材料力學實驗指導

1、 專業(yè)： 學號： 姓名： 西南交通大學峨眉校區(qū)力學實驗中心一、學生實驗須知1 學生進入實驗室，要嚴格遵守實驗室的各項規(guī)章制度，服從指導教師的安排；2 嚴禁在實驗室大聲喧嘩和嬉戲；3 保持實驗室周圍的整潔，不亂扔紙屑、果皮，不隨地吐痰，嚴禁吸煙；4 實驗前應預習實驗內容，弄清實驗目的、原理和方法；5 實驗過程中應嚴肅認真，嚴格按照規(guī)定步驟操作，自己動手完成，及時記錄和整理實驗數(shù)據(jù)，不得轉抄他人數(shù)據(jù)，要培養(yǎng)自己嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和分析問題、解決問題的能力；6 使用儀器設備時，應嚴格遵守操作規(guī)程，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應立即停止使用，并及時向指導教師報告。如果因違反操作規(guī)程（或未經(jīng)許可使用）而造成設備損壞，應按

2、學校有關規(guī)定賠償損失。7 實驗結束后，應將儀器設備和桌凳整理好并歸還原位，協(xié)助打掃實驗室衛(wèi)生，經(jīng)指導老師檢查合格后方能離開實驗室；8 學生應按時（最遲不超過一周時間）上交實驗報告，以供老師批改統(tǒng)計成績。二、實驗儀器設備介紹（一）材料力學多功能組合實驗臺材料力學多功能組合實驗臺（以下簡稱實驗臺）是方便學生自己動手做材料力學電測實驗的設備，配套使用的儀器設備還有：拉壓型力傳感器、力&應變綜合參數(shù)測試儀、電阻應變片、連接導線與梅花改刀等，并配有計算機接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算機自動采集與計算。一個實驗臺可做多個電測實驗，功能全面，操作簡單，實驗臺結構如圖2-1所示。圖2-1 材料力學多功能組合實

3、驗臺實驗臺為框架式整體結構，配置有拉壓型力傳感器及標準測點應變計(在試件待測點表面粘貼的電阻應變片)，通過力&應變綜合參數(shù)測試儀（以下簡稱測試儀）實現(xiàn)力與應變的實時測量。實驗臺分前后兩半部分，前半部分可做彎扭組合變形實驗、材料彈性模量與泊松比測定實驗、偏心拉伸實驗、壓桿穩(wěn)定實驗、懸臂梁實驗、等強度梁實驗；后半部分可做純彎曲梁正應力測試實驗、電阻應變片靈敏系數(shù)標定實驗、組合疊梁實驗等。操作規(guī)程如下：(1) 將所作實驗的試件通過有關附件連接到架體相應位置，連接拉壓型力傳感器和加載件到加載機構上。(2) 連接拉壓型力傳感器電纜線到測試儀后面?zhèn)鞲衅鬏斎氩遄?，連接電阻應變片導線到測試儀的各個測量

4、通道接線柱上。(3) 打開測試儀電源，預熱約20分鐘左右，輸入力傳感器量程及靈敏度和應變片靈敏系數(shù)（一般首次使用時已調好，如實驗項目及力傳感器沒有改變，可不必重新設置），在不加載（加力點上下未接觸）的情況下將測力初值和應變初值調至零。(4) 在初始值以上對各試件進行分級加載，轉動手輪速度要均勻，記下各級力值和待測點各通道的應變值，若已與微機連接，則全部數(shù)據(jù)可由計算機進行分析處理。注意事項(1) 每次實驗前應事先接通測試儀電源，并打開測試儀電源開關，預熱約20分鐘左右。(2) 各項實驗應從零開始加載，且不得超過規(guī)定的最終載荷值。(3) 加載機構作用行程為50mm，手輪轉動到行程末端時應停止加載，

