要求出的应变e1可以通过公式(6)求得,即
4?e1?E0Ei?4?0.0032.1?4?0.001429英寸/英寸
GfN又可写为:
e1=1429微英寸/英寸。
弹性体材料为17—4PH不锈钢,Em=29.13106磅/英寸2。弯曲应力Sb由公式(6)计算出应变e1,代入公式(9)得出,即
Sb=e1Em=1429×10-6×29.1×106=41.580磅/英寸2。 在弯曲梁中求弯曲应力的传统公式如下:
Sb?McJ
式中:M—应变计2在中心线上的弯矩。
C—从中性轴到梁表面的距离。 J—应变计所在截面的惯性矩。
图5 弯曲梁上应变计到表面距离引起的误差
图4和图5给出p=P/2,C=h/2,l=L/2,M=pl,对于矩形截面J=bh3/12,把这些值代入Sb=Mc/J中,得出Sb=6pl/bh2,h的计算公式为:
h?6plSbb (10)
现以用数值表示的实例进行说明,假设截面尺寸与载荷如下: L—应变计中心线之间的距离,L=1.00英寸,l=L/2=0.50英寸。 P—满量程载荷,P=100磅,p=P/2=50磅。 b—梁的宽度,b=0.625英寸。 代入公式(10)得出的结果是:
h?6?50?0.5041.580?0.625?0.076英寸
弯曲型称重传感器的误差来源
弯曲型称重传感器的误差来源,其一是由于粘贴在梁上的应变计,所用的应变粘结剂和防护涂料增加了非常薄的应变梁的刚度。因为应变计、应变粘结剂和防护涂料不会完全具有弹性,这一附加刚度就会引起滞后和非线性误差。根据估算如果钢制弹性应变梁贴片处的厚度小于0.017英寸(0.43mm),铝制弹性应变梁的厚度小于0.030英寸(0.76mm),就会出现小的误差。其二如果不考虑被粘贴的应变计与表面的那段距离(见图5中的d),那么当你计算非常薄的梁的厚度时就会出现误差。因为应变计的应变值与其到中性轴的距离成正比,所以梁的表面应变es比应变计的应变e2小一些。为阐明这点,我们假定上面梁的厚度h为0.018英寸,为了求出所需要的输出,仍需假定应变计的应变为1429微英寸/英寸,则重新计算的表面应变为:
es?1429cc?d
式中:C=h/2=0.018/2=0.009英寸。
d≈0.0015英寸。 被利用的新的应变为:
es?1429?0.0090.009?0.0015=1225微英寸/英寸。
为提供所需要的输出计算应变的误差,应该比这个例子大约高出17%,这只是计算梁厚度的一个估计的误差,并不是一个操作性的误差。
剪切型称重传感器
当载荷超过了弯曲型称重传感器的要求时,应设计成剪切型结构,但是,当载荷超过200000磅(90718kg)时,建议采用柱式结构。
剪切应变是一个角应变,不能像轴向应变那样进行测量,只能间接测量。莫尔圆有关纯剪切应力情况及应变计粘贴简图如图6所示。
图6 莫尔圆及应变计分布简图
莫尔圆表明切应力的最大值与处于拉伸状态的主应力的最大值是相等的,并且与梁的中性轴成45°方向。应变计是测量主应力产生的应变,因此应变计也同样应与中性轴成45°,如图6所示。此图同样表明一个没有载荷作用的平面部分正方形单元,当有载荷作用时正方形会变成菱形,使得一个应变计处于拉伸状态,而另一个应变计处于压缩状态。请注意应力是双轴的,其处于拉伸状态的主应力的轴向应变值不但与St成正比,而且随泊松比μSc而增加:
e1=e1'(1+μ) (11)
式中:e1—应变计1的测量应变。
e1—单轴向范围内的基准应变,e1=S/Em。
''μ—泊松比。
电桥各桥臂上的应变计承受同样的应变值,所以利用电桥总应变公式,可写为:
et=e1'?1???+e1'?1???+e1'?1???+e1'?1??? =4e1'(1+μ)
因为 N?ete1'
所以 N=4(1+μ)
泊斯特(Purest)会议有学者认为这是不符合规则的,因为e1`并没有真实的存在,但是它确实提供了正确的答案,并在N值计算中有它是很方便的。用于计算所要求的可以提供所需输出的应变算公式(6)可变为:
E0e1'?EiGf(1??) (12)
计算出所要求的单轴应变e后,应力通过公式(9)获得,即
1'Ss=St=-Sc=eEm
1'能否准确计算出称重传感器上的应力,因切应力的种类和弹性体的结构不同而产生很大的差异。例如,一个承受纯剪切应力状态的扭转轴,其切应力计算可由下面典型的公式得出:
Ss?TrJ
式中:Ss—切应力(与主应力的最大值相等)。
T—轴上的扭矩。 r—轴的半径。 J—横截面极惯性矩。
另一方面,直接利用剪切载荷准确的确定称重传感器上的切应力是极为困难的。对于剪切型轴销式称重传感器更是如此,下面列举了一些不够精确的原因:
(A)应变计是通过其栅长测量的是应变区的平均应变。如果在应变区内切应力的变化曲线非常陡,且应变计尺寸非常大,所测量的应变值就会比峰值小。
(B)最大切应力只用了直接作用于其上的最大剪切载荷的一部分。公式假设剪切载荷在一个已知的面积内,从底部到顶部较均匀分布,且切应力最大值均匀分布在中性轴上。
(C)称重传感器上的载荷分布还应与安装接头的影响相吻合,如剪切型轴销式称重传感器,其载荷分布取决于轴销与安装接头两者之间的公差,所受载荷由于安装间隙不同而异。
我们将讨论三种切应力称重传感器。准确计算为保证所需输出的弹性体尺寸,与以前所用的程序完全一样。首先进行粗略计算,最后给出准确结果。切应力称重传感器尺寸大小的计算准确率,不如圆柱、弯曲和扭转型称重传感器。
工字形截面切应力称重传感器
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