船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn),船舶與海洋工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,板的彎曲與穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí)) 等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn) (以下三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)為2學(xué)時(shí)) 彎扭組合實(shí)驗(yàn) 矩形截面梁的純彎曲實(shí)驗(yàn),一、板的彎曲與穩(wěn)定實(shí)驗(yàn),一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（二）實(shí)驗(yàn)原理 （三）實(shí)驗(yàn)儀器、裝置及工具 （四）實(shí)驗(yàn)方法與步驟 （五）注意事項(xiàng) （六）預(yù)習(xí)要求 （七）問題討論,一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、對(duì)平板筒形彎曲現(xiàn)象有一感性認(rèn)識(shí)和比較明確和清晰的概念，為理論學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 2、使對(duì)船舶結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)概念初步了解。 3、通過對(duì)圓柱殼進(jìn)行抽真空，驗(yàn)證其殼板局部失穩(wěn)形式，觀察失穩(wěn)波形； 4、學(xué)習(xí)掌握實(shí)驗(yàn)的技能 、儀器操作方法、測(cè)量方法,二）實(shí)驗(yàn)原理,1、板的

2、彎曲部分 2、板及板架失穩(wěn)、圓柱殼失穩(wěn) 3、測(cè)試部分 4、應(yīng)變片的粘貼技術(shù) 5、電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電路,1、板的彎曲部分,1）討論的對(duì)象為承受各種垂直于板面載荷的，具有不同邊界條件的矩形平板彎曲的應(yīng)力與變形問題。其中應(yīng)力主要是彎曲應(yīng)力，變形在實(shí)驗(yàn)中主要是看撓度。 2）板在彎曲時(shí)，一般在x和y方向均有曲率，因此問題要比梁的彎曲復(fù)雜。但是在最簡(jiǎn)單的情況下板只有一個(gè)方向有曲率，這時(shí)板的彎曲與梁的彎曲有許多類似的地方，并可應(yīng)用梁的彎曲公式求解，這種情況叫做板發(fā)生筒形彎曲。當(dāng)板的邊長(zhǎng)比小于（2.53）時(shí)，會(huì)發(fā)生對(duì)稱彎曲。 3）討論板的筒形彎曲和板的一般彎曲及邊界條件對(duì)板的影響。 （1）板發(fā)生筒形彎曲的條件

3、是什么？假定板的邊長(zhǎng)比相當(dāng)大（2.53），并且外載荷沿板的長(zhǎng)邊不變化。在這種情況通過實(shí)驗(yàn)表明板除了短邊支界相鄰的一小部分外，中間大部分的彎曲變形為筒形，即沿短邊有曲率，沿長(zhǎng)邊無曲率，故名筒形彎曲（板的筒形彎曲是單向彎曲，因此與梁的彎曲有基本共同之處）。當(dāng)板的邊長(zhǎng)比小于（2.53）時(shí)，會(huì)發(fā)生對(duì)稱彎曲。 （2）板條梁與普通梁的彎曲變形是一致的差別，差別僅在于板條梁兩個(gè)側(cè)面受到相鄰板的約束而不能自由變形，而普通梁的側(cè)面是自由的，這種側(cè)面約束的差別使得板條梁在變形后的截面仍為矩形，而普通梁彎曲后截面不再保持矩形。由以上分析可知，板條梁的彎曲與普通梁的彎曲完全相同，因此板條梁的計(jì)算可直接套用普通梁結(jié)果。

