一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，該方法的步驟包括：⑴樣品分類、⑵選取測(cè)試點(diǎn)位、⑶測(cè)試點(diǎn)位排序、⑷測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)注、⑸吸合落錘、⑹提升落錘、⑺放置表箱、⑻落錘沖擊、⑼所有標(biāo)注出的測(cè)試點(diǎn)位均實(shí)施落錘沖擊、⑽裂紋處理、⑾裂紋測(cè)量記錄、⑿所有樣品處理及⒀測(cè)試結(jié)果計(jì)算，本發(fā)明通過有限元分分析方法，對(duì)表箱進(jìn)行了落錘破壞分析，得到了表箱主要應(yīng)力分布，為快速評(píng)價(jià)表箱抗沖擊性能提供了保障，本發(fā)明方法填補(bǔ)了電力系統(tǒng)表箱抗沖擊性能檢測(cè)領(lǐng)域的空白，建立了對(duì)現(xiàn)有表箱抗沖擊性能的定量化評(píng)價(jià)方法。
【專利說明】一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料抗沖擊性能定量分析【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料的主要弱點(diǎn)是對(duì)沖擊損傷的敏感，以及含沖擊損傷結(jié)構(gòu)壓縮承載能力的急劇下降。研究表明，隨沖擊能量的增加，其壓縮承載能力的變沖擊能量化包括兩個(gè)階段，即在低沖擊能量階段，隨沖擊能量的增加，其壓縮承載能力不斷下降，當(dāng)沖擊能量超過某一數(shù)值后，其壓縮承載能力基本上不再下降而保持不變。由于結(jié)構(gòu)可能遭受的外來物沖擊能量是隨機(jī)變量，無法確定，因此對(duì)復(fù)合材料體系抗沖擊損傷能力的評(píng)定應(yīng)該包括所有這兩個(gè)階段。
[0003]現(xiàn)階段電力系統(tǒng)中，由于大量的表箱都是采用復(fù)合材料尤其是片狀模塑料(SMC)材料制作，對(duì)于在運(yùn)輸、安裝和使用過程中，對(duì)外力的抗沖擊性一直沒有一種快速、定量的手段進(jìn)行測(cè)試，造成因受到外力沖擊發(fā)生破壞，廢品率、次品率增加，耽誤施工進(jìn)度的事故發(fā)生。目前，還沒有較為科學(xué)的針對(duì)片狀模塑料表箱質(zhì)量的檢測(cè)方法與手段。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種基于有限兀的表箱評(píng)價(jià)方法，實(shí)施該方法所使用的片狀模塑料表箱落錘沖擊檢測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括機(jī)械鋼架、地基、底板、落錘、落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)，落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括落錘吸合電磁鐵及落錘保護(hù)套管，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括落錘機(jī)控制部分和有限元分析主機(jī)部分，本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)是:發(fā)明方法的具體工作步驟如下:
[0007]⑴樣品分類:將不同類別表箱分為樣本，在同一樣本中取測(cè)試樣品；
[0008]⑵選取測(cè)試點(diǎn)位:對(duì)測(cè)試樣品利用有限元分析主機(jī)，通過模擬打擊，找出表箱上最容易對(duì)受力區(qū)域造成最大沖擊載荷的點(diǎn)位作為測(cè)試點(diǎn)；
[0009]⑶測(cè)試點(diǎn)位排序:根據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，將選取的測(cè)試點(diǎn)位按照打擊破壞從易到難的順序排序；
[0010]⑷測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)注；
[0011](5)吸合落錘:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘吸合電磁鐵吸合落錘；
[0012](6)提升落錘:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)提升落錘；
[0013](7)放置表箱:將表箱放在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底板上；
[0014](8)落錘沖擊:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)釋放落錘，打擊被試樣品測(cè)試點(diǎn)位；
[0015](9)所有標(biāo)注出的測(cè)試點(diǎn)位均實(shí)施落錘沖擊；[0016](10)裂紋處理:找出表箱上所有被打擊造成的裂紋；
[0017](11)裂紋測(cè)量記錄:用直尺對(duì)所有裂紋長度進(jìn)行測(cè)量并記錄；
[0018](12)所有樣品處理:換取其它樣品，重復(fù)測(cè)試步驟⑷至(11)；
[0019](13)測(cè)試結(jié)果計(jì)算:對(duì)每一個(gè)樣品的所有打擊測(cè)試點(diǎn)位裂紋進(jìn)行加和，再對(duì)所有樣品的加和裂紋長度求平均值，確定樣本的平均加和裂紋長度，通過樣本間平均加和裂紋長度值的大小判斷樣本的質(zhì)量。
