應力應變電測技術在水下耐壓殼體中的應用

彭月婷，李曉峰，吳 琪，牛 鍇

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030012）

0 引言

隨著科學技術的發展和測試理論的不斷創新，工程用應力應變測試方法也在不斷地發展和進步，如基于材料雙折射效應的光彈性法、電阻應變片測試法、以光纖作為信號傳輸介質的光纖光柵法以及基于雙目視覺測量原理進行的三維變形測量技術等[1]。而目前技術較為成熟、操作相對簡單且應用最為廣泛的方法是采用靜態應變儀進行的應變片電測法，然后采用有限元分析方法對整個耐壓艙殼體進行強度及穩定性研究，進而長期的數據積累對耐壓殼體設計研究提供支撐[2]，這也是力學領域研究的主要方向。

目前水下耐壓殼體以 AUV合金焊接結構為主，焊接引起的變形產生的殘余應力以及在運輸、服役過程中的顛震產生的應力集中會使殼體的機械特性發生改變，進而會造成對結構件力學性能的改變，最終引起殼體結構開裂、扭曲，極大地影響了機體的使用壽命。

本文利用阿克蒙德應變片，根據設計方提供的測點及測試要求，對15個測試位置（共計45個測點位置）進行應力應變測試，得到水下耐壓殼體水壓試驗特定關鍵部位的應力應變情況，并指出目前存在的問題，以期為今后水下耐壓殼的設計及力學分析提供選材、結構設計依據[3]。

1 單臂電橋工作原理

應變片分 3種，分別是：單軸應變片（0°紅色導線），水平方向測試；雙軸應變片（0°和 90°，紅色導線和白色導線），分水平和垂直方向測試（此次實驗選擇的是雙軸的）；三軸應變片（0°、45°、90°，紅色導線、藍色導線、白色導線），分水平、45°方向和垂直方向。根據測試點的情況具體選擇相應的線型，通過查看導線顏色來區分應變片的角度。

當構件發生變形時，應變片的阻值將發生相應的變化，通過靜態應變測試系統轉變為電壓的變化，由儀器直接測取到構件上的應力與應變。

本次測試所用通道均采用單臂電橋，單臂直流電橋又稱為惠斯登電橋，是一種專門用來測量中電阻的精密測量儀器[4]。圖1為單臂電橋原理圖，由4個電阻構成4個臂。

圖1 單臂電橋示意圖Fig.1 Schematic diagram of single-arm bridge

圖1中，R1+△R叫被測臂，R2、R3構成比例臂，R4叫比較臂。當被測量無變化時，電橋平衡時輸出為0，此時電橋平衡，因此R1R3-R2R4=0，即電橋平衡的條件為R1×R3=R2×R4。

當4個橋臂電阻都發生變化時，電橋輸出為

所以單臂電橋也稱作1/4橋，即R1為接應變片電阻，無應變時R1=R2=R3=R4=R，則橋路輸出電壓為0。

當有應變時：

可得輸出電壓：

式中，k0稱為金屬材料的靈敏系數，表征單位應變引起的電阻相對變化。式（3）表示金屬材料的電阻相對變化與軸向應變成正比，即軸向應變可以由電阻相對變化反應出來[5]。

實際應用時，R1、R2、R3、R4不可能嚴格成比例關系，所以即使在未受力時，橋路輸出也不一定為0，此時就會出現信號的零度漂移。按照測試的要求，只要不出現經常性的漂移，瞬間的數值飆升可以視為正常，在整個測試過程結束以后，處理數據時減掉這個初始漂移值即可。

本次試驗采用四分之一橋公共補償接線方式，每個橋路只接入一個應變片，所以需要接入材料進行溫度補償。當環境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的阻值漂移會影響測試結果，所以需要加入同樣材料的樣板進行溫度補償，避免溫度對阻值的影響，進而避免溫度影響最終數據。

2 耐壓殼體的應力應變測試

2.1 測點的確定

此次應力應變測試試驗共計測量15個位置，其中A、B、C、E、N位置各含有1個測點；D、F、G、G1、H、I、J、K、L、M位置各含有4個測點，共計45個測點位置，詳見圖2。

圖2 殼體測點位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of locations of measuring points on the shell

2.2 測點的具體位置描述

測點A、B、C、E、N按照指定位置粘貼，測點D、L、M粘貼在殼體的正上、正左、正下、正右位置。由于殼體的實際擺放位置的偏差和現場砂袋的影響，測點F、G、G’、H、I、J、K圍繞一圈法蘭的軸向、徑向位置各貼2個共4個應變片，實際所貼位置與殼體正上方偏8°，記錄所有測點與理論標準位置的偏差距離，便于后面仿真布點。具體測點及位置說明如表1所示。

表1 測點及測試要求Table 2 Test points and test requirements

2.3 測試分析系統

試驗所用的主要器材如表 2所示。DH3816N靜態應變測試系統性能參數如表3所示。

表2 主要試驗器材Table 2 Main test equipment

表3 DH3816N靜態應變測試系統技術指標Table 3 Technical parameters of DH3816N static strain test system

2.4 應變片的標定、粘貼和接入

為了綜合考慮測試材料、粘貼劑、導線等因素對測試結果的影響，根據現場應變片的組橋情況，應用標定梁對系統各通道參數進行修正標定。

為使應變片與被測構件粘貼得牢固，對測點表面要進行清潔處理。即對各測試點進行砂紙打磨處理，以確保貼片與構件接觸良好。然后將應變片和被測構件間用膠水固定，待膠水固定后，為避免膠層吸收空氣中的水分而降低絕緣電阻值，應在應變片接好線并且絕緣電阻達到要求后，立即對應變片進行防潮處理。防潮處理應根據試驗的要求和環境采用不同的防潮材料。常用的簡易的防潮劑可用704硅膠，本次試驗在應變片表面涂一層704硅橡膠[6]。測試過程中粘貼應變片，將導線與靜態應變測試系統進行連接。

