應變測量基礎 | 什么是實驗應力分析

閱讀：2239 發布時間：2022-12-27

什么是實驗應力分析?

實驗應力分析（Experimental Stress Analysis, ESA）是對材料的機械應力狀態進行分析的一種方法，一般采用應變片進行測量和分析。通過如下介紹，您可以了解現有應力類別，它們的來源和狀態，以及如何通過測量的應變來確定應力。

機械應力測定

應力定義為材料在外力作用下的物理響應（變形）。它通常是由施加的力（機械應力）導致材料變形的結果，但也經常受到材料或更大系統內的力影響。

應力細分如下:

類型：正應力和剪切應力
來源：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、殘余應力和熱應力
狀態：單軸、雙軸、三軸或立體空間

根據來源定義應力

彎曲應力、扭轉應力以及拉向應力（正）和壓向應力（負）等都是以其來源命名的，其它來源還包括：

殘余應力——殘余應力 (或固有應力) 由力內部效應產生的。例如，熱處理件在淬火過程中體積的不均勻變化，金屬鑄造或塑料制品注塑的不均勻冷卻，以及焊接或鍛造件的機械加工等。簡單地來說，這些都是由于其自身內部重量不均造成的。

熱應力——熱應力是發生在系統中的一種殘余應力，其大部分是由于不同熱膨脹的部件連接在一起，防止了材料自由熱膨脹導致的，也可能是不均勻加熱的結果。

殘余應力和熱應力對材料的影響與加載應力相似，其降低了材料的承載能力。因此，只有對殘余應力進行定量和定性分析，才能充分確定結構件操作是否安全的問題。在殘余應力分析時，只有將這些應力“釋放"，才能測定這些應力，并測量材料在非應力狀態下的彈性松弛程度。應力的釋放可以通過多種方式進行，如鉆孔法或環芯法等。

基于狀態定義應力

應力狀態細分如下:

單軸應力狀態：僅在拉伸和壓縮過程中發生。
雙軸或平面應力狀態：如果應力發生在相互垂直的兩個軸上，就會發生這種情況。作用于同一平面但角度不同的力的有效方向可能不同。然而，它們總是可以進行正交分解。
三軸或三維應力狀態：如果力作用在立體空間中，則會出現這種情況。與平面應力狀態相似，三軸應力可分解在三個相互垂直的主軸上。

應變測量是有一定局限性的，因為其安裝黏貼在結構件的可接觸表面上并進行測量，因此只能提供部件表面應力狀態的信息。單軸和平面應力狀態相對簡單，通過應變測量技術即可完成。三維應力狀態則存在問題，因為通常無法沿第三軸（發生在物體內部）獲得所需的測量值。然而，受外力作用的三維物體，最大應力一般都發生在表面（例外：赫茲效應問題）。通常來說，工程師僅對最大應力感興趣，進行表面應力測定就足夠了，內部狀況的重要性較小。

如果應變可以沿第三軸測量，即物體深度，三維應力狀態則可用應變測量來分析。例如，將應變片鑄入到塑料件中。這也可能用于土木工程領域，在澆筑過程中將應變測量設備嵌入混凝土中。

通過應變測量來確定應力

機械應力無法直接測量。X射線技術是個例外，在這種技術中，微觀范圍內的材料應力可以通過晶體晶格結構的變形來測定，即通過原子分離的相對變化來測定。該過程僅限于被測物體表面5到15μm深度。

應力計算可根據材料強度理論進行計算，也可采用應變片進行測量。后一種方法基于胡克定律。機械應力可由受力F與受力材料橫截面積A的商表示：

機械應力.jpg

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