材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、 專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中心一、學(xué)生實(shí)驗(yàn)須知1 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，要嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)規(guī)章制度，服從指導(dǎo)教師的安排；2 嚴(yán)禁在實(shí)驗(yàn)室大聲喧嘩和嬉戲；3 保持實(shí)驗(yàn)室周圍的整潔，不亂扔紙屑、果皮，不隨地吐痰，嚴(yán)禁吸煙；4 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，弄清實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃砗头椒ǎ? 實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)嚴(yán)肅認(rèn)真，嚴(yán)格按照規(guī)定步驟操作，自己動(dòng)手完成，及時(shí)記錄和整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不得轉(zhuǎn)抄他人數(shù)據(jù)，要培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和分析問題、解決問題的能力；6 使用儀器設(shè)備時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象應(yīng)立即停止使用，并及時(shí)向指導(dǎo)教師報(bào)告。如果因違反操作規(guī)程（或未經(jīng)許可使用）而造成設(shè)備損壞，應(yīng)按

2、學(xué)校有關(guān)規(guī)定賠償損失。7 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)將儀器設(shè)備和桌凳整理好并歸還原位，協(xié)助打掃實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生，經(jīng)指導(dǎo)老師檢查合格后方能離開實(shí)驗(yàn)室；8 學(xué)生應(yīng)按時(shí)（最遲不超過一周時(shí)間）上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以供老師批改統(tǒng)計(jì)成績。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備介紹（一）材料力學(xué)多功能組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)材料力學(xué)多功能組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)（以下簡稱實(shí)驗(yàn)臺(tái)）是方便學(xué)生自己動(dòng)手做材料力學(xué)電測(cè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，配套使用的儀器設(shè)備還有：拉壓型力傳感器、力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀、電阻應(yīng)變片、連接導(dǎo)線與梅花改刀等，并配有計(jì)算機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集與計(jì)算。一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可做多個(gè)電測(cè)實(shí)驗(yàn)，功能全面，操作簡單，實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 材料力學(xué)多功能組合實(shí)

3、驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為框架式整體結(jié)構(gòu)，配置有拉壓型力傳感器及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)(在試件待測(cè)點(diǎn)表面粘貼的電阻應(yīng)變片)，通過力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀（以下簡稱測(cè)試儀）實(shí)現(xiàn)力與應(yīng)變的實(shí)時(shí)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)臺(tái)分前后兩半部分，前半部分可做彎扭組合變形實(shí)驗(yàn)、材料彈性模量與泊松比測(cè)定實(shí)驗(yàn)、偏心拉伸實(shí)驗(yàn)、壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)、懸臂梁實(shí)驗(yàn)、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)；后半部分可做純彎曲梁正應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)、電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、組合疊梁實(shí)驗(yàn)等。操作規(guī)程如下：(1) 將所作實(shí)驗(yàn)的試件通過有關(guān)附件連接到架體相應(yīng)位置，連接拉壓型力傳感器和加載件到加載機(jī)構(gòu)上。(2) 連接拉壓型力傳感器電纜線到測(cè)試儀后面?zhèn)鞲衅鬏斎氩遄?，連接電阻應(yīng)變片導(dǎo)線到測(cè)試儀的各個(gè)測(cè)量

4、通道接線柱上。(3) 打開測(cè)試儀電源，預(yù)熱約20分鐘左右，輸入力傳感器量程及靈敏度和應(yīng)變片靈敏系數(shù)（一般首次使用時(shí)已調(diào)好，如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及力傳感器沒有改變，可不必重新設(shè)置），在不加載（加力點(diǎn)上下未接觸）的情況下將測(cè)力初值和應(yīng)變初值調(diào)至零。(4) 在初始值以上對(duì)各試件進(jìn)行分級(jí)加載，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪速度要均勻，記下各級(jí)力值和待測(cè)點(diǎn)各通道的應(yīng)變值，若已與微機(jī)連接，則全部數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。注意事項(xiàng)(1) 每次實(shí)驗(yàn)前應(yīng)事先接通測(cè)試儀電源，并打開測(cè)試儀電源開關(guān)，預(yù)熱約20分鐘左右。(2) 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)從零開始加載，且不得超過規(guī)定的最終載荷值。(3) 加載機(jī)構(gòu)作用行程為50mm，手輪轉(zhuǎn)動(dòng)到行程末端時(shí)應(yīng)停止加載，

