异常，应检查焊点。
用高阻表测量应变片的引出线和金属试件之间的绝缘电阻，一般应大于100兆欧。 (7)应变片的防潮保护
为了防潮，可以涂敷各种防潮涂料。在室内进行静态应变测量时，只需在应变片和裸露在外的焊点处封以石蜡(或凡士林)即可。在雨季野外测试或是进行动态应变测试时，可采用硅橡胶和环氧树脂等防潮剂。 2.2.2主要实验仪器介绍
(一) XL2118A/B力&应变综合参数测试仪
XL2118A/B型力/应变综合参数测试仪是在XL2101B3型静态电阻应变仪和XL2116型测力仪的基础上所研制出来的。该仪器采用最新嵌入式MCU控制技术，通过精心设计将原来由两台仪器完成的工作由一台仪器有机的结合到一起。因此占实验室空间更小，使用更方便；同时，可选配RS-232C串行接口与配套测试软件，可与绝大多数计算机直接连接，可方便的实现显示、存储、参数修正及生成测试报告的工作，组成一套静态应变测量虚拟仪器测试系统。该综合参数测力仪采用双LED显示，测力(称重)与普通应变测试同时并行工作且互不影响。测力部分通过对测量参数的正切设置，能适配绝大多数应变力传感器；应变测量部分采用现代应变测试中常用的预读数法自动桥路平衡的办法，测量迅速而且准确。
1.性能特点：
(1)全数字化智能设计，操作简单，测量功能丰富，并可选配计算机接口，配该接口后可与微机及相应软件组成虚拟仪器测试系统。
(2)组桥方式全面，可组1/4桥、半桥、全桥，适合各种力学实验。 (3)配接力传感器测量拉压力，传感器配接范围广。
(4)测点切换采用进口优质器件程控完成，减少因开关氧化引起的接触电阻变化对测试结果的影响。
(5)采用仪器上面板接线方式，接线简单方便；接线端子采用进口端子，接触可靠，不易磨损。
2．主要技术指标：
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(1)测量范围：应变0～±19999??；
拉压力测量适配器满量程输出范围为1.000～3.000mV/V的拉压力应变传
感器。能测N、kN、kg、t (2)零点不平衡范围：?10000??
(3)灵敏系数设定范围：1.00～3.00
(4)基本误差：±0.2%F.S.±2个字
(5)自动扫描速度：XL2118A—3点/秒；XL2118B—12点/秒 (6)应变测量方式：1/4桥、半桥、全桥 (7)零点漂移：±3??/4小时；±1?/。C (8)桥压: DC2V (9)分辨率：1??
(10)测点数：1点测力，12点应变
(11)显示：应变8位LED—2位测点序号、6为测量值，四个工作状态指示灯 应力6位LED，4个测量单位指示灯N/kN/t/kg (12)电源：AC220V(±10%) 50Hz (13)功耗：约15W
(14)外形尺寸(mm)：300×305×135 (宽×深×高)；深度含仪器把手 (二) CLDT-C型材料力学多功能试验台 1.仪器介绍
(1)用途 材料力学电测法实验的装置，将多种材料力学实验集中在一个台上进行。
(2)特点 实验台采用蜗杆机构以螺旋千斤方式进行加载，经传感器由数字测力仪测试出力的读书；各试件受力变形，通过应变片由电阻应变仪显示。整机结构紧凑，加载稳定，操作省力，实验效果好
(3)结构 该实验台架体设计采用封闭型钢及铸件配制而成，表面经喷漆处理，结构紧固耐用。 2.功能
(1)纯弯曲梁横截面上正应力的分布规律实验 (2)电阻应变片灵敏系数的标定 (3)材料弹性模量E，泊松比?的测定
(4)偏心拉伸实验 (5)弯扭组合受力分析 (6)悬臂梁实验 (7)压杆稳定实验 3.技术参数
(1)试件最大作用载荷 8KN (2)加载机构作用行程 55mm
(3)手轮加载转矩 0～2.6N.m
(4)加载速度 0.13mm/转(手轮)
(5)实验台重量 250Kg
(6)外形尺寸 850(长) ×700(宽) ×1170(高)
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2.3 有限元法及有限元软件简介【29-36】 2.3.1 有限元法简介
有限元法的基本思路是“化整为零，积零为整”。它的求解步骤是：将连续的结构离散成有限多个单元，并在每个单元中设定有限多个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；然后选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似的插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的变分原理建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解结束后，利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元法具有较好的求解稳定性和收敛性，有限元分析技术作为一种运用计算机工具的数值分析方法，可以对各种力学问题进行有效地处理。有限单元法概念清晰，容易掌握，具有很强的适用性，且该方法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可充分利用计算机所具有的优势。到目前为止，有限元法已被应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域。有限元法具有下列的特点：
(1)整个系统离散为有限个元素。
(2)利用能量最低原理(Minimum Potential Energy Theory)与泛函数值定理(Stationary Functional Theory)转换成一组线性联立方程组。
(3)处理过程简明。
(4)线性、非线性均适用。
(5)整个区域做离散处理，需庞大的资料输出空间与计算机内存，解题耗时。 (6)无限区域的问题较难仿真。 2.3.2 有限元软件ANSYS简介
有限元分析离不开计算软件。我国已引进的主要软件有：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN、ASKA、MARC和NONSAP等。其中，ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件，它融结构、热、流体、电磁、声学于一体，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械工程、土木工程、能源、电子、水利、日用家电等工业及科学研究。一个典型的运用ANSYS软件进行分析的过程可以分为以下3个步骤：
(1)创建有限元模型。
创建或者读入几何模型、定义材料特性和划分节点单元。 (2)施加载荷进行求解。
在ANSYS软件中，载荷共分为6类：DOF(自由度)约束、集中力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷和耦合场载荷。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型(实体模型)上，包括关键点、线和面；也可以施加到物理模型(有限元模型)上，包括节点和单元。
(3)查看分析结果。
一旦程序计算完成，就可以通过ANSYS软件的后处理功能POST1或POST26查看计算结果。
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS5.7版，其微机版本要求的操作系统为Windows 95/98或Windows NT,也可运行于UNIX系统下。微机版的基本硬件要求为：显示分辨率为1024×768，显示内存
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为2M以上，硬盘大于350M，推荐使用17英寸显示器。
启动ANSYS，进入欢迎画面以后，程序停留在开始平台。从开始平台（主菜单）可以进入各处理模块：PREP7（通用前处理模块），SOLUTION（求解模块），POST1（通用后处理模块），POST26（时间历程后处理模块）。ANSYS用户手册的全部内容都可以联机查阅。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，也可以在命令输入窗口通过键盘输入。命令一经执行，该命令就会在.LOG文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG文件的内容。如果软件运行过程中出现问题，查看.LOG文件中的命令流及其错误提示，将有助于快速发现问题的根源。.LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在以后进行同样工作时，由ANSYS自动读入并执行，这是ANSYS软件的第三种命令输入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能有效地提高工作速度。 1. 前处理模块PREP7
双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 （1）实体建模
ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。
自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。
自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 （2）网格划分
ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
2.求解模块SOLUTION
前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。
点击快捷工具区的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。 ANSYS软件提供的分析类型如下： (1) 结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
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