對 45處測試位置處按照試驗要求進行粘貼應變花，另外在與測點材質對應的補償板上粘貼溫度補償片。為方便不同材料接到各自材料的補償上，將 A、B、C、E、M、N，共計 6個測點鋁合金（牌號7075），接到第1臺儀器第1行（編號 1-1-*）和第 3臺儀器第2行（編號3-2-*）。其余位置測點材質鋁合金（牌號 6061），接到剩余通道上。表4為第1臺機器測點與通道連接關系的示例。

表4 1#測試儀Table 4 1# Tester

2.5 各點貼片情況

根據試驗要求，對45處測試位置處粘貼應變花，另外在測點材質對應的補償板上粘貼溫度補償片。為方便不同材料接到各自材料的補償上，將A、B、C、E、M、N，共計6個測點（鋁合金7075），接到第1臺儀器第1行（編號1-1-*）；第3臺儀器第2行（編號3-2-*）。其余測點（鋁合金6061），接到通道上。實際測點位置與對應通道關系見表5。

表5 實際測點位置與對應通道關系Table 5 Relationship between actual measuring point positions and corresponding channels

表5（續）

因為測點太多，現以殼體后端蓋應力測試點位置舉例說明。后端蓋有4個測試點，如圖3；殼體后端蓋應力測試點包括A、B、C、E，放大后的A、B、C點詳細位置如圖4。

圖3 要求測試部位后端蓋測點位置圖Fig.3 Location of the measuring points on the back cover

圖4 A、B、C測點具體位置圖Fig.4 Specific location of measuring points A，B& C

3 應力應變測試數據分析

3.1 數據處理方法

本試驗所采用的應變花性能如表6，結構形式如圖5。

表6 應變片主要性能Table 6 Main performance of strain gauge

圖5 45°三軸應變花Fig.5 Triaxial strain rosette of 45°

由應變花所測得的各角度的應變值，通過應變花的主應變計算公式，得到各測點的主應變，進而求出各測點的主應力。根據主應力和等效應力關系，求出各測點的等效應力[7]。

其中，三軸應變花主應變計算公式（4）、主應力計算公式（5）：

應力與應變的關系為

按照第四強度理論[8]，等效應力為

式（4）中，ε1,2為主應變；式（5）中，σ1,2為主應力，分別為應變花上0°、45°、90°方向上的應變值；式（6）中，E為材料的彈性模量，N/m2；表征材料產生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發生一定彈性變形的應力越大；式（8）中σvon為等效應力。

3.2 試驗結果

根據測試試驗所得到的數據，繪制出各測點加壓、保壓、卸壓過程應變曲線，觀察試驗過程各測點應變。對比各通道的應變曲線和本身的加載曲線，得出試驗壓力變化曲線和應變曲線有很好的對應關系。

3.3 數據處理分析

在殼體封蓋之前對各個通道進行平衡調試，以消除零漂影響。但由于內部溫度和殼體搬運過程難免受外力等影響且儀器在密封殼體內進行試驗，無法在加壓之前進行平衡，所以找到加壓前4 min的試驗數據作為零點。測試的應變數據減掉零點的應變數據即為打壓狀態下殼體實際的應變數據。

單軸應變花由式（6）直接求出應力值，三軸應變花由式（4）和式（5）求出各測點主應變力，再由式（8）求出各測點的等效應力，并求出各測點等效應力的平均值。

4 結束語

在最大保壓狀態下，鋁合金7系材料的最大應力出現在后端蓋圓孔旁邊的圓弧角處（測點A），最大應力值為361.8 MPa；鋁合金6系材料的最大應力出現在法蘭I內圓弧角處（測點L2），最大應力值為205.3 MPa，此處最大應力值指P2和P4共2個保壓階段的最大壓力值。因為A點在后端蓋只有一個位置，故無需統計平均值曲線，L測點有4個位置，其不同位置最大曲線如圖6所示。

圖6 L測點4個位置平均應力曲線Fig.6 Average stress curve at four positions of measuring point L

圖6中P2是殼體保壓2 h的工作狀態下，艏段端蓋內圓弧角L測點上、下、左、右4個位置的最大應力值曲線表。此保壓狀態下，L1測點最大應力值為 170 MPa，L2測點最大應力值為205 MPa，L3測點最大應力值為155.1 MPa，L4測點最大應力值為52.5 MPa。圖9中P4是殼體保壓4 h的工作狀態下，艏段端蓋內圓弧角L測點上、下、左、右4個位置的最大應力值曲線表。此保壓狀態下，L1測點最大應力值為155.4 MPa，L2測點最大應力值為190.1 MPa，L3測點最大應力值為143.4 MPa，L4測點最大應力值為47.1 MPa。

測試結果均小于相應材料的屈服強度（鋁合金7075屈服強度為455 MPa，鋁合金6061屈服強度為276 MPa），試驗中測試部位未出現塑性變形和破壞情況。

5 結束語

此次應力應變電測技術在水下耐壓殼體的測試結果為有限元分析提供了大量的實測數據支撐，應用意義重大。相信在不久的未來經過多次類似本次試驗的應用研究，將會給ANSYS軟件對水下耐壓殼體的有限元仿真提供大量實操數據，使得有限元仿真結果更能有效地分析殼體耐壓情況下的力學特性，從而得出殼體應力集中點以及殼體的各階振動、固有頻率，進而積極指導設計上對殼體的結構優化。