基于LabVIEW内压薄壳容器应力测量虚拟仿真系统设计

2020-07-13吕鹏帅刘爱玲刘天新常学森

山东化工 2020年11期

吕鹏帅，刘爱玲，杨霖，刘天新，常学森

(辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山 114051)

压力容器的安全检测是工业生产中重点关注的内容，电测法是测量内压薄壳容器应力变化的常用方法，测量时利用粘合剂将电阻应变片固定在被测容器上，另一端与电阻应变仪相连接。实验时操作者通过手动加压装置控制容器内部压力，当容器变形时，应变片的电阻值也发生相应的变化。通过电阻应变仪，可以将应变片中的阻值变化测量出来并用记录仪记录。电测法虽然测量精度高，但需准备的实验器材和设备较多，步骤较为繁琐，手动加压时压力变化幅度变化大，实验时间长[1]。

近年来，虚拟仿真实验由于可以模拟真实的实验环境，依托虚拟现实、人机交互、网格通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验资源和环境，得到了快速发展。利用虚拟现实技术，在计算机上操作虚拟实验，既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可改进传统演示实验[2]。LabVIEW软件可以提供很多外观与传统仪器类似的控件，能方便地创建用户界面，是目前常用的一种虚拟仿真实验手段。本文采用LabVIEW软件根据无力矩理论，模拟内压薄壁容器周向应力和轴向应力变化情况，该方法可以更便捷的测定应力，可作为一种新的实验教学手段，也可为工程技术人员现场测量提供方便[3]。

1 无力矩理论

在承受气体内压回转薄壳内部同时存在薄膜内力和弯曲内力，当薄壳的抗弯刚度非常小，或者壳体中面的曲率、扭率改变非常小时，弯曲内力很小。在分析薄壳平衡时，可省略弯曲内力对平衡的影响，这种理论称为无力矩理论。因壳壁很薄，沿厚度方向的应力与其他应力相比很小，其他应力不随厚度而变，因此壳体中面上的应力和变形就可以代表薄壳的应力和变形。当回转薄壳承受轴对称载荷时，壳体的抗弯刚度可以抵抗弯曲、扭曲变形，壳体的应力状态仅有周向应力和轴向应力，此时处于无力矩状态，应力沿厚度均匀分布，壳体材料强度可以合理利用，是最理想的应力状态[4]。壳体无力矩理论在工程壳体结构分析中占有重要地位。根据无力矩理论可以求得几种典型回转薄壳的轴向应力σφ和周向应力σθ：

式中：p——容器所受内压力，MPa；

D——容器中径，mm；

R——容器半径，mm；

δ——容器壁厚，mm；

a——椭球形壳体长半轴，mm；

b——椭球形壳体短半轴，mm；

x——椭球形容器上某点距壳体顶点距离，mm；

r——平行圆半径，mm；

α——锥形容器锥顶角角度,°。

根据以上公式，可以计算出理想的无力矩状态下壳体的周向应力和轴向应力。若壳体边界处同时存在较大的弯曲应力和薄膜应力，可以先按无力矩理论求解，再用有力矩理论修正[4]。

2 内压容器应力测定实验系统的设计

LABVIEW软件是一种图形化的编程语言，设计时可在前面板和程序框图里同时操作。前面板提供与传统仪器类似的显示量，可用来创建用户界面。程序框图中使用图标和连线，采用数据流编程方式，程序框图中控制量之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。本系统应用显示量和控制量实现以下功能[5]。

2.1 虚拟实验室登录

图1 虚拟实验室登录用户界面图

图2 虚拟实验室登录功能VI程序框图

登陆界面由账号、密码、进度条组成。输入账号和密码可进入虚拟实验室的应力测试系统，如图1～2所示。为了保障实验数据的安全性，该平台也提供了修改密码功能，输入用户原账户密码，然后输入修改后的账户密码，点击确认即可，如图3～4所示。

图3 修改密码用户界面图

图4 修改密码界面VI程序框图

登录之后进入容器类型选择界面，根据实验要求，选择相应的容器，分别为球形容器，椭球形容器和锥形容器，如图5～6所示。点击相应按钮，进入实验界面。

图5 选择容器类型用户界面图

图6 选择容器类型VI程序框图

2.2 球形容器应力模拟实验

将容器承受的内压值，壳体的壁厚和半径数据输入程序中，点击确定。程序自动计算出此时容器不同测量点的压力。由于球形容器上外形具有特殊性，其测量点为任意选取。点击停止按钮，运行结束，系统会给出测量结果，并得到相应的图表，如图7～8所示。

图7 球形容器应力测试用户界面图

图8 球形容器应力测试VI程序框图

2.3 椭球形容器应力模拟实验

实验操作与球形容器测试操作相同，用户操作界面和程序框图如图9～10所示，椭球形容器测量点为的容器短半轴顶点，曲线上的中点和赤道点。

图9 椭球形容器应力测试用户界面图

图10 椭球形容器应力测试VI程序框图

2.4 锥形容器应力模拟实验

实验操作与球形容器测试操作相同，用户操作界面和程序框图如图11～12所示，锥形容器的测量点为锥顶点，中点和底部边缘点。

图11 锥形容器应力测试用户界面图

图12 锥形容器应力测试VI程序框图

3 电测法数据与模拟数据比较

本文以椭球形容器应力模拟实验为例对电测法获得的数据和LabVIEW仿真实验获得的数据进行对比。分别选取压力为1 MPa和2 MPa，容器短半轴长度为154.5 mm，长半轴长度为77.25 mm，容器壁厚为8 mm进行分析[6]，数据结果见图13～14。从图中可以看出，电测法获得的数据和LabVIEW仿真获得的数据误差相差不大，数据变化趋势基本一致。