4、 （3）筒形板的復(fù)雜彎曲：在船體結(jié)構(gòu)中橫骨架式的甲板板和船底板，它們的邊長(zhǎng)比足夠大，并且除了橫載荷外還在長(zhǎng)邊受到作用于板平面內(nèi)的均布的總彎曲應(yīng)力（中面應(yīng)力），在這種情況下板仍將發(fā)生筒形彎曲，在板中取出的板條梁將處于如圖所示的復(fù)雜彎曲狀態(tài)，因此板條梁的求解就要用到復(fù)雜曲梁的結(jié)果,根據(jù)前面同樣的分析，不難得到板條梁復(fù)雜彎曲的微分方程式及基本關(guān)系為,1、板的彎曲部分,式中為筒形剛度，為板條梁所受的軸向力，若總彎曲應(yīng)力為 ，則 ，前面的負(fù)號(hào)用于拉力，正號(hào)用于壓力,我們?cè)诹旱膹?fù)雜彎曲中曾經(jīng)指出，船體中的梁因?yàn)閯偠容^大，故而參數(shù)u的值很?。ㄒ话鉼0.5），從而輔助函數(shù)接近于1，因此在實(shí)驗(yàn)計(jì)算中可以不計(jì)軸向

5、力對(duì)彎曲要素的影響。對(duì)于船體板，因板的厚度不大，板條梁的剛度較小，使得板條梁在復(fù)雜彎曲時(shí)的參數(shù)u相當(dāng)大（一般u0.5）。對(duì)于一般的海船，數(shù)字計(jì)算表明，板條梁的u值約比梁的u值大10倍左右，輔助函數(shù)于1相差很大，因此中面力對(duì)板的彎曲要素影響很大，不可不計(jì)。這一現(xiàn)象說明板的中面力的作用十分敏感。因此，若板受到中面拉力，它將減少板的彎曲應(yīng)力，是有利的，反之若是受到中面壓力，它將增大板的彎曲應(yīng)力，是不利的,2、板及板架失穩(wěn)、圓柱殼失穩(wěn),板架因其中一根桿受壓失穩(wěn)而導(dǎo)致整個(gè)板架變形，叫做板架失去了穩(wěn)定性。 在均勻外力作用下，圓柱殼失穩(wěn)的形狀有若干種可能，取決于它的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)尺寸。我們以具有肋骨的圓柱殼

6、為例來討論殼板局部失穩(wěn)和失穩(wěn)肋骨,1）殼板局部失穩(wěn),當(dāng)肋骨的剛度足夠大，即使超過它們的臨界剛度時(shí)，在均勻壓力P增大時(shí)可能首先出現(xiàn)這種失穩(wěn)形狀。這時(shí)主肋骨保持它們自身的正圓形不變，成為殼板的剛性支座周界，殼板在肋骨之間形成一個(gè)半波，在許多間距內(nèi)形成若干連續(xù)的凹凸交替半波，切開橫剖面看，則在整個(gè)圓周上形成許多凹凸交替半波,2）肋骨失穩(wěn),當(dāng)肋骨剛度小于其臨界剛度，壓力P超過其臨界壓力時(shí)，肋骨將連同殼板一起在艙段內(nèi)失穩(wěn)。這時(shí)，僅艙段的兩端艙壁保持正圓形不變，成為殼板的剛性支座周界。殼體在母線方向上，整個(gè)艙段只形成一個(gè)半波，在切開橫剖面看，則在整個(gè)圓周上形成兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)整波,3、測(cè)試部分,1、應(yīng)變電

7、測(cè)法,電測(cè)法以電阻應(yīng)變儀量測(cè)為主。電測(cè)法的基本原理是：將一種特制的電阻應(yīng)變片作為傳感元件，粘貼在被測(cè)試件上，當(dāng)試件由于受到外荷載的作用而發(fā)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片也隨之變形，并發(fā)生電阻的變化。在一定的工作范圍內(nèi)，電阻應(yīng)變片的電阻變化與試件發(fā)生的應(yīng)變成比例關(guān)系。根據(jù)測(cè)得的電阻變化，通過應(yīng)變儀可獲得試件上被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。在彈性范圍內(nèi)，通過虎克定律又可將該點(diǎn)的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為該點(diǎn)的應(yīng)力值。圖1-為應(yīng)變電測(cè)法的簡(jiǎn)單流程圖,圖1 應(yīng)變電測(cè)法流程圖,3、測(cè)試部分,2、電阻應(yīng)變片的原理及構(gòu)造,電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻絲具有應(yīng)變效應(yīng)，即電阻絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變。由物理學(xué)知道，金屬絲的電阻R及與長(zhǎng)度L量和截

