静态应变仪二次开发毕业设计论文.doc
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1、太原科技大学毕业设计说明书第一章 绪 论1.1电测法测试的系统背景工程中广泛使用着各种机械和结构。组成机械和结构的元件称为构件。为了保证构件能安全可靠地工作,要求他必须具有足够的承载能力。因此,衡量构件是否具有足够的承载能力,就要从以下三个方面来考虑。强度 强度是指构件在载荷作用下抵抗破坏的能力。例如:起重机吊起重物后,其钢丝绳不能被重物拉断;减速箱运转时,其齿轮的轮齿不能被打断。这就要求构件必须具有足够的强度。刚度 在载荷作用下,构件的形状和尺寸发生的变化称为变形。构件即使有足够的强度,但变形过大,仍不能正常工作。例如齿轮轴的变形过大时,会使齿轮啮合不良和轴承不均匀磨损,引起噪音。所以对构件
2、工作时产生的变形应有一定的要求,即要求构件必须具有一定的刚度。刚度是指构件在载荷作用下抵抗变形的能力。稳定性 有些受压的细长直杆,如房屋立柱的承重,车床的光杠,千斤顶的螺杆,当压力不大时,构件能保持原来直线平衡状态。当压力超过某一定值时,构件会突然变弯而丧失了承载能力,这种现象称为丧失稳定。因此要求构件具有足够的保持原有平衡形态的能力,即要求构件有足够的稳定性。稳定性是指构件在载荷作用下保持原有平衡形态的能力。构件的强度、刚度和稳定性与材料的力学性能有关。材料的力学性能要由实验来测定;因此力学中许多理论分析和计算的结果,也需要实验的验证;一些难以进行理论分析的问题,通常借助实验方法来解决。1.
3、2软件实现的基本过程DH3818软件是静态应变测试仪的配套软件,其测试系统由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。可自动、准确、可靠、快速测量大型结构、模型及材料应力实验中多点的静态应变应力值。广泛应用于机械制造、土木工程、桥梁建设、航空航天、国防工业、交通运输等领域。若配接适当的应变式传感器,也可对多点静态的力、压力、扭矩、位移、温度等物理量进行测量。他工作于WIN9X操作系统,该软件实现了文件管理、参数设置、平衡操作、采样控制、数据查询、打印控制等功能。而本次设计就是用VB程序来实现DH3818静态应变测试仪软件的主要功能,作到用VB程序可以实现与静态应变测试仪之间进行串口通讯,即两者之间
4、的串口通讯协议能互相识别,从而能指挥静态应变测试仪完成文件管理、参数设置、平衡操作、采样控制、数据查询等功能,并可以作到将采回的数据用相应的方法和计算公式得出由线应变表示的相当应力来,根据四个强度理论和相当应力的比较来服务于实际。1.3总体设计方法1.总体设计任务本次设计的总体设计任务是:根据对静态应变测试仪的市场需求和相关用户的要求,对设计任务进行分析研究,按所设计仪器的用途、使用条件、经济条件及生产条件,从全局出发正确的选择设计用到的主要技术参数并进行合理布置。具体内容如下:掌握静应力测试系统的搭建方法,掌握与测试相关的理论力学和材料力学知识,设计出静应力不同的测试方案,利用相关公式进行数
5、据处理,掌握VB程序设计方法,完成整个测试系统的构建,进行相关英文资料的翻译和整理,书写毕业论文。2.总体设计的一般程序对于本次设计来说,总体设计的一般程序可以按以下几个阶段进行。 进行调查研究、制定设计原则这一阶段的主要任务是深入领会设计方针,明确基本技术要求,了解仪器的使用范围,同时还要了解国家对技术的先进性、产品系列化和生产方面的要求,这是总体设计的基本前提,这一阶段的主要工作是进行相关资料的收集,查询相关的生产、使用调查以及系统掌握DH3818静态应变测试仪配套软件的使用方法。通过对仪器进行相关的技术分析,确定合理的设计方案。通常将设想画成总体方案图,进行分析和改进,不断完善总体方案。
6、 系统学习力学(材料力学、理论力学)和VB程序设计方面的知识。这一阶段的主要任务是系统学习力学和VB程序设计方面的知识,掌握其中和本次设计密切相关的内容,作到能将之熟练运用于实际的程序编写中,另一方面,要努力学习静态应变测试仪的使用说明书,熟练掌握静态应变测试仪的使用方法,为以后的编写程序和实测数据打下良好的基础。 根据整理好的力学中的相关公式编写程序这一阶段的主要任务是将力学中用到的相关公式整理出来,制作成相应的表格,以便以后书写说明书是使用。然后,在老师的帮助下,仿照DH3818静态应变测试仪的配套软件的主界面用VB系统制作相应的采样和分析界面,最后将上述的相关公式编写到VB程序中,使之能
