工程力学实验指导书

1第一章绪论§1.1工程力学实验的内容实验是进行科学研究的重要方法，科学史上许多重大发明是依靠科学实验而得到的，许多新理论的建立也要靠实验来验证。例如材料力学中应力应变的线性关系就是虎克于1668年到1678年间作了一系列的弹簧实验之后建立起来的。不仅如此，实验对材料力学有着更重要的一面。因为材料力学的理论是建立在将真实材料理想化，实际构件典型化，公式推导假设化基础之上的，它的结论是否正确以及能否在工程中应用，都只有通过实验验证才能断定。在解决工程设计的强度，刚度等问题时，首先要知道材料的力学性能和表达力学性能的材料常数。这些常数只有靠材料试验测试才能得到。有时实际工程中构件的几何形状和载荷都十分复杂，构件中的应力单纯靠计算难以得到正确的数据，这种情况下必须借助于实验应力分析的手段才能解决。因此，材料力学实验是学习材料力学课程不可缺少的重要环节。材料力学实验包括以下三个方面的内容：1.测定材料的力学性能材料的力学性能是指在力或能的作用下，材料在变形、强度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限（屈服强度）、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧性等。这些强度指标或参数都是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而它们一般要通过实验来测定。此外，材料的力学性能测定又是检验材质、评定材料热处理工艺、焊接工艺的重要手段。随着材料科学的发展，各种新型合金材料、合成材料不断涌现，力学性能的测定，是研究每一中新型材料的重要任务。2.验证理论公式的正确性材料力学的一些理论是以某些假设为基础的，例如杆件的弯曲理论就以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加深对理论的认识和理解。至于新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。实验是验证、修正和发展理论的必要手段。3.实验应力分析某些情况下，例如因构件几何形状不规则，受力复杂或精确的边界条件难以确定等，应力分析计算难于获得准确结果。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得出的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。§1.2材料力学试验的标准、方法和要求材料的强度指标如屈服极限、强度极限、持久极限等，虽是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围环境（温度、介质）等有关。为使实验结果能相互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验手段和方法以及数据处理都作了统一规定。2对破坏性试验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，应采用多根试样，然后综合多根试样的结果，得出材料的性能指标。对非破坏性试验如构件的变形测量，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要多次重复进行，然后综合多次测量的数据得到所需结果。实验应力分析除前面提到的电测法和光弹性法外，还有激光全息光弹性法、散斑干涉法、云纹法、声弹法等。采用何种方法取决于试验的目的和对试验精度的要求。一般说，如仅需了解构件某一局部的应力分布，电测法比较合适；如需了解构件的整体应力分布，则以光弹性法为宜。有时也可把几种方法联合使用，例如可用光弹性法判定构件危险截面的位置，再使用电测法测出危险截面的局部应力分布。关于试验应力分析，本书主要介绍电测法。整理试验结果时，应剔除明显不合理的数据，并以表格或图线表明所得结果。若试验数据中两个量之间存在线性关系，可用最小二乘法拟合为直线，然后进行计算。数据运算的有效位数要依据机器、仪表的测量精度来确定。最后要求写出试验报告，并对试验结果进行分析。