5、以免損壞定位件。(4) 實驗進行完后，應釋放所加荷載，恢復到初始狀態(tài)。(5) 蝸桿加載機構每半年或定期加潤滑機油，避免干磨損，縮短使用壽命。（二）XL2118C型 力&應變綜合參數(shù)測試儀XL2118C型 力&應變綜合參數(shù)測試儀具有力、應變同時測試功能，如圖2-2所示。使用前應將應變式拉壓型力傳感器接在儀器后面指定輸入插座上，并采用一定的應變片接橋方法，根據(jù)測試要求，將相應的電阻應變片導線接入儀器的指定通道相應接線柱上形成一測量電橋，然后打開電源開關，預熱一段時間即可正式加力進行測試。圖2-2 XL2118C型 力&應變綜合參數(shù)測試儀主要特點有：(1) 全數(shù)字化智能設計，

6、操作簡單，使用方便。(2) 組橋方式全面，可組全橋、半橋、1/4橋，適合各種力學實驗。(3) 配接力傳感器測量拉壓力，傳感器配接范圍廣、精度高（0.01%）。 (4) 測點切換采用進口優(yōu)質器件程控完成，減少因開關氧化引起的接觸電阻變化對測試結果的影響。 (5) 采用儀器上面板接線方式，接線簡單方便；接線端子采用進口端子， 接觸可靠，不易磨損。 (6) 1個測力窗口和6個應變測試窗口，使各測點隨不同載荷下的應變直觀的同時顯示出來，顯示直觀清晰，在一般情況下，不必進行通切換即可完成全部實驗 操作規(guī)程如下：(1) 測力模塊的使用方法將力傳感器接在測試儀后面指定位置處打開儀器電源開關，系統(tǒng)自

7、檢顯示“2118”字樣時按下“設定”鍵兩秒鐘設置測力傳感器最大量程值（注意：單位指示燈應指示在正確單位上）再按一下“設定”鍵，設置測力傳感器的靈敏系數(shù)為指定值再按一下“設定”鍵，設定完畢顯示END關閉電源再打開電源即可。(2) 應變測量模塊的使用方法（一般采用“統(tǒng)一設定”）統(tǒng)一設定：根據(jù)實際測試要求接好電橋打開儀器電源開關，系統(tǒng)自檢顯示“2118”字樣時按下“系數(shù)設定”鍵2秒鐘設置顯示參數(shù)為“C1 ALL” 再按一下“系數(shù)設定”鍵設置顯示為“C2 01” 再按一下“系數(shù)設定”鍵顯示“CC End-” 關閉電源再打開稍等10秒鐘按一下“系數(shù)設定”鍵，修改應變靈敏系數(shù)為“F- （正確值）”再按一下

8、“系數(shù)設定”鍵再按一下“自動平衡”鍵結束設置，若發(fā)現(xiàn)某通道顯示數(shù)值不為0，則就檢查接線端是否松動準備加力正式試驗。單獨設定：根據(jù)實際測試需要接好電橋打開儀器電源開關，系統(tǒng)自檢顯示“2118”字樣時按下“系數(shù)設定”鍵2秒鐘設置顯示參數(shù)為“C1 One” 再按一下“系數(shù)設定”鍵設置顯示為“C2 01” 再按一下“系數(shù)設定”鍵顯示“CC End-” 關閉電源再打開稍等10秒鐘按一下“系數(shù)設定”鍵設置“01 （正確值）”再按一下“系數(shù)設定”鍵設置“02 （正確值）”依次類推，直到最后一點設置好后，回到測試狀態(tài)按一下“自動平衡”鍵，若發(fā)現(xiàn)某通道顯示數(shù)值不為0，則就檢查接線端是否松動準備加力正式試驗。 （

9、三）電阻應變片及其橋路接法電測法的基本原理：采用專門的貼片工藝，將電阻應變片粘貼在構件表面待測點上，用電阻應變片測得待測點的線應變，再根據(jù)應變與應力之間的關系（胡克定律）確定出構件表面待測點的應力狀態(tài)。該方法不僅用于驗證材料力學的某些基本理論，測量材料的機械性能參數(shù)，而且是一種主要的工程測試手段，為解決工程實際問題及從事科學研究提供了良好的實驗基礎?；菟雇姌虻幕咎匦裕壕哂兴膫€橋臂，相鄰橋臂所測得的線應變符號相反，相對橋臂所測得的線應變符號相同。初始狀態(tài)是四個橋臂的電阻相同，電橋處于平衡狀態(tài)，一但在外力作用下，某個橋臂的電阻值發(fā)生改變，電橋將不再平衡，產(chǎn)生一輸出信號，通過信號處理與標定，最終