7、达到与DH3818静态应变测试仪的配套软件基本相同的功能。 调试程序这一阶段的主要任务是将编写好的程序在老师的指导下进行系统的调试工作,使程序能正常运行。要求发现程序中的问题并及时解决。 根据设计任务书完善程序并作到任务书中规定的任务这一阶段的主要任务是了解设计任务书中的下达的任务并努力将之完成。完善已调试好的程序,如对程序中界面的美观性进行改进等。 书写设计说明书并完成答辩这一阶段的主要任务是将以上学习和设计的主要工作和主要设计成果以书面格式展现出来,并将之编定成册。最后在答辩完成后作为最后成品上交。1.4 测试技术的重要性和发展趋势1.4.1测试技术的重要性测试的基本任务是获取有用的信息。
8、首先是检测出被测对象的有关信息,然后加以处理,最后将其结果提供给观察者或输入其他信息处理装置、控制系统。因此,测试技术是属于信息科学范畴,是信息技术三大支柱(测试控制技术、计算技术和通信技术)之一。测量是以确定被测物属性量值为目的的全部操作。测试是具有试验性质的测量,或者可理解为测量和试验的综合。人类在从事社会生产、经济交往和科学研究活动中,都与测试技术息息相关。测试是人类认识客观世界的手段,是科学研究的基本方法。科学的基本目的在于客观地描述自然界。科学定律是定量的定律。科学探索需要测试技术,用准确而简明的定量关系和数学语言来表述科学规律和理论也需要测试技术,检验科学理论和规律的正确性同样需要
9、测试技术。可以认为精确的测试是科学的根基。在工程技术领域中,工程研究、产品开发、生产监督、质量控制和性能试验等,都离不开测试技术。特别近代工程技术广泛应用着的自动控制技术已越来越多地运用测试技术,测试装置已成为控制系统的重要组成部分。甚至在日常生活用具,如汽车、家用电器等方面也离不开测试技术。总之,测试技术已广泛地应用于工农业生产、科学研究、国内外贸易、国防建设、交通运输、医疗卫生、环境保护和人民生活的各个方面,起着越来越重要的作用,成为国民经济发展和社会进步的一项必不可少的重要基础技术。因而,使用先进的测试技术也就成为经济高度发展和科技现代化的重要标志之一。机械工业担负着装备国民经济各个部门
10、的任务。在改革开放的过程中,机械工业面临着更新产品、革新生产技术、改善经营管理、提高产品质量、提高经济效益和参与国际市场竞争的挑战。测试技术将是机械工业对付上述挑战的基础技术之一。1.4.2测试技术的发展现代测试技术,既是促进科技发展的重要技术,又是科学技术发展的结果。现代科技的发展不断地向测试技术提出新的要求,推动测试技术的发展。与此同时,测试技术迅速吸取和综合各个科技领域(如物理学、化学、材料科学、微电子学、计算机科学和工艺学等)的新成就,开发出新的方法和装置。近年来,新技术的兴起促使测试技术蓬勃发展,尤其在以下几个方面的发展最为突出:1. 电路设计的改进 广泛采用运算放大器和各种集成电路
11、,大大简化了测试系统,提高了系统特性。例如有效地减小了负载效应,线性误差,等等。2. 新型传感器层出不穷,可测量迅速增多 当今世界已拥有极高水平的各种电子设备和信息技术。传感器是信息之源头,只有拥有良好而多样的传感器,才能在非电量的自然界中有效地使用这些设备和技术。有人认为支配了传感器技术,就能把握住新时代。能不能开发出上乘的测试装置,关键也在于传感器的开发和应用。3. 广泛应用信息技术 信息技术,特别是计算机技术和信息处理技术,使测试技术产生了巨大变化,大幅度地提高测试系统的精确度、测量能力和工作效率;引进许多新的分析手段和方法,使测试系统具有实时分析、记忆、逻辑决断、自校、自适应控制和某些
12、补偿能力,向着智能化发展。4. 多参量测量系统的开发 由于出现各种廉价传感器和实时处理装置,为开发多种传感器和多种参量测试系统提供了可能性。这种测量系统可实现多自变量函数的测量,是自动控制系统必不可少的装置。它也广泛应用于设备的监测和组成线型或面型传感器阵列进行图像或场量的测试。1.5 主要研究内容及要达到的目的本说明书主要研究的内容及要达到的目的如下:1. 整理所学到的力学知识和测试方面的知识,作出软件编制所用的公式表。2. 采用面向对象方法对静态应变测试系统的性能仿真进行了分析,建立了系统的对象模型和功能模型。3. 对静态应变测试系统进行模块划分,建立了静态应变测试系统相应的标准模块。4.
