靜力試驗

結構試驗的內容之一，藉以觀察和研究飛行器結構或構件在靜載荷作用下的強度、剛度以及應力、變形分布情況，是驗證飛行器結構強度和靜力分析正確性的重要手段。全尺寸結構靜力試驗的載入系統比較複雜。20世紀40年代以前，靜力試驗時將飛機仰置，用鉛粒或砂粒裝在袋中模擬機翼分布載荷；用鐵塊吊在繩索上模擬集中載荷，方法簡陋。以後改用電動機械加力器或液壓作動筒和千斤頂載入。從40年代開始全尺寸結構靜力試驗都通過槓桿系統載入，並採用多點協調載入系統，保證各載入器能按預定比例載入，在結構破壞時能自動卸載,以避免破壞部位的繼續擴大。70～80年代,靜力試驗已採用電子計算機控制的電動液壓伺服系統自動閉合迴路協調載入系統，有上百個載入器、幾百個載入點、幾百個測量通道、幾千個應變片，並用電子計算機進行數據採集和處理。

基本介紹

• 中文名：靜力試驗
• 領域：力學
• 套用：科研、工業

概述

全尺寸結構靜力試驗的載入系統比較複雜。20世紀40年代以前，靜力試驗時將飛機仰置，用鉛粒或砂粒裝在袋中模擬機翼分布載荷；用鐵塊吊在繩索上模擬集中載荷，方法簡陋。以後改用電動機械加力器或液壓作動筒和千斤頂載入。從40年代開始全尺寸結構靜力試驗都通過槓桿系統載入，並採用多點協調載入系統，保證各載入器能按預定比例載入，在結構破壞時能自動卸載，以避免破壞部位的繼續擴大。70～80年代，靜力試驗已採用電子計算機控制的電動液壓伺服系統自動閉合迴路協調載入系統，有上百個載入器、幾百個載入點、幾百個測量通道、幾千個應變片，並用電子計算機進行數據採集和處理。

發展

據記載，義大利的達·文西和伽利略曾先後進行過原始而又簡單的結構靜力實驗。隨著工業的進步，結構靜力實驗的發展受到兩方面因素的推動：一是工程結構日益複雜化，需要進行更完善的結構靜力實驗；二是隨著技術水平的提高，結構靜力實驗的手段和方法不斷得到改進。近年來，結構靜力實驗有時還和結構斷裂實驗結合起來。結構靜力實驗日趨完善，並向大型化方向發展。例如，在飛行器結構（破壞方式的或非破壞方式的）靜力實驗中，將整架飛機懸掛在分布的多區協調載入系統上，模擬飛機在各種飛行狀態下和起飛著陸時的受力情況。這種整機的結構靜力實驗是鑑別飛機結構設計和製造是否合理的最終鑑定手段。對於建築結構、船舶結構、機械結構等，也都有了完善的現代化的結構靜力實驗設備和方法。

內容

進行結構靜力實驗，須先設計和製造結構實驗件、支持系統和載入裝置，然後進行安裝並同測量位移、應變和載荷的儀器一起調試。調試完畢後，可按下述兩步進行實驗：①預實驗階段。按一定程式逐級緩慢地加一不大的載荷，對位移和應變測量點進行觀測和監視，找出結構承力和變形的基本趨勢，並檢驗實驗件、支持系統、 載入裝置和測量設備的可靠性。 ②正式試驗階段。常先取預計載荷的5～10%為初始載荷,測量初始應力、應變和位移。然後按一定程式逐級、均勻、緩慢地載入，並逐次測量和記錄各應變測量點、位移測量點和載荷測量點的數據。同時，仔細觀察試件，直至達到預定的載荷（如設計載荷、使用載荷等）或預定的實驗狀態（如實驗件破壞或變形過大而無法繼續進行實驗的狀態）。正式實驗有時須反覆多次。最後檢驗實驗件，細察其殘餘變形和破壞情況，並對記錄的位移、應變和載荷等數據作數據處理和誤差分析，以得出科學的實驗結論。

