轴压试验载荷测量的误差分析

何晓勃，田振宇，张茹远

（中国航天科技集团公司第四研究院四〇一所，西安710025）

轴压试验载荷测量的误差分析

何晓勃，田振宇，张茹远

（中国航天科技集团公司第四研究院四〇一所，西安710025）

轴压试验是考核试验件承受最大轴向压缩载荷的试验，影响轴压试验载荷测量的因素有很多，试验设备误差及测量系统误差是轴压试验误差的主要来源，其余为边界条件影响。分析了各种误差来源及误差计算方法，可对轴压试验提供一定的参考，各种误差累计之后对轴压载荷测量的影响即可计算得出，最终对轴压试验结果提供一定的参考。

轴压试验；安装误差；测量误差；总误差

轴压试验是模拟试验件最大轴向压缩载荷所进行的试验，其主要目的是考核试验件在轴向压缩载荷作用下的工作可靠性；获得试验件在轴向压缩载荷作用下主要部位的应变和位移情况，为试验件设计提供真实、可靠的有效数据。

本文主要叙述薄壁圆筒形状试验件的轴压试验。根据轴压试验的受力特点及其他试验情况中的轴压载荷，圆筒形状轴压试验在整个静力试验中占有很大比重。

试验载荷误差可视为在试验过程中，试验件实际承受的载荷与试验给定的载荷值之差。因此，这里着重分析筒段轴压试验的误差。

轴压加载的误差来源主要有2个方面：①所使用的加载系统及测量系统，包括加载系统设计和加工之间的偏差，试验件的安装偏差对试验件的附加载荷；②作为边界条件的模拟件，包括加载设备加载是否准确，载荷的模型计算及其测量系统测试结果等引起的误差。

因此，这里着重分析筒段轴压试验的误差。

1 引起载荷误差的各个环节

1.1 试验设备的设计加工和试验安装误差

对于试验工装（试验件的前、后连接部分等）和试验加载设备（油缸、管路及控制设备等），设计加工误差、试验件的安装偏差等引起试验的载荷误差是安装及测量中变化的系统误差，这类误差属系偶误差性质。

图1 误差产生部位

一般边界通常安装在试验件上、下，不考虑试验件本身误差的影响，可以试验件为界分上、下两部分进行讨论。安装误差引起的加力线的偏斜给试验件带来附加载荷，具体产生误差部位见图1，即试验件轴线对两承力点连接的垂直平分线的同轴度影响，加力帽两加载孔心连线的垂直平分线对试验件轴线的同轴度的影响，试验件对接面与基准面的平行度的影响，加力帽下端面对试验件上端面平行度的影响。

1.2 力源不稳定的误差

由于受到试验位置、能源位置及油温等的影响，通过管路输送油压不一定很平稳，试验加载过程中加载力会出现冲击载荷，或因阀门变换缓慢出现几个载荷上升速率不同的现象，所以，按原给定的加载载荷平稳加载比较困难，会引起一定的误差。

1.3 测力系统的误差

测力传感器（力传感器）和二次仪表（测力表）等组成力的测量系统，在使用时均在有效检定期内，但误差是由2部分组成的，即上级部门标检之后的系统误差和测量时产生的测量误差。

1.4 实际加载载荷计算的误差

力传感器标定一般是按满量程的5～6级进行，标定之后形成一个线性区域，误差在精度允许范围内即为合格。试验正式加载时一般是将试验件的实际载荷分为多级进行加载，一般为最大载荷的整数百分比；虽然力传感器满足精度要求，但试验件的试验载荷与测力传感器的标定载荷不一定都在一个载荷点上，所以出现了偶然误差。

2 试验载荷值的总误差

在试验过程中，测力系统的显示载荷值与试验件受到的实际载荷值之差是由测力系统、加载力不稳及载荷计算的误差集合而成，按方和根法合成，即：

式（1）中：E指示为显示载荷值的误差；E测力为测力系统的误差；E力源为加载不稳定的误差；E换算为载荷计算的误差。

按绝对值和法合成为：

试验的载荷值总误差是工装设计加工、试验的整体安装及试验设备设计的误差引起的附加载荷值构成的误差和测力系统指示载荷值的误差组成。方和根合成为：

式（3）中：E总和为试验载荷值的总误差；E附加为工装设计加工、试验的整体安装及试验设备设计的误差引起的附加载荷值构成的误差。

按绝对值和法合成为：

引起载荷测量的误差原因多种多样，从分析结果看，各部分误差合成之后即为系统的总误差，但各部分误差量难以界定，在实际试验时，无法准确分析、判断在单个试验时会出现多少误差，所以，试验必须多次进行，从一定数量的样本分析中去消除载荷测量的误差。

从每个误差环节可看出，实际每个环节产生的误差数量级应在总载荷的0.1%左右，单项误差环节是在误差允许范围内，但各个环节合成误差应为总载荷的1%左右，要大于国标误差允许范围；实际加载中，设计输入允许误差一般为1%，这样可保证减少加载难度，通过多次试验计算误差，得到最终的试验件载荷。

3 试验测量误差的消除

从上述章节分析得出各个部分误差来源，通过来源我们可对各个环节进行改进，尽量减少总误差数量级，得到更加接近于实际载荷的加载方式。

3.1 试验设备的设计加工和安装误差减少

减少安装间隙及安装空隙，使得各个工装在有限范围内活动，可有效减少安装误差。

3.2 力源不稳定的误差减少

对于检测油源系统及加载系统，应对力传感器进行定期标定，对载荷进行多点分级加载，尽量得到准确、平滑的加载力。

3.3 测力系统的误差减少

升高力传感器标定级别，比如国家2级标定，进度减少标定误差，试验前进行带系统标定，减少测力系统各个环节带来的误差。

3.4 实际加载载荷计算的误差减少

采用计算机辅助计算软件结合理论力学计算方法进行载荷计算，得到更加真实、更加接近于实际载荷的计算载荷。

4 误差总结

载荷测量误差无法完全消除，但可以有效减少，经过多年试验经验总结，我们在试验时得出大量测量经验，现在已经可以将测量及加载误差控制在5‰以内；可通过持续改进，继续减少载荷测量误差，使得到的载荷更加接近实际载荷，获得更加真实、有效、翔实的试验数据。

［1］魏生道.结构静力试验技术［M］.北京：宇航出版社，1988.

〔编辑：张思楠〕

O346.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.033

2095－6835（2017）14－0033－02