基于有限元法的八角环应变式测力实验的研究

2016-04-11郭浩泽

国防制造技术 2016年4期

关键词：测力电桥切削力

郭浩泽

（临汾职业技术学院，山西临汾，041000）

基于有限元法的八角环应变式测力实验的研究

郭浩泽

（临汾职业技术学院，山西临汾，041000）

本文通过对车削力测量实验中涉及到的八角环测力仪的结构建立三维实体模型，利用有限元进行了动态特性分析，研究了实验中电阻应变片的粘贴布片方案，使学生更好地理解和认识了八角环车削力测量实验过程以及相关的知识。

ANSYS有限元分析；八角环测力仪；电阻应变片

车削力测量是近年来各大高校以及科研院所研究较多的课题之一,其中八角环测力仪由于结构简单、价格低廉、便于维护普遍被我国高校及高职类院校开设这样的实验项目，并且取得了较好的教学效果，使学生们认识与了解了车削力测量系统的组成及原理；深入理解了金属切削过程的基本规律及其应用；直观的认识切削力的来源与切削用量的关系。

然而，在实验的过程中，学生对测量仪的测量过程还是不能达到完全的掌握，特别是不能够理解八角环测力仪受力的线性变形过程；粘贴电阻应变片位置的原因与目的,针对这样的问题，需要对八角环测力仪的结构进行分析，研究其粘贴应变片位置的原因，以及实验使用的参数范围，既要满足测量切削力的需要，还要能够让学生更加清楚地理解整个实验的过程与目的。

图 1 电阻应变片组成的测量电桥

1 八角环测力仪的测量原理

八角环测力仪主要通过测力仪受到外力的作用，从而使八角环的环体部位发生变形，使得粘贴在其表面的应变片受到拉伸或者压缩，使得电阻应变片的电阻R值发生变化，产生变化量ΔR，为了测量电阻应变片的微小的电阻值变化量，将粘贴在测力仪上的电阻应变片连接成，某种形式的电路；应变式测力仪一般由测力体、电阻应变片以及测量电路组成，根据其电阻值的变化与形变量的变化计算即可以得到公式（1），其电阻应变片连接的电桥电路工作原理如图1所示[1]。

图2 施加的约束面

图3 Fz方向应变

图4 Fy方向的应变

图5 Fx方向的应变

图1 中，若R1、R2、R3、R4分别为四个电桥桥臂的电阻为等臂全桥电路，由电路原理可知，当在输入电压端给一个电压信号U，在输出端得到的电压信号为ΔU，当R1、R2、R3、R4的电阻值均相等时，ΔU得到的电压值为0；如果R1、R2、R3、R4分别产生的电阻值的变化为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，通过计算可以求得[2]：

由式（2）可以看出，在组成八角环测力仪电桥的电路中，使相邻的电阻应变片的阻值发生符号相反的变化可以得到较大的值。同理可知，当R1、R2、R3、R4的电阻值都相同为R的时候可以得到以下公式：

并且要求粘贴的电阻应变片要牢固，与八角环测力仪连接紧密，电阻应变片与八角环之间要求绝缘性十分可靠，否则测得结果没有实用价值。

图6 Fx作用下八角环应变简图

图7 Fy作用下八角环应变情况简图

图8 Fz作用下八角环应变简图

图9 应变片分布图[3]

2 ANSYS有限元分析八角环测力仪

通过使用ANSYS有限元分析软件对八角环的结构进行分析，这样可以预先分析判断，在八角环受到Fx、Fy、Fz三个方向的力的情况下，双平行环的形变量最大的位置与粘贴电阻应变片的合理位置。分析选择如何在八角环上粘贴电阻应变片可以构成比较理想的等臂全电桥电路，并且在三个方向上，他们测得的数据相互之间比较独立。2.1 八角环测力仪力学结构分析

通过UG软件建立八角环测力仪的三维实体模型，然后将模型导入ANSYS有限元分析软件中，并对三维实体模型做简化处理，八角环测力仪与车床刀架连接部分为中间带销孔的实体结构，在构建三维模型时可以将八角环尾部的这部分画成实体结构，将约束构建于这部分的所有面上，恰恰模拟了八角环的柄部被夹紧的状态。将刀具安装的与工件的回转中心线等高，因此刀具刀尖应该画在八角环的几何中心位置，同样刀具与八角环的连接部分也可以简化，将刀具体与八角环的实体建立成一个整体，其材质选择为45号结构钢，如图2所示。

建立约束以后，在实体模型的刀尖处施加Fx、Fy、Fz的三个方向的力载荷，计算有限元的分析结果，对刀尖施加Fz方向的应变如图3所示。

图10 桥接图[3]

从以上图3、图4、图5中可以看出，当八角环受到Fx、Fy、Fz、三个方向的外力时，在固定刀具的实体模型部分与固定八角环的实体模型部分基本上没有产生变形，产生变形比较明显与较大的地方是在八角环的两个平行环体上，并且产生的变形相对于八角环的结构中心线对称，其中蓝色部分为八角环产生的拉应变，拉应变的结果值为负（-）值，红色部分为八角环产生的压应变，压应变的结果值为正值（+）。