5、以免損壞定位件。(4) 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完后，應(yīng)釋放所加荷載，恢復(fù)到初始狀態(tài)。(5) 蝸桿加載機(jī)構(gòu)每半年或定期加潤滑機(jī)油，避免干磨損，縮短使用壽命。（二）XL2118C型 力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀XL2118C型 力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀具有力、應(yīng)變同時(shí)測(cè)試功能，如圖2-2所示。使用前應(yīng)將應(yīng)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(yīng)變片接橋方法，根據(jù)測(cè)試要求，將相應(yīng)的電阻應(yīng)變片導(dǎo)線接入儀器的指定通道相應(yīng)接線柱上形成一測(cè)量電橋，然后打開電源開關(guān)，預(yù)熱一段時(shí)間即可正式加力進(jìn)行測(cè)試。圖2-2 XL2118C型 力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀主要特點(diǎn)有：(1) 全數(shù)字化智能設(shè)計(jì)，

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(xué)實(shí)驗(yàn)。(3) 配接力傳感器測(cè)量拉壓力，傳感器配接范圍廣、精度高（0.01%）。 (4) 測(cè)點(diǎn)切換采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)器件程控完成，減少因開關(guān)氧化引起的接觸電阻變化對(duì)測(cè)試結(jié)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(jìn)口端子， 接觸可靠，不易磨損。 (6) 1個(gè)測(cè)力窗口和6個(gè)應(yīng)變測(cè)試窗口，使各測(cè)點(diǎn)隨不同載荷下的應(yīng)變直觀的同時(shí)顯示出來，顯示直觀清晰，在一般情況下，不必進(jìn)行通切換即可完成全部實(shí)驗(yàn) 操作規(guī)程如下：(1) 測(cè)力模塊的使用方法將力傳感器接在測(cè)試儀后面指定位置處打開儀器電源開關(guān)，系統(tǒng)自

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

8、“系數(shù)設(shè)定”鍵再按一下“自動(dòng)平衡”鍵結(jié)束設(shè)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(dòng)準(zhǔn)備加力正式試驗(yàn)。單獨(dú)設(shè)定：根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要接好電橋打開儀器電源開關(guān)，系統(tǒng)自檢顯示“2118”字樣時(shí)按下“系數(shù)設(shè)定”鍵2秒鐘設(shè)置顯示參數(shù)為“C1 One” 再按一下“系數(shù)設(shè)定”鍵設(shè)置顯示為“C2 01” 再按一下“系數(shù)設(shè)定”鍵顯示“CC End-” 關(guān)閉電源再打開稍等10秒鐘按一下“系數(shù)設(shè)定”鍵設(shè)置“01 （正確值）”再按一下“系數(shù)設(shè)定”鍵設(shè)置“02 （正確值）”依次類推，直到最后一點(diǎn)設(shè)置好后，回到測(cè)試狀態(tài)按一下“自動(dòng)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(dòng)準(zhǔn)備加力正式試驗(yàn)。 （

9、三）電阻應(yīng)變片及其橋路接法電測(cè)法的基本原理：采用專門的貼片工藝，將電阻應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面待測(cè)點(diǎn)上，用電阻應(yīng)變片測(cè)得待測(cè)點(diǎn)的線應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系（胡克定律）確定出構(gòu)件表面待測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。該方法不僅用于驗(yàn)證材料力學(xué)的某些基本理論，測(cè)量材料的機(jī)械性能參數(shù)，而且是一種主要的工程測(cè)試手段，為解決工程實(shí)際問題及從事科學(xué)研究提供了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?；菟雇姌虻幕咎匦裕壕哂兴膫€(gè)橋臂，相鄰橋臂所測(cè)得的線應(yīng)變符號(hào)相反，相對(duì)橋臂所測(cè)得的線應(yīng)變符號(hào)相同。初始狀態(tài)是四個(gè)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(gè)橋臂的電阻值發(fā)生改變，電橋?qū)⒉辉倨胶?，產(chǎn)生一輸出信號(hào)，通過信號(hào)處理與標(biāo)定，最終