10、可得到構件待測點上的線應變。電阻應變片在測量電橋中，往往會因環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生溫度線應變，可利用電橋的基本特性，采用各種不同的接橋方法以達到溫度補償?shù)哪康?，從復雜的變形中測量出所需要的應變分量，并可提高測量靈敏度和減少誤差。1、半橋電路接線法(1) 半橋單臂(1/4橋)測量(圖2-3（a）)：AB橋臂接工作片，BC橋臂接溫度補償片，應變儀的讀數(shù)為d 1，式中1為AB橋臂工作片所測得的線應變。 (a)半橋單臂測量 (b)半橋雙臂測量圖2-3 半橋電路接線法(2) 半橋雙臂測量（圖2-3（b）：AB與BC橋臂接工作片，溫度應變相互補償，應變儀的讀數(shù)為d 12 ，式中1與2分別為AB與BC橋臂工作片

11、所測得的線應變。2、全橋電路接線法(1) 全橋對臂測量（圖2-4（a）：AB、CD橋臂接工作片，BC、AD橋臂接溫度補償片，應變儀的讀數(shù)為d 14；(2) 全橋測量（圖2-4（b）：溫度自補償，應變儀的讀數(shù)為d 1234 。 (a)相對橋臂測量 (b)全橋測量圖2-4 全橋電路接線法（四）XL3410S 多功能壓桿穩(wěn)定實驗裝置圖2-5壓桿穩(wěn)定實驗裝置XL3410S 多功能壓桿穩(wěn)定實驗裝置的外形結構如圖2-5所示，該實驗臺主要是為完善和改進材料力學教學實驗而研制，壓桿穩(wěn)定作為材料力學教學中的一個難點，可增加學生對壓桿承載及失穩(wěn)的感性知識，加深對壓桿承載特性的認識，理解理想壓桿是實際壓桿的一種抽象

12、，并正確認識二者的聯(lián)系與差別，感受并實際測量不同支承條件（約束）對同一壓桿承載能力的顯著影響。實驗裝置采用螺旋千斤式加載手輪進行加載，經(jīng)壓力傳感器由“力應變綜合參數(shù)測試儀（后簡稱：測試儀）”的測力單元測出力的大小，并由機械電子百分表的表盤直接讀出壓桿軸向位移的大小，或將機械電子百分表按全橋接法接在測試儀的應變測試單元上，間接測出壓桿軸向位移。實驗前應將壓力傳感器接入測試儀后面指定插座上，并將位移傳感器（機械電子百分表）的導線端接在測試儀上面任一通道上形成全橋，以測量壓桿軸向位移，選擇壓桿不同的兩端約束（或加中間約束）組合方式，安裝好彈性壓桿，調試測試儀為正常狀態(tài)即可正式實驗。因實驗裝置已具備了

13、加力、測力（配置測力儀）和測位移（使用自身刻度盤或百分表）三項基本功能，故除了做彈性壓桿穩(wěn)定實驗外，還可兼做其它力學實驗與小型結構的靜載實驗。利于實驗室的多臺并列配置，方便學生自主實驗。其功能還可進一步擴充和完善，為材料力學（及結構力學）實驗教學的創(chuàng)新提供了必要的實驗平臺。1、主要功能：基本實驗項目(1) 兩端鉸支(2) 一端固定，一端鉸支(3) 兩端固定(4) 兩端鉸支，中間約束 可增選實驗項目(1) 一端鉸支，一端自由 (2) 一端鉸支，一端可側滑(3) 一端固定，一端可側滑 (4) 一端固定，一端自由(5) 一端彈性支撐，一端鉸支 (6) 一端彈性支撐，一端固定 (7) 一端彈性支撐，一

