軸壓試驗(yàn)載荷測(cè)量的誤差分析

何曉勃，田振宇，張茹遠(yuǎn)

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院四〇一所，西安710025）

軸壓試驗(yàn)載荷測(cè)量的誤差分析

何曉勃，田振宇，張茹遠(yuǎn)

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院四〇一所，西安710025）

軸壓試驗(yàn)是考核試驗(yàn)件承受最大軸向壓縮載荷的試驗(yàn)，影響軸壓試驗(yàn)載荷測(cè)量的因素有很多，試驗(yàn)設(shè)備誤差及測(cè)量系統(tǒng)誤差是軸壓試驗(yàn)誤差的主要來源，其余為邊界條件影響。分析了各種誤差來源及誤差計(jì)算方法，可對(duì)軸壓試驗(yàn)提供一定的參考，各種誤差累計(jì)之后對(duì)軸壓載荷測(cè)量的影響即可計(jì)算得出，最終對(duì)軸壓試驗(yàn)結(jié)果提供一定的參考。

軸壓試驗(yàn)；安裝誤差；測(cè)量誤差；總誤差

軸壓試驗(yàn)是模擬試驗(yàn)件最大軸向壓縮載荷所進(jìn)行的試驗(yàn)，其主要目的是考核試驗(yàn)件在軸向壓縮載荷作用下的工作可靠性；獲得試驗(yàn)件在軸向壓縮載荷作用下主要部位的應(yīng)變和位移情況，為試驗(yàn)件設(shè)計(jì)提供真實(shí)、可靠的有效數(shù)據(jù)。

本文主要敘述薄壁圓筒形狀試驗(yàn)件的軸壓試驗(yàn)。根據(jù)軸壓試驗(yàn)的受力特點(diǎn)及其他試驗(yàn)情況中的軸壓載荷，圓筒形狀軸壓試驗(yàn)在整個(gè)靜力試驗(yàn)中占有很大比重。

試驗(yàn)載荷誤差可視為在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)件實(shí)際承受的載荷與試驗(yàn)給定的載荷值之差。因此，這里著重分析筒段軸壓試驗(yàn)的誤差。

軸壓加載的誤差來源主要有2個(gè)方面：①所使用的加載系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)，包括加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工之間的偏差，試驗(yàn)件的安裝偏差對(duì)試驗(yàn)件的附加載荷；②作為邊界條件的模擬件，包括加載設(shè)備加載是否準(zhǔn)確，載荷的模型計(jì)算及其測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果等引起的誤差。

因此，這里著重分析筒段軸壓試驗(yàn)的誤差。

1 引起載荷誤差的各個(gè)環(huán)節(jié)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)加工和試驗(yàn)安裝誤差

對(duì)于試驗(yàn)工裝（試驗(yàn)件的前、后連接部分等）和試驗(yàn)加載設(shè)備（油缸、管路及控制設(shè)備等），設(shè)計(jì)加工誤差、試驗(yàn)件的安裝偏差等引起試驗(yàn)的載荷誤差是安裝及測(cè)量中變化的系統(tǒng)誤差，這類誤差屬系偶誤差性質(zhì)。

圖1 誤差產(chǎn)生部位

一般邊界通常安裝在試驗(yàn)件上、下，不考慮試驗(yàn)件本身誤差的影響，可以試驗(yàn)件為界分上、下兩部分進(jìn)行討論。安裝誤差引起的加力線的偏斜給試驗(yàn)件帶來附加載荷，具體產(chǎn)生誤差部位見圖1，即試驗(yàn)件軸線對(duì)兩承力點(diǎn)連接的垂直平分線的同軸度影響，加力帽兩加載孔心連線的垂直平分線對(duì)試驗(yàn)件軸線的同軸度的影響，試驗(yàn)件對(duì)接面與基準(zhǔn)面的平行度的影響，加力帽下端面對(duì)試驗(yàn)件上端面平行度的影響。

1.2 力源不穩(wěn)定的誤差

由于受到試驗(yàn)位置、能源位置及油溫等的影響，通過管路輸送油壓不一定很平穩(wěn)，試驗(yàn)加載過程中加載力會(huì)出現(xiàn)沖擊載荷，或因閥門變換緩慢出現(xiàn)幾個(gè)載荷上升速率不同的現(xiàn)象，所以，按原給定的加載載荷平穩(wěn)加載比較困難，會(huì)引起一定的誤差。

1.3 測(cè)力系統(tǒng)的誤差

測(cè)力傳感器（力傳感器）和二次儀表（測(cè)力表）等組成力的測(cè)量系統(tǒng)，在使用時(shí)均在有效檢定期內(nèi)，但誤差是由2部分組成的，即上級(jí)部門標(biāo)檢之后的系統(tǒng)誤差和測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