3第二章材料的力学性能测定§2.1WDW电子式万能材料试验机测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。能兼作拉伸、压缩弯曲等多种实验的试验机称为万能试验机，或简称万能机。供静力实验的万能材料试验机有液压式、机械式、电子机械式等类型。下面着重介绍微机控制电子万能试验机。电子万能材料试验机是现代电子测量、控制技术与精密机械传动相结合的新型试验机。它对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。与计算机联机还可进行试验进程模式控制、检测和数据处理自动化，并有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能。国产电子万能材料试验机以WDW系列为基础，不同厂家生产的主机结构、信号转换元件配置、传动系统、检测控制原理基本相同，唯软件功能和操作系统有一些差异。本文介绍的WDW电子万能试验机装载的是基于Windows平台的AutoCTS500全数字多通道闭环测控系统，其用户界面呈现与Windows风格一致的中文窗口系统，掌握和使用都比较方便。图2－1WDW－200C电子万能试验机4一、加载控制系统图2－1为WDW－200C外形图，图2－2是其主机结构、检测、控制系统原理示意图。在加载系统中，由上横梁、四根导向立柱和工作平台组成门式框架。活动横梁把门式框架分成拉、压两个试验空间，拉伸夹具安装在活动横梁与工作平台之间，压缩和弯曲辅具则安装在活动横梁和上横梁之间。活动横梁由滚珠丝杠副驱动。根据试验要求控制系统得到控制信号，经调速系统放大后驱动伺服电机带动传动系统及滚珠丝杠转动，使活动横梁上升或下降运动，从而实现对试样的加载。二、测量与显示系统测量系统包括载荷测量、试样变形测量和活动横梁的位移测量三部分。试样受力变形时，通过负荷传感器、应变式引伸仪分别把机械量转换为电压信号，横梁的移动通过随滚珠丝杠转动的光电编码器输出脉冲信号，三路信号经多功能测量控制卡放大、A/D转换和标度变换处理后，直接在显示屏上以数字量显示试验力、试样变形和横梁位移，并自动给出试验力－变形或试验力－位移曲线。图2－2WDW万能试验机结构原理示意图5三、常规静载试验操作规程现以WDW-200C电子万能试验机为例，其操作规程如下：1.根据试样的形状、尺寸及试验目的，选择合适的夹具。2.开启试验机1)打开显示器及计算机的电源开关；2)打开试验机主机电源开关；3)按控制器上的电源按钮，若计算机控制，控制器的工作方式必须选为“PC－CTRL”（单机工作时为“MC—CTRL”）；4)待控制器出现计算机控制界面后，双击桌面上的“试验软件”图标。软件启动后点击主界面上的“伺服启动”按钮，之后可以进行移动横梁和试验等操作。3.试验条件输入和选择测试前必须输入与测试相关的试验参数以及试验选择，具体过程如下：1)设置选项选择负荷传感器（若配置两个以上）；选择负荷单位、强度单位及修约间隔、长度单位及伸长率修约间隔；选择引伸计处理方式；选择试验类型（如拉伸、压缩等）及报告模板；选择需要输出的数据项与之相应的修约间隔；输入相关的规定值。2)试样参数根据试样特性进行计算面积处理选择；试样尺寸、试验数量等参数输入。3)试验控制确定过程控制阶段，并输入相关的数据，设置试验结束控制。4)图形设置依材料的力学性能指标，，输入坐标轴，显示最大值，最小值通常设置为0，若最大值无法确定，通常设置小一些，在测试过程中自动调整大小。5)主界面正确输入存储文件名（试验编号），系统在测试结束后自动按该编号存储文数据。建议最好以年月日为字符串，以便追溯。6)负荷调零在夹持试样（第一个试样）前必须点击负荷【调零】按钮进行负荷调零，以后可以不再调零。测试时伸长、位移、时间自动调零。4.安装试样通过主机控制器上的快速升降按钮，调节上夹头到合适安装试样位置，依靠转动夹具上的手柄夹紧试样。做压缩试验时，只要把试样置于上、下夹头之间即可。试样安装完成后，应立即将横梁的位移速度调回到（2～5）mm/min的正常试验速度挡位。5.若为负荷控制（或应力控制），按【预加载】按钮，开始预加载，待预加载值达6到后进行一下操作。6.夹持引伸仪（若使用引伸仪），最好夹持在试样的中间部分。7.测试开始，等上述工作全部完成后可进行以下操作：菜单操作，除用鼠标在主界面上菜单操作外还可用键盘操作。