应变测量基础 | 什么是实验应力分析

HBM测试与测量 2022年12月21日浏览：2385 收藏：1

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。通过如下介绍，您可以了解现有应力类别，它们的来源和状态，以及如何通过测量的应变来确定应力。

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内的力影响。

应力细分如下:

类型：正应力和剪切应力
来源：拉伸、压缩、弯曲、扭转、残余应力和热应力
状态：单轴、双轴、三轴或立体空间

根据来源定义应力

弯曲应力、扭转应力以及拉向应力（正）和压向应力（负）等都是以其来源命名的，其它来源还包括：

残余应力 —— 残余应力 (或固有应力) 由力内部效应产生的。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，以及焊接或锻造件的机械加工等。简单地来说，这些都是由于其自身内部重量不均造成的。

热应力 ——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，也可能是不均匀加热的结果。

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。在残余应力分析时，只有将这些应力“释放”，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:

单轴应力状态：仅在拉伸和压缩过程中发生。
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。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，它们总是可以进行正交分解。
三轴或三维应力状态：如果力作用在立体空间中，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并进行测量，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，受外力作用的三维物体，最大应力一般都发生在表面（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。

通过应变测量来确定应力

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：