14、端自由 (8) 一端彈性支撐，一端可側滑2、主要技術數(shù)據(jù)(1) 實驗臺重：7.5kg(2) 外形尺寸：200×200×610mm(3) 最大載荷：2kN(4) 測力傳感器示值誤差：±2(5) 軸向位移測量誤差：±0.02mm(6) 臺體頂、底板中心偏離：±1mm(7) 試件截面尺寸：20×2mm (8) 試件材料彈性模量：E206GPa(9) 試件初彎曲率（/l）：1/100003、操作規(guī)程如下：(1) 將力傳感器接在測試儀的后面指定位置，并將百分表接在測試儀的應變測量單元。(2) 在測試儀的測力功能模塊處設置力傳感器的最大

15、量程和靈敏系數(shù)。(3) 在測試儀的應變功能模塊處設置機械電子百分表的應變靈敏系數(shù)。(4) 調節(jié)實驗裝置的底腳螺母，使裝置處于水平固定位置。(5) 按照從下到上的順序，安裝好試驗用彈性壓桿。(6) 順時針緩慢轉動加載手輪給彈性壓桿加力，并記錄數(shù)據(jù)。三、實驗項目及內容實驗一：偏心拉伸變形實驗（拉彎組合變形實驗）一、實驗目的和要求1測定偏心拉伸時最大正應力，驗證迭加原理的正確性。2分別測定偏心拉伸時由軸力和彎矩所產(chǎn)生的應力。3測定偏心距e。4測定彈性模量E。二、實驗儀器設備與工具力應變綜合參數(shù)測試儀、組合實驗臺拉伸部件、梅花改刀、游標卡尺、鋼板尺等。三、預習思考1采用什么接橋方式可減小側向偏心彎矩的

16、影響？2實測中采用什么組橋方式測試精度最高？四、實驗原理橫截面積為A0的偏心拉伸試件，如圖3-1所示，在外載荷作用下，其軸力FN=FP，彎矩M=FP·e，其中e為偏心距?，F(xiàn)假設彈性模量E和偏心距e未知，需要實測。根據(jù)迭加原理，得橫截面上的應力為單向應力狀態(tài)，其理論計算公式為拉伸應力和彎矩正應力的代數(shù)和。即偏心拉伸試件及應變片的布置方法如圖1-1，R1和R2分別為試件兩側上的兩個對稱點。則 式中：軸力引起的拉伸應變；彎矩引起的最大應變。圖3-1 偏心拉伸試件及布片圖根據(jù)橋路原理，采用不同的組橋方式，便可分別測出與軸向力及彎矩有關的應變值和，則彈性模量E和偏心距e可按下式求得。 ， 最大

17、正應力和由軸力、彎矩分別產(chǎn)生的應力也可方便求得。， ， 可直接采用半橋單臂方式測出R1和R2受力產(chǎn)生的應變值1和2，然后計算出軸力引起的拉伸應變和彎矩引起的應變M；也可采用鄰臂橋路接法測出彎矩引起的應變M，（采用此接橋方式不需溫度補償片，測量精度為2倍，接線如圖32（a）；采用對臂橋路接法可直接測出軸向力引起的應變，（采用此接橋方式需加溫度補償片，測量精度為2倍，接線如圖3-2（b）。圖3-2 接線圖五、實驗步驟1測量試件尺寸。在試件標距范圍內，測量試件三個橫截面尺寸，取三處橫截面面積的平均值作為試件的橫截面面積A0。附表3-12擬訂加載方案。先選取適當?shù)某踺d荷F0（一般取F0 =10% Fm

18、ax左右），估算Fmax（該實驗載荷范圍Pmax5000N），分46級加載。3根據(jù)加載方案，調整好實驗加載裝置。4按實驗要求接好線，調整好儀器，檢查整個測試系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。5. 加載。均勻緩慢加載至初載荷F0，記下各點應變的初始讀數(shù)；然后分級等增量加載，每增加一級載荷，依次記錄應變值和M，直到最終載荷。（附表3-2，半橋單臂測量E、e數(shù)據(jù)表格；附表3-3、對臂橋路測量數(shù)據(jù)表格；附表3-4，鄰臂橋路測量數(shù)據(jù)表格。）6作完實驗后，卸掉載荷，關閉電源，整理好所用儀器設備，清理實驗現(xiàn)場，將所用儀器設備復原，實驗資料交指導教師檢查簽字。六、實驗結果處理 1求實測彈性模量E ， 2求實測偏心距e