对ANSYS软件分析八角环测力仪在三个方向力的作用下产生的应变情况，画出八角环上下两环的拉压应变情况示意如图6、图7、图8所示。

根据分析的结果，尽量选择应变较大的位置粘贴电阻应变片，并且使得使电阻应变片的电桥连接为等臂全桥电路，所以在连接电阻应变片时，相邻的电阻应变片应该为符号相反的应变；电桥电路中相对的电阻应变片为符号相同的应变。

当对八角环施加Fz方向的力时，八角环产生的应变为对称的，粘贴应变片应该与八角环的结构上下、左右对称分布，并且在①、②、⑦、⑧处其应变为最大值，因此粘贴电阻应变片的位置得到的方案有三种，分别为：

(1)上下两环的①、②、⑦、⑧处的八个应变片组成电桥；

(2)上下两环的①、⑧处的四个电阻应变片组成电桥；

(3)上下两环的②、⑦处的四个电阻应变片组成电桥。

当对八角环施加Fy方向的力时，八角环产生较大应变的位置为上下两环的①、②、⑦、⑧、⑨、⑩位置。

当对八角环施加Fx方向的力时，八角环产生较大应变的位置为上下两环的①、③、⑥、⑧、⑩位置。

由以上分析结果可以得出，在受到Fx、Fy、Fz方向的外力时，上下两环的①、⑧两处位置的应变值都比较大，但是由于Fz方向为切削的主切削力的方向，所以在Fz方向上①、⑧两处位置的应变与其他两个方向的向间干扰不容易被区分，所以测量Fz方向的全桥电路选择第三种方案（3），因此为了使三个方向测量的应变更加符合实验的要求，我们将八角环测力仪的应变片按照这种方法进行粘贴，如图9、图10所示。

并且经过ANSYS有限元分析可以模拟仿真八角环受到切削力大小为326.19N，则分解在三个方向的力分别为：Fx大小为100N，Fy大小为80N，Fz大小为300N,。通过软件模拟仿真计算，可以得到式（4），八角环受到切削合力产生的应变量是分别加载三个方向的力产生的应变量的叠加结果，从而证明八角环测力仪的测量结果数据呈线性的。

图11 前十五阶模态振型频率

2.2 八角环测力仪的模态分析

经过以上的研究分析，已经将几何结构模型导入了ANSYS有限元分析软件中，在此基础上，我们在ANSYS软件中选择模态分析项目，采用相同的约束进行网格化，得到关于八角环测力仪的前十五阶模态振型与频率，如图11所示。

由结果与振型可以得知，八角环测力仪在振型频率的范围以上，测量系统均会受到振动的影响，为了保证实验数据的可靠与准确，要求选择车床的主轴转动频率应该低于八角环测力仪共振频率的4-8倍，故选择实验时的主轴转速应小于76.965r/s或4617.9r/ min。如果实验时，切削一些特殊外形的工件，还需要根据具体的情况进行选择主轴转速。

3 结论

本文利用有限元方法完成了八角环测力仪的结构力学分析，结构模态分析，确定了实验测量使用的范围；并对电阻应变片的布片方案的设计做了详细的论证，比较明显地消除了向间干扰，并且通过实验结果数据可以验证八角环测力仪的直线特性，同时也使实验过程更好的演示与表达的更加清楚，为车削力测量系统的研究与教学实验提供了更为完善的理论方法与依据，并且验证了该方法的可行性。

（References）

[1] 李娟, 徐宏海, 袁海强.切削力测量技术现状及其发展趋势分析[J].现代商贸工业, 2007, 6(19)： 180-181.

[2] 张军. AT89C51单片机在数控车床切削力测量中的应用[J].微计算机信息, 2005(16)： 127 -129.

[3] 河南科技学院.《金属切削原理与刀具》实验指导书.河南科技学院, 2012.

[4] 郭文斌, 高晶晶, 韩宝生.切削力测量实验的一体化教学法[J].农业工程, 2014, 4：96- 99 .

[5] 刘平芳, 李宝福, 樊俊伟.八角环测力刀架的改进设计[J].现代机械. 2011(1)：7-9. [6] 杨渝生, 何建国, 田.用有限单元法分析八角环参数对其应力(应变)特性的影响[J]. 贵州工学院学报, 1982(3)：25-30.

上接P72页比结果，确保维修结果满足专业标准。

3.5 落实维修保障管理

第一，调整直升机使用率。对于寿命后期直升机，需要结合其检修结果各项数据，来对其使用率进行合理调整，包括起落次数、飞行间隔时间、连续飞行时间、装载重量等，延长飞行间隔时间，且减少起落次数，避免造成安全威胁增加，减少各部附件故障发生率。直升机连续飞行时间越长，各机件需要承受的动力负荷与热负荷越大，也更容易出现变形、裂纹、断裂等情况。第二，提高维修质量。所有机务人员均要有较高的专业技能水平，以及专业操守，可以贯彻落实各项规章制度，保证各项预防性措施落实到位，最大程度上来提高直升机可靠性。