帶孔彈性元件溫度場的模擬實驗方法
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帶孔彈性元件在測力與稱重等領域有著廣泛應用。在一些特殊場合，如火箭發射、冶金生產等測控設備中作為基礎件應用時，常要處于不均勻溫度場中而產生熱應力，從而帶來測量誤差。為消除這種誤差，必須采取相應的補償措施。這就要求對帶孔彈性元件在局部熱影響下的溫度及應力分布狀態進行研究。
計算機技術的迅猛發展極大促進了有限元、邊界元等數值方法的完善，從而使得如帶孔彈性元件的溫度場、應力場分析這類理論上可以歸結為平面問題的數值模擬變得輕而易舉。與此相比，采用實驗方法研究溫度和應力問題則顯得有些陳舊和費時費力。但即便如此，實驗方法仍有其獨特優勢，首先，它可以為數值計算結果提供驗證手段，因為數值計算中若參數選擇不當或數學模型有偏差，仍會出現較大誤差；其次，計算因受計算機和軟件等條件的制約而常常無法展開，實驗則因設備和條件要求不苛刻而容易實現。
確定溫度場是研究熱應力的前提條件，因篇幅所限，本文僅討論彈性元件在局部穩態熱影響下的溫度場實驗研究方法。
2 實驗研究的基本方法簡介
2.1 實驗研究的理論基礎
根據光彈性實驗基本理論，在平面應變狀態下，彈性元件和實驗模型的熱應力間具有如下關系［1］：
在彈性遠件和模型上得到穩定的應力狀態的最短時間之比為［1］
以上公式表明，在材料性能參數已知且滿足熱平衡條件的情況下，可用模型研究彈性元件的熱應力狀態。
2.2 材料選擇與模型制作
模型材料選擇厚度為8mm的樹脂材料3Д－6M，按與元件成相似關系的幾何尺寸經機械加工方法制成［2］，應注意保持小的加工余量以防止模型上殘余應力過大。做好的模型需放入保溫爐中進行24小時的退火處理，以有效消除殘余應力。加熱器是用3Д－6M材料做骨架，以細銅絲纏繞而成，在細銅絲兩端加可調電壓，即可達到加熱并改變溫度的目的。
2.3 熱電偶的制備與標定
熱電偶是由直徑為0．33mm的細銅絲和直徑為0．4mm的康銅絲在40V電壓和96%的酒精中焊接而成。在使用前，需對所制成的熱電偶進行標定，其標定裝置如圖2—1所示 。
1－熱電偶測量端；2－盛有機油的加熱容器；3－可調變壓器；4－伏特計；
5－水銀溫度計；6－換位開關；7－指針式萬用表；8－盛有冰水混合物的容器
對制備的熱電偶在20℃～80℃范圍內進行3次重復標定，取其平均值利用最小二乘法進行數值擬合，得回歸方程
T＝2．4＋2．59 V
式中T為溫度值，V為電壓值。在上述溫度范圍內，標定曲線為一理想直線。
2.4 溫度場的確定
實驗選擇帶孔彈性元件的關鍵部位進行研究，在模型上布置一系列熱電偶，以研究溫度場的分布情況，其結構及熱電偶布置如圖2—2所示。圖2—2a研究模型沿高度方向溫度分布和模型長度B之間的關系；圖2—2b研究模型沿長度方向溫度分布和模型高度B之間的關系；圖2—2c研究單孔模型沿圓周方向溫度分布和孔徑D之間的關系；圖2—2d研究雙孔模型沿高度方向溫度分布和孔徑D之間的關系。
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