什么是实验应力分析?

.实验应力分析(Experimental Stress Analysis, ESA)是对材料的机械应力状态进行分析的一种方法,一般采用应变片进行测量和分析。通过本文您可以了解现有应力类别,以及如何从应变测量到应力状态测定等。

机械应力测定

应力定义为材料在外力作用下的物理响应(变形)。它通常是由施加的力(机械应力)导致材料变形的结果,但也经常受到材料或更大系统的力的影响。

应力细分如下:

  1. 类型: 正应力和剪应力
  2. 来源: 拉伸、压缩、弯曲、扭转、残余和热应力
  3. 状态: 单轴、双轴、三轴或立体空间

此外,与来源有关的应力分为正应力和剪应力。此外,应力可以根据状态细分。

基于来源和类型定义应力

与弯曲应力、扭转应力等以其来源命名的应力不同,按照类型定义可分为拉向应力(正)和压向应力(负),以及法向应力和剪切应力。

残余应力 (或固有应力) 由力内部效应产生,例如: 

  • 热处理件在淬火过程中体积的不均匀变化,
  • 金属铸造或塑料制品注塑的不均匀冷却,
  • 机械加工的焊接或锻造件,
  • 较大的物体,本身自重导致

热应力是发生在系统中的一种残余应力,其大部分是由于不同热膨胀的部件连接在一起,防止了材料自由热膨胀导致的,也可能是由于不均匀加热导致的。

残余应力和热应力对材料的影响与加载应力相似,其降低了材料的承载能力。因此,只有对残余应力进行定量和定性分析,才能充分确定结构件操作是否安全的问题。在残余应力分析是,只有将这些应力“释放”时,才能测定这些应力,并测量材料在非应力状态下的弹性松弛程度。应力的释放可以通过多种方式进行,如钻孔法或环芯法等。

基于状态定义应力

应力状态细分如下:

1. 单轴应力状态:仅在拉伸和压缩过程中发生。

2. .双轴或平面应力状态:如果应力发生在相互垂直的两个轴上,就会发生这种情况。理论上,平面应力的有效方向可分解在呈 90° 的两个轴上。

3. 三轴或三维应力状态:如果力作用在空间的任何方向,则会出现这种情况。与平面应力状态相似,三轴应力可分解在三个相互垂直的主轴上。

 

应变测量是有一定局限性的,因为其安装黏贴在结构件的可接触表面上进行测量,因此只能提供部件表面应力状态的信息。

单轴和平面应力状态相对简单,通过应变测量技术即可完成。三维应力状态则存在问题,因为通常无法沿第三轴(发生在物体内部)获得所需的测量值。然而,在受外力作用的三维物体,最大应力一般都位于表面!(例外:赫兹效应问题)。

通常来说,工程师仅对最大应力感兴趣,进行表面应力测定就足够了。内部状况的重要性较小。

如果应变可以沿第三轴测量,即物体深度,三维应力状态则可用应变测量来分析。例如,将应变片铸入到塑料件中。这也可能用于土木工程领域,在浇筑过程中将应变测量设备嵌入混凝土中。

根据测得的应变进行应力测量

机械应力无法直接测量。X射线技术是个例外,在这种技术中,微观范围内的材料应力可以通过晶体晶格结构的变形来测定,即通过原子分离的相对变化来测定。该过程仅限于被测物体表面 5 到 15μm 深度。

应力计算可根据材料强度理论进行计算,也可采用应变片进行测量。后一种方法基于胡克定律。

机械应力可由受力 F 与受力材料横截面积 A 的商表示:

              

了解 胡克定律 详情。


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