10、可得到構(gòu)件待測(cè)點(diǎn)上的線應(yīng)變。電阻應(yīng)變片在測(cè)量電橋中，往往會(huì)因環(huán)境溫度的變化產(chǎn)生溫度線應(yīng)變，可利用電橋的基本特性，采用各種不同的接橋方法以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康模瑥膹?fù)雜的變形中測(cè)量出所需要的應(yīng)變分量，并可提高測(cè)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(cè)量(圖2-3（a）)：AB橋臂接工作片，BC橋臂接溫度補(bǔ)償片，應(yīng)變儀的讀數(shù)為d 1，式中1為AB橋臂工作片所測(cè)得的線應(yīng)變。 (a)半橋單臂測(cè)量 (b)半橋雙臂測(cè)量圖2-3 半橋電路接線法(2) 半橋雙臂測(cè)量（圖2-3（b）：AB與BC橋臂接工作片，溫度應(yīng)變相互補(bǔ)償，應(yīng)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(cè)得的線應(yīng)變。2、全橋電路接線法(1) 全橋?qū)Ρ蹨y(cè)量（圖2-4（a）：AB、CD橋臂接工作片，BC、AD橋臂接溫度補(bǔ)償片，應(yīng)變儀的讀數(shù)為d 14；(2) 全橋測(cè)量（圖2-4（b）：溫度自補(bǔ)償，應(yīng)變儀的讀數(shù)為d 1234 。 (a)相對(duì)橋臂測(cè)量 (b)全橋測(cè)量圖2-4 全橋電路接線法（四）XL3410S 多功能壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)裝置圖2-5壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)裝置XL3410S 多功能壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)裝置的外形結(jié)構(gòu)如圖2-5所示，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要是為完善和改進(jìn)材料力學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)而研制，壓桿穩(wěn)定作為材料力學(xué)教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，可增加學(xué)生對(duì)壓桿承載及失穩(wěn)的感性知識(shí)，加深對(duì)壓桿承載特性的認(rèn)識(shí)，理解理想壓桿是實(shí)際壓桿的一種抽象

12、，并正確認(rèn)識(shí)二者的聯(lián)系與差別，感受并實(shí)際測(cè)量不同支承條件（約束）對(duì)同一壓桿承載能力的顯著影響。實(shí)驗(yàn)裝置采用螺旋千斤式加載手輪進(jìn)行加載，經(jīng)壓力傳感器由“力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀（后簡稱：測(cè)試儀）”的測(cè)力單元測(cè)出力的大小，并由機(jī)械電子百分表的表盤直接讀出壓桿軸向位移的大小，或?qū)C(jī)械電子百分表按全橋接法接在測(cè)試儀的應(yīng)變測(cè)試單元上，間接測(cè)出壓桿軸向位移。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將壓力傳感器接入測(cè)試儀后面指定插座上，并將位移傳感器（機(jī)械電子百分表）的導(dǎo)線端接在測(cè)試儀上面任一通道上形成全橋，以測(cè)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(diào)試測(cè)試儀為正常狀態(tài)即可正式實(shí)驗(yàn)。因?qū)嶒?yàn)裝置已具備了

13、加力、測(cè)力（配置測(cè)力儀）和測(cè)位移（使用自身刻度盤或百分表）三項(xiàng)基本功能，故除了做彈性壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)外，還可兼做其它力學(xué)實(shí)驗(yàn)與小型結(jié)構(gòu)的靜載實(shí)驗(yàn)。利于實(shí)驗(yàn)室的多臺(tái)并列配置，方便學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)。其功能還可進(jìn)一步擴(kuò)充和完善，為材料力學(xué)（及結(jié)構(gòu)力學(xué)）實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新提供了必要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。1、主要功能：基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(1) 一端鉸支，一端自由 (2) 一端鉸支，一端可側(cè)滑(3) 一端固定，一端可側(cè)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(cè)滑2、主要技術(shù)數(shù)據(jù)(1) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)重：7.5kg(2) 外形尺寸：200×200×610mm(3) 最大載荷：2kN(4) 測(cè)力傳感器示值誤差：±2(5) 軸向位移測(cè)量誤差：±0.02mm(6) 臺(tái)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(cè)試儀的后面指定位置，并將百分表接在測(cè)試儀的應(yīng)變測(cè)量單元。(2) 在測(cè)試儀的測(cè)力功能模塊處設(shè)置力傳感器的最大

15、量程和靈敏系數(shù)。(3) 在測(cè)試儀的應(yīng)變功能模塊處設(shè)置機(jī)械電子百分表的應(yīng)變靈敏系數(shù)。(4) 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)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(yàn)用彈性壓桿。(6) 順時(shí)針緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)加載手輪給彈性壓桿加力，并記錄數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容實(shí)驗(yàn)一：偏心拉伸變形實(shí)驗(yàn)（拉彎組合變形實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?測(cè)定偏心拉伸時(shí)最大正應(yīng)力，驗(yàn)證迭加原理的正確性。2分別測(cè)定偏心拉伸時(shí)由軸力和彎矩所產(chǎn)生的應(yīng)力。3測(cè)定偏心距e。4測(cè)定彈性模量E。二、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與工具力應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀、組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)拉伸部件、梅花改刀、游標(biāo)卡尺、鋼板尺等。三、預(yù)習(xí)思考1采用什么接橋方式可減小側(cè)向偏心彎矩的