8、面積A有如右關(guān)系,1）電阻應(yīng)變片的原理,2)電阻應(yīng)變片的構(gòu)造,圖2 應(yīng)變片的構(gòu)造,1一敏感柵 2一上線 3一粘合劑； 4一蓋層； 5一基底,圖3 敏感柵的尺寸,圖4 絲式應(yīng)變片,3)電阻應(yīng)變片的分類,4、應(yīng)變片的粘貼技術(shù),試件的應(yīng)變是通過粘結(jié)劑將應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片的絲柵，因而應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量將直接影響應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果。 應(yīng)變片的粘貼技術(shù)包括選片、選粘結(jié)劑、粘貼和防水防潮處理等，具體要求如下,1)應(yīng)變片檢查分選 分選應(yīng)變片時(shí)，應(yīng) 逐片進(jìn)行外觀檢查，應(yīng)變片絲柵應(yīng)平直，片內(nèi)元?dú)馀荨⒚拱?、銹點(diǎn)等缺陷，不合格的應(yīng)變片應(yīng)剔除，然后用萬用電表檢查，應(yīng)元短路或斷路,2)選擇粘合劑 粘合劑分為水劑和膠劑兩類,3

9、)測(cè)點(diǎn)表面清理 為使應(yīng)變片能牢固地貼在試件表面，應(yīng)對(duì)測(cè)點(diǎn)表面進(jìn)行加工,4)應(yīng)變片的粘貼 選擇合適的膠粘劑，在試件上畫出測(cè)點(diǎn)的縱橫中心線，縱線應(yīng)與應(yīng)變方向一致。 5)焊接導(dǎo)線 先在應(yīng)變計(jì)引出線底下貼膠布或膠紙，以保證引出線不與試件形成短路；然后用膠固定端子或用膠布固定電線，要保證電線輕微拉動(dòng)時(shí)引出線不斷；最后用電烙鐵把測(cè)量導(dǎo)線的一端與引出線焊接，焊點(diǎn)應(yīng)圓滑、豐滿，無虛焊，測(cè)量導(dǎo)線的另一端與應(yīng)變儀測(cè)量橋聯(lián)接。 6)應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量檢查 首先是借助放大鏡用肉眼進(jìn)行外觀檢查，應(yīng)變片應(yīng)元?dú)馀荩迟N牢固，方位準(zhǔn)確。 7)防潮和防水處理,5、電阻應(yīng)變儀的測(cè)量電路,由電阻應(yīng)變片的工作原理可知，當(dāng)電阻應(yīng)變片的靈

10、敏系數(shù)K為2.0、被測(cè)量的機(jī)械應(yīng)變?yōu)?0e-310e-6時(shí)，電阻變化率為RR210e-3210e-6。這是個(gè)非常微弱的電信號(hào)，用量電器檢測(cè)是很困難的，所以必須借助放大器將微弱信號(hào)放大，才能推動(dòng)量電器工作。而電阻應(yīng)變儀就是電阻應(yīng)變片的專用放大器及量電器,1)全橋電路 ； 全橋電路就是在測(cè)量橋的四個(gè)臂上全部接人工作應(yīng)變片，如圖5(a)所示。其中相鄰臂上的工作片兼作溫度補(bǔ)償用。路橋輸出電壓,圖5 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用電路,2)半橋電路 半橋電路由兩個(gè)工作片和兩個(gè)固定電阻組成。工作片接在AB和BC臂上，另一半橋上的固定電阻設(shè)在應(yīng)變儀內(nèi)部。利用輸出公式可得,即電橋輸出靈敏度提高了兩倍，溫度補(bǔ)償也由這兩個(gè)工作片自動(dòng)完