[0020]而且，所述步驟⑴中的樣本數(shù)為2，樣品數(shù)為10。
[0021]而且，所述步驟⑵選取測(cè)試點(diǎn)位中的模擬打擊的具體步驟是:
[0022]①樣本參數(shù)輸入:向有限兀分析主機(jī)中分別輸入不同類別表箱樣本的密度、拉伸模量、速度、面積、載荷、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征參數(shù)；
[0023]②模擬出樣本表箱的受力情況:利用有限元分析主機(jī)部分對(duì)樣本表箱右上角進(jìn)行受力點(diǎn)模擬打擊，模擬出受力情況，根據(jù)模擬受力區(qū)域的載荷分布找出實(shí)驗(yàn)打擊點(diǎn)；
[0024]③找出整個(gè)樣本表箱測(cè)試點(diǎn)位:循環(huán)步驟②對(duì)整個(gè)表箱面板不同區(qū)域的耐沖擊程度進(jìn)行區(qū)分，找出測(cè)試所需的全部測(cè)試點(diǎn)位。
[0025]而且，所述步驟⑷測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)注為測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)記用數(shù)字排序，測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)記用“X”記號(hào)確定，交叉點(diǎn)即為測(cè)試點(diǎn)位。
[0026]而且，所述步驟(5)吸合落錘中的落錘重量為3kg。
[0027]而且，所述步驟(6)提升落錘中是將落錘提升到350mm高。
[0028]而且，所述步驟(9)中所有標(biāo)注出的測(cè)試點(diǎn)位共計(jì)為16個(gè)測(cè)試點(diǎn)位。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:
[0030]1、本發(fā)明方法填補(bǔ)了電力系統(tǒng)表箱抗沖擊性能檢測(cè)領(lǐng)域的空白，建立了對(duì)現(xiàn)有表箱抗沖擊性能的定量化評(píng)價(jià)方法。
[0031]2、本發(fā)明利用機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制與傳感分析系統(tǒng)兩大部分聯(lián)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過有限元分分析方法，對(duì)表箱進(jìn)行了落錘破壞分析，得到了表箱主要應(yīng)力分布，為快速評(píng)價(jià)表箱抗沖擊性能提供了保障。
[0032]3、本發(fā)明利用常規(guī)的落錘實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元模擬分析方法對(duì)表箱的應(yīng)力分布進(jìn)行定量化測(cè)試，是首次將裂紋擴(kuò)展有限元分析方法從理論上落實(shí)到實(shí)踐上的一種新的方法，也是獨(dú)立評(píng)價(jià)表箱質(zhì)量的一種手段。
[0033]4、本發(fā)明將復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了輸入即輸出的簡(jiǎn)易化的操作，提供了對(duì)話性強(qiáng)，上手簡(jiǎn)單的實(shí)際操作體驗(yàn)，大大提高了對(duì)表箱的篩選和評(píng)價(jià)效率，在實(shí)際的工程應(yīng)用中有極為便捷的普及意義和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1為片狀模塑料表箱的主視圖；
[0035]圖2為圖1片狀模塑料表箱的左視圖；
[0036]圖3為本發(fā)明所使用的硬件系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明中有限元分析主機(jī)實(shí)施模擬打擊時(shí)樣品表箱的受力載荷分布圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0038]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述:需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，如圖3所示，實(shí)施該方法所使用的片狀模塑料表箱落錘沖擊檢測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
[0040]其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括機(jī)械鋼架、地基、底板、落錘、落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)，落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括落錘吸合電磁鐵及落錘保護(hù)套管，被測(cè)試表箱置于底板上，并將表箱的預(yù)定落錘打擊點(diǎn)置于落錘的正下方，落錘提升機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將落錘提升至預(yù)定高度，然后將落錘釋放。