16、影響？2實(shí)測(cè)中采用什么組橋方式測(cè)試精度最高？四、實(shí)驗(yàn)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(shè)彈性模量E和偏心距e未知，需要實(shí)測(cè)。根據(jù)迭加原理，得橫截面上的應(yīng)力為單向應(yīng)力狀態(tài)，其理論計(jì)算公式為拉伸應(yīng)力和彎矩正應(yīng)力的代數(shù)和。即偏心拉伸試件及應(yīng)變片的布置方法如圖1-1，R1和R2分別為試件兩側(cè)上的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)。則 式中：軸力引起的拉伸應(yīng)變；彎矩引起的最大應(yīng)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(cè)出與軸向力及彎矩有關(guān)的應(yīng)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(yīng)力和由軸力、彎矩分別產(chǎn)生的應(yīng)力也可方便求得。， ， 可直接采用半橋單臂方式測(cè)出R1和R2受力產(chǎn)生的應(yīng)變值1和2，然后計(jì)算出軸力引起的拉伸應(yīng)變和彎矩引起的應(yīng)變M；也可采用鄰臂橋路接法測(cè)出彎矩引起的應(yīng)變M，（采用此接橋方式不需溫度補(bǔ)償片，測(cè)量精度為2倍，接線如圖32（a）；采用對(duì)臂橋路接法可直接測(cè)出軸向力引起的應(yīng)變，（采用此接橋方式需加溫度補(bǔ)償片，測(cè)量精度為2倍，接線如圖3-2（b）。圖3-2 接線圖五、實(shí)驗(yàn)步驟1測(cè)量試件尺寸。在試件標(biāo)距范圍內(nèi)，測(cè)量試件三個(gè)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(dāng)?shù)某踺d荷F0（一般取F0 =10% Fm

18、ax左右），估算Fmax（該實(shí)驗(yàn)載荷范圍Pmax5000N），分46級(jí)加載。3根據(jù)加載方案，調(diào)整好實(shí)驗(yàn)加載裝置。4按實(shí)驗(yàn)要求接好線，調(diào)整好儀器，檢查整個(gè)測(cè)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(diǎn)應(yīng)變的初始讀數(shù)；然后分級(jí)等增量加載，每增加一級(jí)載荷，依次記錄應(yīng)變值和M，直到最終載荷。（附表3-2，半橋單臂測(cè)量E、e數(shù)據(jù)表格；附表3-3、對(duì)臂橋路測(cè)量數(shù)據(jù)表格；附表3-4，鄰臂橋路測(cè)量數(shù)據(jù)表格。）6作完實(shí)驗(yàn)后，卸掉載荷，關(guān)閉電源，整理好所用儀器設(shè)備，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將所用儀器設(shè)備復(fù)原，實(shí)驗(yàn)資料交指導(dǎo)教師檢查簽字。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理 1求實(shí)測(cè)彈性模量E ， 2求實(shí)測(cè)偏心距e

19、， 3應(yīng)力計(jì)算（用已知的E、e）理論值 實(shí)驗(yàn)值（、見表3-8和表3-9）， 表3-1 偏心拉伸試件相關(guān)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(cè)量彈性模量E、偏心距e載荷（N）FP1000200030004000應(yīng) 變 讀 數(shù) /me11平均值22平均值軸力應(yīng)變彎曲應(yīng)變實(shí)測(cè)彈性模量E實(shí)測(cè)偏心距e表3-3 對(duì)臂橋路（全橋）測(cè)量軸力應(yīng)變載荷（N）FP1000200030004000應(yīng)變讀數(shù)/medd=/2=表3-4 鄰臂橋路（半橋）測(cè)量彎矩應(yīng)變載

20、荷（N）FP1000200030004000應(yīng)變讀數(shù)/medd=/2=實(shí)驗(yàn)二：彈性壓桿臨界力與鋼壓桿極限承載力的比較實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察鋼壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象，理解鋼壓桿“極值點(diǎn)失穩(wěn)”的實(shí)質(zhì)。2測(cè)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(duì)壓桿失穩(wěn)的影響，并與中心壓桿的歐拉臨界壓力Fcr進(jìn)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(yù)習(xí)思考1歐拉的理想壓桿模型有何特征？實(shí)驗(yàn)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(dǎo)出的？3不同的支承約束方式對(duì)壓桿的臨界載荷有何影響？材料力學(xué)中是以什么參量來表示這種影響的？三、實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