1.4 實(shí)際加載載荷計(jì)算的誤差

力傳感器標(biāo)定一般是按滿量程的5～6級(jí)進(jìn)行，標(biāo)定之后形成一個(gè)線性區(qū)域，誤差在精度允許范圍內(nèi)即為合格。試驗(yàn)正式加載時(shí)一般是將試驗(yàn)件的實(shí)際載荷分為多級(jí)進(jìn)行加載，一般為最大載荷的整數(shù)百分比；雖然力傳感器滿足精度要求，但試驗(yàn)件的試驗(yàn)載荷與測(cè)力傳感器的標(biāo)定載荷不一定都在一個(gè)載荷點(diǎn)上，所以出現(xiàn)了偶然誤差。

2 試驗(yàn)載荷值的總誤差

在試驗(yàn)過程中，測(cè)力系統(tǒng)的顯示載荷值與試驗(yàn)件受到的實(shí)際載荷值之差是由測(cè)力系統(tǒng)、加載力不穩(wěn)及載荷計(jì)算的誤差集合而成，按方和根法合成，即：

式（1）中：E指示為顯示載荷值的誤差；E測(cè)力為測(cè)力系統(tǒng)的誤差；E力源為加載不穩(wěn)定的誤差；E換算為載荷計(jì)算的誤差。

按絕對(duì)值和法合成為：

試驗(yàn)的載荷值總誤差是工裝設(shè)計(jì)加工、試驗(yàn)的整體安裝及試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的誤差引起的附加載荷值構(gòu)成的誤差和測(cè)力系統(tǒng)指示載荷值的誤差組成。方和根合成為：

式（3）中：E總和為試驗(yàn)載荷值的總誤差；E附加為工裝設(shè)計(jì)加工、試驗(yàn)的整體安裝及試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)的誤差引起的附加載荷值構(gòu)成的誤差。

按絕對(duì)值和法合成為：

引起載荷測(cè)量的誤差原因多種多樣，從分析結(jié)果看，各部分誤差合成之后即為系統(tǒng)的總誤差，但各部分誤差量難以界定，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，無法準(zhǔn)確分析、判斷在單個(gè)試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多少誤差，所以，試驗(yàn)必須多次進(jìn)行，從一定數(shù)量的樣本分析中去消除載荷測(cè)量的誤差。

從每個(gè)誤差環(huán)節(jié)可看出，實(shí)際每個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差數(shù)量級(jí)應(yīng)在總載荷的0.1%左右，單項(xiàng)誤差環(huán)節(jié)是在誤差允許范圍內(nèi)，但各個(gè)環(huán)節(jié)合成誤差應(yīng)為總載荷的1%左右，要大于國(guó)標(biāo)誤差允許范圍；實(shí)際加載中，設(shè)計(jì)輸入允許誤差一般為1%，這樣可保證減少加載難度，通過多次試驗(yàn)計(jì)算誤差，得到最終的試驗(yàn)件載荷。

3 試驗(yàn)測(cè)量誤差的消除

從上述章節(jié)分析得出各個(gè)部分誤差來源，通過來源我們可對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，盡量減少總誤差數(shù)量級(jí)，得到更加接近于實(shí)際載荷的加載方式。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)加工和安裝誤差減少

減少安裝間隙及安裝空隙，使得各個(gè)工裝在有限范圍內(nèi)活動(dòng)，可有效減少安裝誤差。

3.2 力源不穩(wěn)定的誤差減少

對(duì)于檢測(cè)油源系統(tǒng)及加載系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)力傳感器進(jìn)行定期標(biāo)定，對(duì)載荷進(jìn)行多點(diǎn)分級(jí)加載，盡量得到準(zhǔn)確、平滑的加載力。

3.3 測(cè)力系統(tǒng)的誤差減少

升高力傳感器標(biāo)定級(jí)別，比如國(guó)家2級(jí)標(biāo)定，進(jìn)度減少標(biāo)定誤差，試驗(yàn)前進(jìn)行帶系統(tǒng)標(biāo)定，減少測(cè)力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)帶來的誤差。

3.4 實(shí)際加載載荷計(jì)算的誤差減少

采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算軟件結(jié)合理論力學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行載荷計(jì)算，得到更加真實(shí)、更加接近于實(shí)際載荷的計(jì)算載荷。

4 誤差總結(jié)

載荷測(cè)量誤差無法完全消除，但可以有效減少，經(jīng)過多年試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)得出大量測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在已經(jīng)可以將測(cè)量及加載誤差控制在5‰以內(nèi)；可通過持續(xù)改進(jìn)，繼續(xù)減少載荷測(cè)量誤差，使得到的載荷更加接近實(shí)際載荷，獲得更加真實(shí)、有效、翔實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］魏生道.結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：宇航出版社，1988.

〔編輯：張思楠〕

O346.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.033

2095－6835（2017）14－0033－02