11、成,3)l4橋電路 l4橋電路常用于測(cè)量應(yīng)力場(chǎng)里的單個(gè)應(yīng)變，這種接線方式對(duì)輸出信號(hào)沒有放大作用。橋路輸出靈敏度取決于應(yīng)變片在受力試件上的貼片位置和方向以及它在橋路中的接線方式,三）實(shí)驗(yàn)儀器、裝置及工具,圖中： 真空泵 蓄壓器 真空表 閥門 模型 千分表 應(yīng)變儀,1、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、測(cè)厚儀、真空泵； 2、蓄壓器、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?3、卷尺、鋼板尺、電烙鐵、剪刀、測(cè)試線,四）實(shí)驗(yàn)方法與步驟,一）、筒形彎曲模型 1、測(cè)量筒形彎曲模型的厚度t、長(zhǎng) 度L、寬度B，測(cè)量三次取其平均值； 2、確定筒形彎曲模型的布片位置、 粘貼應(yīng)變片、焊接導(dǎo)線； 3、連接應(yīng)變儀、蓄壓器、真空泵、 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?4、加載過程：關(guān)閉閥門，

12、啟動(dòng)真空泵，將蓄壓器抽到740mm汞柱，關(guān)閉真空泵。緩慢打開閥門給模型加載。觀察平板材料模型變形狀態(tài)，讀真空表、千分表和應(yīng)變儀。 5、確定加載方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三級(jí)加載； 6、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)畢，取下模型，整理現(xiàn)場(chǎng),四）實(shí)驗(yàn)方法與步驟,二）板及板架模型 1、連接蓄壓器、真空泵、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2、確定加載方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三級(jí)加載； 3、對(duì)板及板架模型分別進(jìn)行逐級(jí)加載，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)； 4、測(cè)畢，取下模型，整理現(xiàn)場(chǎng),四）實(shí)驗(yàn)方法與步驟,三）圓柱殼模型 1、連接蓄壓器、真空泵、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2、分別對(duì)兩種不同直徑模型進(jìn)行逐級(jí)加載，直至出現(xiàn)失穩(wěn)波形；

13、 3、測(cè)畢，取下模型，整理現(xiàn)場(chǎng),五）注意事項(xiàng),1、由于模型易損，對(duì)板及板架模型要按照要求進(jìn)行加載，對(duì)圓柱殼模型進(jìn)行逐級(jí)加載，速度要慢； 2、對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器要按照說明書進(jìn)行操作，電源、電烙鐵安全使用； 3、實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行，并選組長(zhǎng)一人。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)該有嚴(yán)格組織紀(jì)律性，注意培養(yǎng)良好的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)。 4、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要在仔細(xì)觀察，深入思考理解的基礎(chǔ)上認(rèn)真分析比較，以便獲得明確而清晰的概念,六）預(yù)習(xí)要求,1、復(fù)習(xí)有關(guān)理論，了解應(yīng)變片的原理、焊接方法、使用方法，了解測(cè)試方法； 2、實(shí)驗(yàn)中記錄那些數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)如何分析？ 3、板的對(duì)稱彎曲與筒形彎曲現(xiàn)象是如何發(fā)生的？對(duì)稱彎曲與筒形彎曲發(fā)生的條件是什么？ 4、板架失穩(wěn)是如何發(fā)生

14、的？ 5、圓柱殼板局部失穩(wěn)是如何發(fā)生的？圓柱殼失穩(wěn)有幾種形式？圓柱殼端部與中部失穩(wěn)是否一致,七）問題討論,1、 平板筒形彎曲有何條件、特點(diǎn)？簡(jiǎn)化成什么樣的力學(xué)模型？筒形彎曲的實(shí)質(zhì)是什么？ 2、 筒形彎曲板的長(zhǎng)邊相對(duì)移動(dòng)與不移動(dòng)有何差別？ 3、 本實(shí)驗(yàn)裝置與理想情況有何不同？ 4、 板及板架的應(yīng)變結(jié)果說明了什么？ 5、 實(shí)驗(yàn)誤差分析,二、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn),一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1、學(xué)習(xí)電橋的接法，練習(xí)1/4橋、半橋、全橋接法 2、測(cè)定等強(qiáng)度梁的應(yīng)變，驗(yàn)證等強(qiáng)度梁各橫截面上應(yīng)變相等 3、驗(yàn)證互等定理（,二）實(shí)驗(yàn)儀器： 應(yīng)變片若干、等強(qiáng)度梁、砝碼、應(yīng)變儀 （三）實(shí)驗(yàn)方法與步驟： 1、設(shè)置應(yīng)變儀的靈敏度 2、將