[0041]計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括落錘機(jī)控制部分和有限元分析主機(jī)部分，錘機(jī)控制部分由控制主機(jī)及控制主機(jī)中安裝的落錘控制軟件構(gòu)成，限元分析主機(jī)內(nèi)安裝有限元分析軟件，落錘機(jī)控制軟件負(fù)責(zé)操作機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中落錘的提升與釋放結(jié)構(gòu)，有限元分析軟件負(fù)責(zé)選取模擬表箱的受力情況，選擇恰當(dāng)?shù)穆溴N檢測(cè)點(diǎn)位。
[0042]該發(fā)明方法的具體工作步驟如下:
[0043]⑴樣品分類:選取用于檢測(cè)的不同類別表箱樣品，每種類別選取10個(gè)樣品為1個(gè)樣本。選擇2個(gè)樣本作為表箱檢測(cè)的被試品；
[0044]⑵選取測(cè)試點(diǎn)位:
[0045]①樣本參數(shù)輸入:向有限元分析主機(jī)中分別輸入2個(gè)被試品樣本的密度、拉伸模量、速度、面積、載荷、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征；
[0046]②模擬出表箱的受力情況:利用有限元分析軟件對(duì)圖1中右上角進(jìn)行受力點(diǎn)模擬打擊，模擬出的受力情況如圖4所示，周圍灰色的部分表示受到?jīng)_擊區(qū)域的載荷。根據(jù)模擬受力區(qū)域的載荷分布找出實(shí)驗(yàn)打擊點(diǎn)，如圖1所示，上角打擊點(diǎn)為1處。可以通過有限元分析軟件對(duì)右上角附近的多個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行模擬打擊，形成多個(gè)模擬受力區(qū)域的載荷分布，選出右上角最容易對(duì)受力區(qū)域造成較大的沖擊載荷的點(diǎn)位；
[0047]③找出整個(gè)表箱測(cè)試點(diǎn)位:循環(huán)步驟②對(duì)整個(gè)表箱面板不同區(qū)域的耐沖擊程度進(jìn)行區(qū)分，找出容易發(fā)生破壞的點(diǎn)位共有16個(gè)，如圖1或2所示，這些點(diǎn)位就能夠代表整個(gè)表箱上所有的位置的耐沖擊情況；
[0048]⑶測(cè)試點(diǎn)位排序:根據(jù)有限元分析軟件的數(shù)據(jù)結(jié)果，分析出按照破壞從易到難16個(gè)點(diǎn)位位置排序?yàn)橥瑫r(shí)靠近矩形窗口和表箱邊框的點(diǎn)位>表箱邊框附近點(diǎn)位 > 矩形窗口邊附近點(diǎn)位 > 矩形窗口角附近點(diǎn)位 > 遠(yuǎn)離矩形窗口和表箱邊框的點(diǎn)位 > 表箱面板的角部，這就是表箱的主要力學(xué)特征；
[0049]⑷點(diǎn)位標(biāo)注:對(duì)每一被測(cè)試的樣品表箱進(jìn)行16個(gè)點(diǎn)位的標(biāo)記,點(diǎn)位標(biāo)記用數(shù)字排序，從小到大進(jìn)行標(biāo)注，點(diǎn)位標(biāo)記用圓圈確定，也可由“X”記號(hào)來代替，交叉點(diǎn)即為圓心的位置；
[0050](5)吸合落錘:用落錘機(jī)控制軟件手動(dòng)控制調(diào)整落錘提升機(jī)構(gòu)的落錘吸合電磁鐵到最低位置，將3kg的落錘放在吸合電磁鐵上并吸合；
[0051](6)提升落錘:由落錘提升機(jī)構(gòu)將落錘提升到+350mm高，然后安裝上保護(hù)套管；
[0052](7)放置表箱:將表箱放在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底板上，將步驟⑷標(biāo)注出的預(yù)打擊點(diǎn)位對(duì)準(zhǔn)落錘的中心位置，用可調(diào)節(jié)的夾塊將表箱固定在底臺(tái)上，即套管垂直向下投射在表箱上的點(diǎn)位與打擊標(biāo)注點(diǎn)位重合；[0053](8)落錘沖擊:利用落錘機(jī)控制軟件釋放落錘，沖擊被試樣品，將錘頭移開，松開夾塊，取走表箱蓋，再卸下試驗(yàn)機(jī)的套管；
[0054](9) 16個(gè)點(diǎn)位均實(shí)施落錘沖擊:換取其它的測(cè)試點(diǎn)位，重復(fù)測(cè)試步驟(5)至(8)；
[0055](10)裂紋處理:表箱在完成落錘打擊試驗(yàn)后，在表箱被打擊處采用紗布或脫脂棉粘少量紫藥水涂抹，涂抹區(qū)域沿觀測(cè)到的裂紋向外擴(kuò)展，一直到無裂紋處為止，用一塊干凈的紗布或脫脂棉將多余的紫藥水擦掉，便可清晰地看到全部裂紋；
[0056](11)裂紋測(cè)量記錄:用直尺對(duì)裂紋長度進(jìn)行測(cè)量并記錄；
[0057](12)所有樣品處理:換取其它樣品，重復(fù)測(cè)試步驟⑷至(11)，對(duì)每一樣本的所有10個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試；
[0058](1?測(cè)試結(jié)果計(jì)算:
[0059]對(duì)每一個(gè)樣品的16個(gè)打擊點(diǎn)位裂紋進(jìn)行加和，公式如下:
[0060]L (i) =每一個(gè)裂紋的長度，
【權(quán)利要求】