13、 建立了静态应变测试系统的数据采样、显示、分析的数学模型。5. 编制静态应变测试系统整体性能仿真软件。本说明书的研究是沿着以下思路进行的,首先,采用当前流行的面向对象的分析技术,对静态应变测试系统进行分析,建立系统对象模型。其次,运用模块化理论,对静态应变测试系统进行模块划分,收集信息,建立标准模块。然后,构建主控程序框架,编写程序,进行测试。软件开发所使用的语言为Visual Bisic 6.0. 第二章 静态测试系统的数学模型2.1 力学研究的主要方向若载荷是缓慢地由零逐渐增加到某一定值,以后保持不变或变动很小时,称为静载荷,如房屋对地基的压力。如果载荷随时间变化时,称为动载荷。如锻造时气
14、锤受到的载荷,急刹车时飞轮的轮轴受到的载荷等。构件在静载荷和动载荷作用下,分析方法不同,材料的性能也不同。本章主要介绍与设计有关的静载荷方面的知识。如静态应力测试的两个方面:单向应力状态和平面应力状态的应变的测量以及前期的关于应变和应力转换方面的相关公式推导和应力校核等方面的知识,下面分节对此进行讲解。2.2 应变与应力介绍1线应变和剪应变力学中研究的构件,大都具有足够的约束。在受到外力后,不会产生整体位移,但会产生变形。力学仅研究构件受力后,由于变形而产生的位移。为了便于分析研究,常把构件分成无数个非常微小的正六面体。当六面体的边长趋于无限小时称为单元体。单元体的变形可用线应变和剪应变来度量
15、。 线应变图2-1如图2-1所示,从构件内某点k周围取出边长为x、y和z的正六面体。若边长x变形后改变了u,则u称为绝对变形(绝对伸长或绝对缩短)。显然u的大小与所取的x有关。设在x内各处的变形程度相同,则比值:u/x=表示在x内每单位长度的伸长或缩短,称为平均线应变。若在x内各处的变形不同,可取x趋近于零时比的极限值: =称为k点沿x方向的线应变简称应变,他表示k点沿x方向变化的程度,是无量纲量。剪应变将图2-1所示正六面体的各边都缩小为无穷小时,即为单元体。单元体的各棱边除可能有长度变化外,还可能发生相互垂直的两棱边之间直角的改变。其改变量称为剪应变,也是无量纲量,常用弧度来测量。线应变和
16、剪应变是度量构件内一点处变形程度的两个基本量。如把构件内每个单元体的变形积累起来,就是构件整体变形。实验结果表明,在弹性范围内,正应力与线应变成正比;剪应力与剪应变成正比。应力与应变之间的关系将在以后2.4和2.5中详细讨论。2.应力应用截面法可以求得构件任何截面上的合力。但它不能说明构件截面上某点内力的强弱程度。为此引出了应力的概念。在受力构件的截面上,围绕一点k取一很小的面积A,A上分布内力的合力为P。显然P的大小和方向与k点的位置和A的大小有关。在A范围内,单位面积的内力平均集度为 :称为在A上的平均应力,他是个矢量。一般截面的内力系不是均匀分布的,因此,平均应力随所取面积的大小而不同。
17、所以他还不能准确地说明内力在截面上k点处的强弱程度。当A趋近于零时,的大小和方向都趋于一定极限,即 P= P即为分布内力系在k点的集度,称为截面上的应力。应力是一个矢量,一般情况下不与截面垂直,也不与截面相切。因此需把应力P分解成垂直与截面的分量和切于截面的分量。称为正应力,称为剪应力,它们都是矢量。应力的量纲是力/面积。在国际单位制中,应力的单位是牛/平方米,称为帕斯卡或简称帕。由于这个单位太小,通常使用的是兆帕,即Mpa。2.3 变形的基本假设和基本形式力学中对构成构件的变形固体,作出如下基本假设:1.连续性假设 认为组成变形固体的物质毫无空隙地充满了变形固体的几何空间。实际上组成固体的粒