19、， 3應力計算（用已知的E、e）理論值 實驗值（、見表3-8和表3-9）， 表3-1 偏心拉伸試件相關數(shù)據(jù)試 件厚度h（mm）寬度b（mm）橫截面面積A0=bh（mm2）截面尺寸已知：彈性模量 E = 210 GPa，泊松比 n= 0.26，偏心距 e= 10 mm表3-2 半橋單臂(1/4橋)測量彈性模量E、偏心距e載荷（N）FP1000200030004000應 變 讀 數(shù) /me11平均值22平均值軸力應變彎曲應變實測彈性模量E實測偏心距e表3-3 對臂橋路（全橋）測量軸力應變載荷（N）FP1000200030004000應變讀數(shù)/medd=/2=表3-4 鄰臂橋路（半橋）測量彎矩應變載

20、荷（N）FP1000200030004000應變讀數(shù)/medd=/2=實驗二：彈性壓桿臨界力與鋼壓桿極限承載力的比較實驗一、實驗目的1觀察鋼壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象，理解鋼壓桿“極值點失穩(wěn)”的實質。2測定常見支承約束條件下鋼壓桿失穩(wěn)的極限載荷Fjx，分析支承約束條件對壓桿失穩(wěn)的影響，并與中心壓桿的歐拉臨界壓力Fcr進行比較。3繪制常見支承約束條件下鋼壓桿的屈曲模態(tài)和壓力位移曲線。二、預習思考1歐拉的理想壓桿模型有何特征？實驗中的壓桿與理想壓桿有何區(qū)別？2為什么說歐拉壓桿承載力公式是在小變形條件下導出的？3不同的支承約束方式對壓桿的臨界載荷有何影響？材料力學中是以什么參量來表示這種影響的？三、實驗儀器和設備

21、1多功能壓桿穩(wěn)定試驗裝置試驗裝置的結構簡圖如圖3-3所示，它由底板、頂板和四根立柱構成加力架。在頂板上安裝了加力和測力系統(tǒng)。采用螺旋加力方式，擰進頂部的加載手輪（加力旋鈕）使絲杠頂推壓頭向下運動，即可對壓桿加載。測力傳感器中的彈性敏感元件置于絲杠和壓頭的芯軸之間。位移傳感器為機電百分表，也裝于頂板，通過承托卡感應壓頭的位移。這兩種傳感器的彈性元件上的電阻應變計均聯(lián)接成全橋電路，輸出的應變信號通過電纜接入儀器的相應插座，經(jīng)放大和模數(shù)（A/D）轉換，直接顯示力值和位移值。試驗裝置配備的支承有：下端鉸支2副，中間約束卡1副；上鉸支承（滾珠帽）1副。 圖3-3 壓桿穩(wěn)定試驗臺 圖3-4 壓桿穩(wěn)定試樣2

22、壓桿試件壓桿試件如圖3-4所示，壓桿和托梁均由65Mn彈簧鋼制成，材料彈性模量E=210GPa，屈服極限sS為785MPa，試件截面尺寸為 b（寬）×t（厚）=20×2mm2，各種支承條件下壓桿的計算長度參考圖中的有關尺寸（Li）。3力&應變綜合參數(shù)測試儀、游標卡尺、鋼直尺等四、實驗原理對于軸向受壓的理想細長直桿（即柔度P），按小變形理論，其臨界載荷可由歐拉公式求得：式中：E為材料的彈性模量；Imin為壓桿截面的最小軸慣性矩；L為壓桿的實際長度，本實驗中根據(jù)兩端的支承情況取不同的值；為長度因數(shù)。實驗所采用的壓桿穩(wěn)定試驗裝置為了簡化壓力位移曲線測量，以壓桿受壓時產(chǎn)生的