快捷键：〈F5〉；便捷按钮操作：用鼠标点击【开始测试】按钮，即可进入测试。8.测试结束1）测试正常结束依测试条件中的试验结束条件而定：是破坏结束，还是非断裂结束，结束后十字头是停止，还是以最高速返回原来位置，结束后大约等1分钟，试验数据显示在主界面，观看其试验结果。注：直接按〈空格〉键，试验正常结束。2）测试中止由于人为原因，如试样未夹持好或引伸计忘夹持等原因，此时可以进行以下的任一操作而中止测试。（1）菜单操作除用鼠标在主界面菜单操作外，还可以用键盘操作：热键：〈Alt〉+〈T〉+〈S〉，快捷键：〈F8〉。（2）便捷按钮操作在测试状态下，点击主界面工具条上【中止测试】按钮，中止测试，同时十字头停止移动。3）关机（1）关闭试验机主机电源；（2）退出试验软件；（3）退出Windows：点击任务栏的【开始】按钮，点击“关闭计算机”，弹出一对话框，选择“关闭计算机”，点击【是】按钮。等主机电源关闭后，关闭显示器。§2.2引伸仪材料力学试验中，除测定试样或构件的承载能力外，还经常要测定它们的变形。变形一般很小，要用高精度、高放大倍数的仪器才能测出，这类仪器即为引伸仪。引伸仪是感受试件变形的传感器。应变计式的引伸仪由于原理简单、安装方便，目前广泛使用。引伸仪按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。图2－3为夹式引伸仪的外形和结构原理图。该引伸仪主要由应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等组成。测量变形时,将引伸仪装卡于试件上，刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长，通过变形杆使弹性元件产生应变，应变片将其转换为电阻变化量，再用适当的测量放大电路转换为电压信号。7安装于试样上的引伸仪，只能感受试样上长为0l的一段变形。0l称为标距，引伸仪测出的是0l的长度变化即总变形l。由此算出的应变0ll，其实是0l范围内的平均应变。由于引伸仪上的读数C是经放大系数放大后的数值，应除以引伸仪的放大倍数k才是变形l，即kCl。仪器能测量的最大范围称为量程。量程、标距和放大倍数是引伸仪的主要参数。§2.3拉伸实验一、实验目的1.了解万能材料试验机的结构及工作原理，熟悉其操作规程及正确使用方法。2.测定低碳钢的屈服极限s、强度极限b、弹性模量E、伸长率、断面收缩率。3.测定铸铁的强度极限b。4.观察以上两种材料在拉伸过程中的各种现象，并绘制拉伸图（P-L曲线）。5.比较低碳钢（塑性材料）与铸铁（脆性材料）拉伸时的机械性质。二、实验设备6.电子万能材料试验机。7.游标卡尺。三、实验原理1.为了检验低碳钢拉伸时的机械性质，应使试样轴向受拉直到断裂，在拉伸过程中以及试样断裂后，测读出必要的特征数据（如；sP、bP、1l、1d），经过计外壳变形传递杆刀口应变片标距限位杆图2－3夹式引伸仪ab8算，便可得到表示材料力学性能的四大指标：s、b、、。2.铸铁属脆性材料，轴向拉伸时，在变形很小的情况下就断裂，故一般测定其抗拉强度极限b。3.测定压缩时低碳钢的屈服极限s和铸铁的强度极限b。4.由试验曲线的弹性直线段上确定两点，测出F和)(l，计算弹性模量E，lAlFE0。四、实验试样由于试样的形状和尺寸对实验结果有一定的影响，为便于互相比较，应按统一规定加工成标准试样。图2－4表示横截面为圆形的拉伸试样。0l是待试部分，也是试样的主体，其长度通常简称为标距，也称为计算长度。试样两端为夹持部分，用来装入试验机夹具中以便夹紧试样，过渡部分用来保证标距部分能均匀受力，这两部分的形状和尺寸，决定于试样的截面形状和尺寸以及机器夹具类型。拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样系按公式00AKl计算而得。式中0l为标距，0A为标距部分原始截面积，系数K通常为5.65和11.3（前者称为短试样，后者称为长试样）。据此，短、长圆形试样的标距长度0l分别等于5d0、10d0。非比例试样的标距与其原横截面间无上述一定的关系。根据国家标准（GB228—2002）将比例试样尺寸列表如下：试样标距长度L0（mm）横截面积A0（mm）圆形试样直径表示伸长率的符号比例长03.11A10d0任意的任意