18、子之间是有空隙的,是不连续的。但粒子之间的空隙与构件的尺寸相比,极其微小,在宏观的讨论中,可以忽略不计。2.均匀性假设 认为在变形固体的体积内,各处的力学性能完全相同。就工程中使用最多的金属来说,组成金属的每个晶粒的力学性能并不完全相同。但构件的一部分中,包含了无数多晶粒,而且他们是无规律的排列着,在宏观领域内其力学性能是各晶粒力学性能的统计平均值。因此可以认为构件内各部分的性质是相同的,不随其位置而改变。根据此假设,可以从构件中取出任意一小部分进行分析,然后将所得结果应用于整个构件。也可以把通过试样测得的力学性能应用于构件任何部分。3.各向同性假设 认为变形固体在各个方向上的力学性能完全相同
19、,具有这种属性的材料称为各向同性材料。实验证明,按这种理想化的材料模型研究问题所得结论能很好的符合实际情况。即使应用于具有方向性的材料,也可以得到较满意的结果。在各个方向上具有不同力学性能的材料称为各向异性材料,如木材、轧制钢材、胶合板等。4.小变形条件 在小变形条件下,研究构件的平衡和运动时,可以忽略构件的变形,按构件变形前的原始尺寸进行分析计算。这样可以使分析计算大大简化,产生的误差也很小。若构件产生的变形过大,超出了小变形条件,则属大变形问题,需要用弹性力学来解决。力学中主要研究等直杆。等直杆的理论一般也可以近似地应用于曲率很小的曲杆和横截面沿轴线变化缓慢的变截面杆。杆件在外力作用下的变
20、形,可归纳为基本变形和组合变形。杆件的基本变形有以下四种。1.轴向拉伸或压缩 作用于杆件上的外力或外力合力的作用线与杆轴线重合时,杆的变形为沿轴线方向的拉伸或压缩。起重机的钢丝绳,汽缸或活塞的活塞杆和千斤顶的螺杆的变形都属于拉伸或压缩变形。2.剪切 作用于杆件两个侧面且与轴线垂直的外力,大小相等,方向相反,作用线相距很近时,使两个力之间的各截面发生相对错动。一些连接件如铆钉、销、键等都产生剪切变形。3.扭转 在杆的两端作用着大小相等,转向相反且作用平面垂直于杆轴的力偶,使杆的任意两横截面发生饶轴线的相对转动。汽车的传动轴,车床的光杠等都产生扭转变形。4.弯曲 外力都作用在杆件的纵向平面内且与杆
21、轴垂直使轴线由直线变成曲线。如火车轮轴、桥式起重机大梁、房屋的梁等都属于弯曲变形。 若杆件同时产生几种变形,称为组合变形。2.4 单向应力状态时的应力2.4.1 单臂状态下的应力与应变的关系1. 轴向变形实验表明,直杆受拉时,轴向尺寸增大,横向尺寸减小;直杆受压时,轴向尺寸减小,横向尺寸增大。杆件在轴线方向的伸长称为绝对变形。其拉伸时为正,压缩时为负。它表示整个杆件的总的变形量,不能说明杆件的变形程度如何。度量杆件变形程度的大小,必须消除杆件原有尺寸的影响。在均匀变形中,用杆的伸长量除以得杆件沿轴线方向的相对变形 式中称为杆件轴线方向的线应变或简称线应变,是无量纲量,拉伸时为正,压缩时为负。2
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