1.一種基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，實(shí)施該方法所使用的片狀模塑料表箱落錘沖擊檢測(cè)系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括機(jī)械鋼架、地基、底板、落錘、落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)，落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括落錘吸合電磁鐵及落錘保護(hù)套管，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)包括落錘機(jī)控制部分和有限元分析主機(jī)部分，其特征在于:該發(fā)明方法的具體工作步驟如下: ⑴樣品分類:將不同類別表箱分為樣本，在同一樣本中取測(cè)試樣品； ⑵選取測(cè)試點(diǎn)位:對(duì)測(cè)試樣品利用有限元分析主機(jī)，通過模擬打擊，找出表箱上最容易對(duì)受力區(qū)域造成最大沖擊載荷的點(diǎn)位作為測(cè)試點(diǎn)； ⑶測(cè)試點(diǎn)位排序:根據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，將選取的測(cè)試點(diǎn)位按照打擊破壞從易到難的順序排序； ⑷測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)注； (5)吸合落錘:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘吸合電磁鐵吸合落錘； (6)提升落錘:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)提升落錘； (7)放置表箱:將表箱放在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)底板上； ⑶落錘沖擊:由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制落錘提升與釋放結(jié)構(gòu)釋放落錘，打擊被試樣品測(cè)試點(diǎn)位； ⑶所有標(biāo)注出的測(cè)試點(diǎn)位均實(shí)施落錘沖擊； (10)裂紋處理:找出表箱上所有被打擊造成的裂紋； (11)裂紋測(cè)量記錄:用直尺對(duì)所`有裂紋長度進(jìn)行測(cè)量并記錄； (12)所有樣品處理:換取其它樣品，重復(fù)測(cè)試步驟⑷至(11); (13)測(cè)試結(jié)果計(jì)算:對(duì)每一個(gè)樣品的所有打擊測(cè)試點(diǎn)位裂紋進(jìn)行加和，再對(duì)所有樣品的加和裂紋長度求平均值，確定樣本的平均加和裂紋長度，通過樣本間平均加和裂紋長度值的大小判斷樣本的質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟⑴中的樣本數(shù)為2,樣品數(shù)為10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟⑵選取測(cè)試點(diǎn)位中的模擬打擊的具體步驟是: ①樣本參數(shù)輸入:向有限兀分析主機(jī)中分別輸入不同類別表箱樣本的密度、拉伸模量、速度、面積、載荷、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征參數(shù)； ②模擬出樣本表箱的受力情況:利用有限元分析主機(jī)部分對(duì)樣本表箱右上角進(jìn)行受力點(diǎn)模擬打擊，模擬出受力情況，根據(jù)模擬受力區(qū)域的載荷分布找出實(shí)驗(yàn)打擊點(diǎn)； ③找出整個(gè)樣本表箱測(cè)試點(diǎn)位:循環(huán)步驟②對(duì)整個(gè)表箱面板不同區(qū)域的耐沖擊程度進(jìn)行區(qū)分,找出測(cè)試所需的全部測(cè)試點(diǎn)位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟⑷測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)注為測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)記用數(shù)字排序，測(cè)試點(diǎn)位標(biāo)記用“X”記號(hào)確定，交叉點(diǎn)即為測(cè)試點(diǎn)位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟(5)吸合落錘中的落錘重量為3kg。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟(6)提升落錘中是將落錘提升到350mm高。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于有限元的表箱評(píng)價(jià)方法，其特征在于:所述步驟⑶中所有標(biāo)注出的測(cè)試點(diǎn)位共 計(jì)為16個(gè)測(cè)試點(diǎn)位。
【文檔編號(hào)】G01N3/30GK103728189SQ201210382107
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月10日
【發(fā)明者】謝浩, 楊霖, 王化, 張衛(wèi)欣, 石衛(wèi)平, 楊延春, 陳磊 申請(qǐng)人:天津市電力公司, 國家電網(wǎng)公司