試驗的建築要求

靜力試驗大廳有特殊的建築要求，具有承力頂棚、承力地坪等設施，大廳的有效空間尺寸和承載能力決定被試機種的最大尺寸和最大噸位。承力頂棚的高度根據多層槓桿系統布置的需要決定。全尺寸結構靜力試驗的應變和撓度測量主要採用電測法，即在試件上貼上電阻應變片，並布置電位移計。零構件靜力試驗採用電測法、光測法和機械法，較先進的技術有光彈性法、雷射全息法（包括全息光彈性）和X射線測殘餘應力法等。

設計和製造具有一定代表性的結構實驗件，是為了更好地了解結構的承力特性或選擇合理的結構參量和計算方法。實驗件除了套用實際結構或實際部件外，有時為了突出結構主要因素的作用，以便通過實驗選擇合理的結構形式或合理的參量值，而在實驗件的設計中忽略次要因素，把實驗件製成具有典型結構形式的模型。採用模型實驗件的另一些原因是：在實物上無法進行直接測量，或在設計工作之初要進行一些不同方案的實驗比較，或出於經濟上的考慮，用模型代替貴重的實物。為了能把從模型上得到的實驗結果推算到實物上去，必須保證模型和實物的力學相似性，即應保證幾何相似和變形位移相似，以及邊界條件相似。在許多情況下仍必須採用部分的實物結構甚至整體實物結構作為實驗件。

試驗的常規程式

靜力試驗的常規程式是：先進行預載入荷試驗，用20%～30%使用載荷拉緊試件，消除間隙，隨即卸載；然後逐級載入至使用載荷。結構變形不應妨礙飛行器正常工作，並在卸載後無顯著殘餘變形（例如殘餘撓度不超過在使用載荷下總撓度的 5%；殘餘應變不超過0.2%）。在再次載入到使用載荷後，繼續對應變、撓度進行監控測量，逐級載入至設計載荷，要求保持一段時間（如不少於3秒鐘），結構不破壞。最後選各種設計情況中最嚴重的一種進行破壞試驗，確定結構剩餘強度係數。在某些驗證試驗中，也可能僅載入到使用載荷或驗證載荷。

結構實驗件的支持系統根據連線方式可分為集中連線和分布連線兩類。集中連線是以少數支持點支持實驗件的連線方式，它又可分為靜定連線和靜不定連線。靜定連線只需各支持點具有足夠的強度和剛度；而靜不定連線則由於支持點的反作用力和力矩不僅與外載荷特徵、結構的幾何形狀和約束形式有關，而且與支持裝置上各支點的剛度有關，因此，在設計專用支持系統時，須使各支持點之間的剛度和真實情況基本相符。為此，可在支持裝置和實驗件之間放置過渡夾具。分布連線是以無窮多支持點支持實驗件的連線方式。實際上，只要支持點足夠多，就可當作分布連線。對分布連線，難於計算或測定各支持處的剛度，因此，也難以對支持處的剛度比實現真實模擬。這樣，在支持點附近的實驗結果就不能反映真實情況。根據(聖維南原理),只有在距支持點足夠遠的點上,實驗結果才有意義。另外,支持點對實驗件的摩擦力（見摩擦）是多餘的支持反作用力，應採取措施儘量減少。

結果分析

在對實驗數據進行處理的基礎上，分析實驗結果並作出科學結論。結果分析包括兩個方面：①根據誤差理論確定系統誤差（可通過實驗或預先標定予以確定），估計偶然誤差（即隨機性誤差，可根據高斯誤差定律、最小二乘法和誤差傳遞定律予以估算），求出所測各力學參量的可靠程度，並對所得數據作出合理解釋。②根據處理數據的基本技術（包括數據的列表法、分度法、作圖法、內插法和外推法、微分法、積分法以及用經驗公式求解等）找出載荷、位移、應變、應力和結構參量等諸參量之間的函式關係，或繪出反映該函式關係的圖表和曲線，最後作出科學的分析和結論。對模型實驗的結果有時還需進行量綱分析。自動化程度較高的誤差分析和數據處理系統能根據預編程式將位移、應變、載荷等測量數據自動輸入計算機，進行適時而複雜的運算，也能自動製圖或把各力學參量之間的特性曲線或圖表直接顯示出來。