15、一個(gè)軸向應(yīng)變片按1/4橋連接 3、調(diào)電橋平衡 4、每次加2個(gè)砝碼，并記錄數(shù)據(jù) 5、將一個(gè)軸向片、一個(gè)橫向片按半橋連接，重復(fù)3、4 6、將上或者下面兩個(gè)軸向片全部按半橋連接，重復(fù)3、4 7、將上下四個(gè)軸向片按全橋接，重復(fù)3、4 8、砝碼數(shù)量增加至四個(gè)，重復(fù)27,四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄,五）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,六）問題討論,1、比較本實(shí)驗(yàn)所用的三種測(cè)量電橋方法的優(yōu)缺點(diǎn)（1/4橋與全橋） 2、測(cè)定等強(qiáng)度梁的應(yīng)變、驗(yàn)證互等定律,三、彎扭組合實(shí)驗(yàn),一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?彎扭組合實(shí)驗(yàn)是為船舶力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)制作的。它可以完成船舶力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的復(fù)合抗力下應(yīng)變的測(cè)量、主應(yīng)力和主應(yīng)力方向的測(cè)定、加載彎矩和剪力時(shí)應(yīng)變的測(cè)定。 二、實(shí)

16、驗(yàn)儀器、裝置,裝置操作簡(jiǎn)單，手輪加載，數(shù)字顯示載荷，便于保管使用,三、實(shí)驗(yàn)方法與步驟： 1、將數(shù)字測(cè)力儀開關(guān)打開，預(yù)熱10分鐘，并檢查該裝置是否處于正常實(shí)驗(yàn)狀態(tài) 2、將應(yīng)變片按實(shí)驗(yàn)要求接至應(yīng)變儀 3、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)手輪，預(yù)置50N初載荷 4、對(duì)每片應(yīng)變片用零度法，預(yù)調(diào)平衡或記錄下各應(yīng)變片的初始值 5、分級(jí)加載，以每級(jí)100N，200N，300N，400N記錄各級(jí)載荷下各應(yīng)變片的應(yīng)變值 6、實(shí)驗(yàn)完畢，卸去載荷，將測(cè)力儀開關(guān)置關(guān) 7、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,四）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄,五）計(jì)算出主應(yīng)力大小和方向,六）注意事項(xiàng)： 每次實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須先打開測(cè)力儀，方可旋轉(zhuǎn)手輪，以免損壞實(shí)驗(yàn)裝置 每次實(shí)驗(yàn)完，必須卸載

17、，即測(cè)力儀顯示為零或出現(xiàn)“”號(hào)，再將測(cè)力儀開關(guān)置關(guān) 該裝置只允許加450N載荷，超載會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)裝置。 本裝置貼片方式如圖，連接方法是,四、矩形截面梁的純彎曲實(shí)驗(yàn),一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1、熟悉電測(cè)法的基本原理和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法 2、測(cè)量矩形截面梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力分布規(guī)律 3、比較正應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與理論計(jì)算值的差別 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器： 1、多用電測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 2、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀 3、載荷顯示儀,三、實(shí)驗(yàn)原理： 將五個(gè)工作片和溫度補(bǔ)償片分別接入電阻應(yīng)變儀面板上的五個(gè)通道中組成五個(gè)電橋，當(dāng)梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時(shí)，工作片的電阻值將隨著梁的變形發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變儀可以分別測(cè)量出對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變值，根