23、軸向位移替代壓桿中點的側向位移（撓度）f，因為二者在數(shù)學上是相關的，當然不同支承條件下的f關系有所不同。例如，在兩端鉸支條件下，其關系式為。對于理想狀態(tài)的中心受壓直桿，當F<Fcr時，壓桿保持原有的直線平衡形態(tài)而處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)；當F=Fcr時，壓桿處于臨界狀態(tài)，可以在微彎的形態(tài)下保持平衡，但這種形態(tài)下的平衡是不穩(wěn)定的，稍有干擾壓桿即被壓潰，按小變形理論所繪出的Ff圖形則為兩段折線和，如圖3-5所示。圖3-5 壓力與側向位移曲線的可能形態(tài)但是實際的壓桿，不可避免地會有一些初始曲率；壓桿的材質不可能是絕對均勻的，有時還存在殘余應力，以致桿受壓后其橫截面上產(chǎn)生的分布應力的合力的作用線不與桿軸

24、線重合；同時壓力的作用線不可能毫無偏差地與桿軸線重合；壓桿的約束也不可能是完全光滑的。所有這些因素都導致實際壓桿的失穩(wěn)過程具有一些區(qū)別于理想壓桿失穩(wěn)的特點，因而實驗中測定的壓桿的極限荷載Fjx只可能逼近歐拉載荷Fcr，實驗的精度很大程度上取決于實驗試件的制造、實驗裝置的調試和實驗過程的操作，應引起高度重視。對于在制造（選材、熱處理和磨削）過程中壓桿加工精度高，壓桿安裝精度也高的實驗，壓桿便可達到很高的最大承載力Fmax，桿件無明顯的彎曲，F(xiàn)f關系也呈較陡的斜直線。當壓桿的內能達到一定水平，超過了桿端支承的靜摩擦等阻力因素，壓桿就會突然彎曲，壓力突降趨于平穩(wěn)后的載荷即為壓桿的極限載荷Fjx，如圖

25、中的曲線OAB。如果試件在制造和安裝過程中精度不夠，壓桿在受力開始即產(chǎn)生彎曲變形，致使Ff曲線的OA段發(fā)生傾斜，但此時彎曲變形較之壓縮變形還不是主要的，其撓度f增加較慢，而當F趨近于Fcr時彎曲變形成為主要變形，f則急劇增大如圖3-5中的曲線OAB所示。作曲線OAB的水平漸近線，與之對應的載荷縱坐標即代表壓桿的極限載荷Fjx。五、實驗方法和步驟1試件的測量和安裝測量試件的長度L、寬度b和厚度t。因試件厚度t對臨界載荷影響很大，故應在沿壓桿長度方向測取56處的厚度數(shù)據(jù)，取其平均值用以計算截面的最小軸慣性矩Imin。設定壓桿試驗的模式（支承方式），按支承方式如圖3-11的要求，調整支座，并仔細檢查

26、是否符合設定狀態(tài)，特別注意盡可能使壓力作用線與壓桿軸線重合。調整底板上的調平螺母使試驗臺體穩(wěn)定。2儀器的聯(lián)接將力和軸向位移傳感器電纜接入儀器的相應輸入位置，若用計算機采集數(shù)據(jù)，需接好與計算機并口的連接電纜和電源線，打開電源開關。3為保證試件失穩(wěn)后不發(fā)生屈服，試驗前應根據(jù)歐拉公式估算試驗的歐拉臨界力Fcr，并根據(jù)下式估算在彈性范圍內試件允許的最大撓度fmax，即式中：S0、W分別為試件橫截面面積和抗彎截面模量。取(0.70.8)s，s為試件材料的屈服極限?？蓪⒆畲髶隙萬max（橫向位移）換算為最大軸向位移max。圖3-6 可供選擇的支承方式及其編號4儀器調試，預加載在測試儀的測力功能模塊處設置力傳感器的最大量程和靈敏系數(shù)，詳見前面儀器設備介紹的力/應變綜合參數(shù)測試儀的操作規(guī)程，這里不再敘述。同理，設置好應變測量模塊的相關參數(shù)。然后進行荷載、位移傳感器初始狀態(tài)的調整：松開加力旋鈕，再慢慢擰進，當所顯示的力值稍微改變時，即可調整百分表下的調節(jié)墊，確定百分表指針讀數(shù)達到5mm左右為位