21、1多功能壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示，它由底板、頂板和四根立柱構(gòu)成加力架。在頂板上安裝了加力和測(cè)力系統(tǒng)。采用螺旋加力方式，擰進(jìn)頂部的加載手輪（加力旋鈕）使絲杠頂推壓頭向下運(yùn)動(dòng)，即可對(duì)壓桿加載。測(cè)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(jī)電百分表，也裝于頂板，通過承托卡感應(yīng)壓頭的位移。這兩種傳感器的彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)均聯(lián)接成全橋電路，輸出的應(yīng)變信號(hào)通過電纜接入儀器的相應(yīng)插座，經(jīng)放大和模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，直接顯示力值和位移值。試驗(yàn)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(yàn)臺(tái) 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(jì)算長度參考圖中的有關(guān)尺寸（Li）。3力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀、游標(biāo)卡尺、鋼直尺等四、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于軸向受壓的理想細(xì)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(shí)際長度，本實(shí)驗(yàn)中根據(jù)兩端的支承情況取不同的值；為長度因數(shù)。實(shí)驗(yàn)所采用的壓桿穩(wěn)定試驗(yàn)裝置為了簡化壓力位移曲線測(cè)量，以壓桿受壓時(shí)產(chǎn)生的

23、軸向位移替代壓桿中點(diǎn)的側(cè)向位移（撓度）f，因?yàn)槎咴跀?shù)學(xué)上是相關(guān)的，當(dāng)然不同支承條件下的f關(guān)系有所不同。例如，在兩端鉸支條件下，其關(guān)系式為。對(duì)于理想狀態(tài)的中心受壓直桿，當(dāng)F<Fcr時(shí)，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(dāng)F=Fcr時(shí)，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(cè)向位移曲線的可能形態(tài)但是實(shí)際的壓桿，不可避免地會(huì)有一些初始曲率；壓桿的材質(zhì)不可能是絕對(duì)均勻的，有時(shí)還存在殘余應(yīng)力，以致桿受壓后其橫截面上產(chǎn)生的分布應(yīng)力的合力的作用線不與桿軸

24、線重合；同時(shí)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(dǎo)致實(shí)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(diǎn)，因而實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的壓桿的極限荷載Fjx只可能逼近歐拉載荷Fcr，實(shí)驗(yàn)的精度很大程度上取決于實(shí)驗(yàn)試件的制造、實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)過程的操作，應(yīng)引起高度重視。對(duì)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(shí)驗(yàn)，壓桿便可達(dá)到很高的最大承載力Fmax，桿件無明顯的彎曲，F(xiàn)f關(guān)系也呈較陡的斜直線。當(dāng)壓桿的內(nèi)能達(dá)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(huì)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(shí)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(dāng)F趨近于Fcr時(shí)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(duì)應(yīng)的載荷縱坐標(biāo)即代表壓桿的極限載荷Fjx。五、實(shí)驗(yàn)方法和步驟1試件的測(cè)量和安裝測(cè)量試件的長度L、寬度b和厚度t。因試件厚度t對(duì)臨界載荷影響很大，故應(yīng)在沿壓桿長度方向測(cè)取56處的厚度數(shù)據(jù)，取其平均值用以計(jì)算截面的最小軸慣性矩Imin。設(shè)定壓桿試驗(yàn)的模式（支承方式），按支承方式如圖3-11的要求，調(diào)整支座，并仔細(xì)檢查

26、是否符合設(shè)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(diào)整底板上的調(diào)平螺母使試驗(yàn)臺(tái)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(yīng)輸入位置，若用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，需接好與計(jì)算機(jī)并口的連接電纜和電源線，打開電源開關(guān)。3為保證試件失穩(wěn)后不發(fā)生屈服，試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)歐拉公式估算試驗(yàn)的歐拉臨界力Fcr，并根據(jù)下式估算在彈性范圍內(nèi)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(hào)4儀器調(diào)試，預(yù)加載在測(cè)試儀的測(cè)力功能模塊處設(shè)置力傳感器的最大量程和靈敏系數(shù)，詳見前面儀器設(shè)備介紹的力/應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀的操作規(guī)程，這里不再敘述。同理，設(shè)置好應(yīng)變測(cè)量模塊的相關(guān)參數(shù)。然后進(jìn)行荷載、位移傳感器初始狀態(tài)的調(diào)整：松開加力旋鈕，再慢慢擰進(jìn)，當(dāng)所顯示的力值稍微改變時(shí)，即可調(diào)整百分表下的調(diào)節(jié)墊，確定百分表指針讀數(shù)達(dá)到5