静力试验

结构试验的内容

结构试验的内容之一，借以观察和研究飞行器结构或构件在静载荷作用下的强度、刚度以及应力、变形分布情况，是验证飞行器结构强度和静力分析正确性的重要手段。全尺寸结构静力试验的加载系统比较复杂。20世纪40年代以前，静力试验时将飞机仰置，用铅粒或砂粒装在袋中模拟机翼分布载荷；用铁块吊在绳索上模拟集中载荷，方法简陋。以后改用电动机械加力器或液压作动筒和千斤顶加载。从40年代开始全尺寸结构静力试验都通过杠杆系统加载，并采用多点协调加载系统，保证各加载器能按预定比例加载，在结构破坏时能自动卸载,以避免破坏部位的继续扩大。70～80年代,静力试验已采用电子计算机控制的电动液压伺服系统自动闭合回路协调加载系统，有上百个加载器、几百个加载点、几百个测量通道、几千个应变片，并用电子计算机进行数据采集和处理。

基本信息

全尺寸结构静力试验的加载系统比较复杂。20世纪40年代以前，静力试验时将飞机仰置，用铅粒或砂粒装在袋中模拟机翼分布载荷；用铁块吊在绳索上模拟集中载荷，方法简陋。以后改用电动机械加力器或液压作动筒和千斤顶加载。从40年代开始全尺寸结构静力试验都通过杠杆系统加载，并采用多点协调加载系统，保证各加载器能按预定比例加载，在结构破坏时能自动卸载，以避免破坏部位的继续扩大。70～80年代，静力试验已采用电子计算机控制的电动液压伺服系统自动闭合回路协调加载系统，有上百个加载器、几百个加载点、几百个测量通道、几千个应变片，并用电子计算机进行数据采集和处理。

发展

据记载，意大利的达·芬奇和伽利略曾先后进行过原始而又简单的结构静力实验。随着工业的进步，结构静力实验的发展受到两方面因素的推动：一是工程结构日益复杂化，需要进行更完善的结构静力实验；二是随着技术水平的提高，结构静力实验的手段和方法不断得到改进。近年来，结构静力实验有时还和结构断裂实验结合起来。结构静力实验日趋完善，并向大型化方向发展。例如，在飞行器结构（破坏方式的或非破坏方式的）静力实验中，将整架飞机悬挂在分布的多区协调加载系统上，模拟飞机在各种飞行状态下和起飞着陆时的受力情况。这种整机的结构静力实验是鉴别飞机结构设计和制造是否合理的最终鉴定手段。对于建筑结构、船舶结构、机械结构等，也都有了完善的现代化的结构静力实验设备和方法。

内容

进行结构静力实验，须先设计和制造结构实验件、支持系统和加载装置，然后进行安装并同测量位移、应变和载荷的仪器一起调试。调试完毕后，可按下述两步进行实验：①预实验阶段。按一定程序逐级缓慢地加一不大的载荷，对位移和应变测量点进行观测和监视，找出结构承力和变形的基本趋势，并检验实验件、支持系统、加载装置和测量设备的可靠性。 ②正式试验阶段。常先取预计载荷的5～10%为初始载荷,测量初始应力、应变和位移。然后按一定程序逐级、均匀、缓慢地加载，并逐次测量和记录各应变测量点、位移测量点和载荷测量点的数据。同时，仔细观察试件，直至达到预定的载荷（如设计载荷、使用载荷等）或预定的实验状态（如实验件破坏或变形过大而无法继续进行实验的状态）。正式实验有时须反复多次。最后检验实验件，细察其残余变形和破坏情况，并对记录的位移、应变和载荷等数据作数据处理和误差分析，以得出科学的实验结论。

试验的建筑要求

静力试验大厅有特殊的建筑要求，具有承力顶棚、承力地坪等设施，大厅的有效空间尺寸和承载能力决定被试机种的最大尺寸和最大吨位。承力顶棚的高度根据多层杠杆系统布置的需要决定。全尺寸结构静力试验的应变和挠度测量主要采用电测法，即在试件上粘贴电阻应变片，并布置电位移计。零构件静力试验采用电测法、光测法和机械法，较先进的技术有光弹性法、激光全息法（包括全息光弹性）和X射线测残余应力法等。

设计和制造具有一定代表性的结构实验件，是为了更好地了解结构的承力特性或选择合理的结构参量和计算方法。实验件除了应用实际结构或实际部件外，有时为了突出结构主要因素的作用，以便通过实验选择合理的结构形式或合理的参量值，而在实验件的设计中忽略次要因素，把实验件制成具有典型结构形式的模型。采用模型实验件的另一些原因是：在实物上无法进行直接测量，或在设计工作之初要进行一些不同方案的实验比较，或出于经济上的考虑，用模型代替贵重的实物。为了能把从模型上得到的实验结果推算到实物上去，必须保证模型和实物的力学相似性，即应保证几何相似和变形位移相似，以及边界条件相似。在许多情况下仍必须采用部分的实物结构甚至整体实物结构作为实验件。

试验的常规程序

静力试验的常规程序是：先进行预加载荷试验，用20%～30%使用载荷拉紧试件，消除间隙，随即卸载；然后逐级加载至使用载荷。结构变形不应妨碍飞行器正常工作，并在卸载后无显著残余变形（例如残余挠度不超过在使用载荷下总挠度的 5%；残余应变不超过0.2%）。在再次加载到使用载荷后，继续对应变、挠度进行监控测量，逐级加载至设计载荷，要求保持一段时间（如不少于3秒钟），结构不破坏。最后选各种设计情况中最严重的一种进行破坏试验，确定结构剩余强度系数。在某些验证试验中，也可能仅加载到使用载荷或验证载荷。

结构实验件的支持系统根据连接方式可分为集中连接和分布连接两类。集中连接是以少数支持点支持实验件的连接方式，它又可分为静定连接和静不定连接。静定连接只需各支持点具有足够的强度和刚度；而静不定连接则由于支持点的反作用力和力矩不仅与外载荷特征、结构的几何形状和约束形式有关，而且与支持装置上各支点的刚度有关，因此，在设计专用支持系统时，须使各支持点之间的刚度和真实情况基本相符。为此，可在支持装置和实验件之间放置过渡夹具。分布连接是以无穷多支持点支持实验件的连接方式。实际上，只要支持点足够多，就可当作分布连接。对分布连接，难于计算或测定各支持处的刚度，因此，也难以对支持处的刚度比实现真实模拟。这样，在支持点附近的实验结果就不能反映真实情况。根据(圣维南原理),只有在距支持点足够远的点上,实验结果才有意义。另外,支持点对实验件的摩擦力（见摩擦）是多余的支持反作用力，应采取措施尽量减少。

结果分析

在对实验数据进行处理的基础上，分析实验结果并作出科学结论。结果分析包括两个方面：①根据误差理论确定系统误差（可通过实验或预先标定予以确定），估计偶然误差（即随机性误差，可根据高斯误差定律、最小二乘法和误差传递定律予以估算），求出所测各力学参量的可靠程度，并对所得数据作出合理解释。②根据处理数据的基本技术（包括数据的列表法、分度法、作图法、内插法和外推法、微分法、积分法以及用经验公式求解等）找出载荷、位移、应变、应力和结构参量等诸参量之间的函数关系，或绘出反映该函数关系的图表和曲线，最后作出科学的分析和结论。对模型实验的结果有时还需进行量纲分析。自动化程度较高的误差分析和数据处理系统能根据预编程序将位移、应变、载荷等测量数据自动输入计算机，进行适时而复杂的运算，也能自动制图或把各力学参量之间的特性曲线或图表直接显示出来。

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