經(jīng)典南京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電測法實(shí)驗(yàn)報告(含數(shù)據(jù))

1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電測方法實(shí)驗(yàn)報告結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電測方法實(shí)驗(yàn)報告學(xué)院： 航空宇航學(xué)院專業(yè)： 學(xué)號： 姓名： 組員： 指導(dǎo)教師： 日期： 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度電測法實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握電阻應(yīng)變測試原理及方法2.掌握電阻應(yīng)變片的安裝工藝3.掌握電阻應(yīng)變片電橋線路的連接及電阻應(yīng)變儀的使用4.測定矩形截面受純剪切內(nèi)力作用時的剪切應(yīng)力分布規(guī)律及許用載荷5.測定特定的彈性元件在對稱載荷作用方式下的最大許用載荷6.測定特定的框架結(jié)構(gòu)在指定外力作用下的危險點(diǎn)應(yīng)力及最大許用載荷7.給出測試結(jié)果并給出不確定度分析二 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備名稱及型號本實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備有：TS3861靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、壓力試驗(yàn)機(jī)、2個待測彈性元件及1個鋼架

2、、電阻應(yīng)變片、導(dǎo)線、電烙鐵、丙酮、砂紙、502膠、絕緣膠帶、鑷子等。TS3861靜態(tài)電阻應(yīng)變儀面板如圖1所示。圖1 TS3861靜態(tài)電阻應(yīng)變儀面板示意圖其中：（1）CH為通道指示，其下面的兩個按扭為通道選擇鍵。 （2）為讀數(shù)應(yīng)變顯示窗，其下面的三個按鍵“自動”、“初值”、“測量”的作用為：“自動”按鍵在手動測量時無用；“初值”按鍵為在有初始值的情況下的測量；若先按“初值”再按“測量”按鍵，為將現(xiàn)通道設(shè)置為在“0”初始值的情況下的測量，即“置零”。 （3）根據(jù)應(yīng)變片的阻值選擇“應(yīng)變片電阻”的數(shù)字。 （4）根據(jù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)選擇“靈敏系數(shù)K”的數(shù)字。三 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法1、應(yīng)變片原理 電阻片分

3、絲式和箔式兩大類。絲繞式電阻片是用0.003mm-0.01mm的合金絲繞成柵狀制成的；箔式應(yīng)變片則是用0.003mm-0.01mm厚的箔材經(jīng)化學(xué)腐蝕制成柵狀的，其主體敏感柵實(shí)際上是一個電阻。金屬絲的電阻隨機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變-電性能。電阻片在感受構(gòu)件的應(yīng)變時（稱做工作片），其電阻同時發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)件被測量部位的應(yīng)變l/l與電阻變化率R/R成正比關(guān)系，即： 比例系數(shù)Ks稱為電阻片的靈敏系數(shù)。由于電阻片的敏感柵不是一根直絲，所以Ks不能直接計算，需要在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變梁上通過抽樣標(biāo)定來確定。Ks的數(shù)值一般約在2.0 左右，這里取K=2.048。2、電阻應(yīng)變儀原理 電阻應(yīng)變儀是將電阻片感

4、受到應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，再把電阻變化通過適當(dāng)橋路和 放大器轉(zhuǎn)為電壓變化，并顯示出來。電阻應(yīng)變儀按其測量對象可分為靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和動態(tài)電阻應(yīng)變儀。動態(tài)應(yīng)變儀有電壓和電流輸出，提供相關(guān)記錄儀記錄，例如X-Y記錄儀、光線示波器和磁帶記錄儀等等。也有一些應(yīng)變儀兼有靜態(tài)應(yīng)變數(shù)值顯示和動態(tài)電壓輸出，使用起來比較方便。由于電阻應(yīng)變儀是一種專用儀器，其顯示部分直接顯示應(yīng)變值。通過應(yīng)變可以計算出載荷、應(yīng)力和變形，為核算構(gòu)件的強(qiáng)度提供依據(jù)，因此應(yīng)變儀應(yīng)用十分廣泛應(yīng)變儀測量電路是一個電橋電路(見圖2)它的四個橋臂 R1 ，R2 ，R3 ，R4 順序連接在 A、B、C、D 之間。電橋 AC 對角接電源 E ；BD 對

5、角為電橋輸出電壓 UDB 。當(dāng)四個電阻皆由電阻應(yīng)變片組成，且四枚電阻片阻值和靈敏系數(shù)相等時，橋路有如下關(guān)系: 圖2 其中1 ，2 ，3 ，4 分別代表電阻片 R1 ，R2 ，R3 ，R4 感受的應(yīng)變，這表明電壓增量 UDB 與四個橋臂電阻片的應(yīng)變成線性關(guān)系。利用這個關(guān)系可實(shí)現(xiàn)單片、半橋和全橋測量方式，獲得不同的量測效果。3、溫度補(bǔ)償片應(yīng)用原理溫度改變時，金屬絲的長度也會發(fā)生變化，從而引起電阻的變化。因此在溫度環(huán)境下進(jìn)行測量，應(yīng)變片的電阻變化由兩部分組成即：R = RRTR-由構(gòu)件機(jī)械變形引起的電阻變化。RT-由溫度變化引起的電阻變化。要準(zhǔn)確地測量構(gòu)件因變形引起的應(yīng)變，就要排除溫度對電阻變化的影

6、響。方法之一是，采用溫度能夠自己補(bǔ)償?shù)膶Ｓ秒娮杵?；另一種方法是，把普通應(yīng)變片，貼在材質(zhì)與構(gòu)件相同、但不參與機(jī)械變形的一材料上，然后和工作片在同一溫度條件下組橋。電阻變化只與溫度有關(guān)的電阻片稱做溫度補(bǔ)償片。利用電橋原理，讓補(bǔ)償片和工作片一起合理組橋，就可以消除溫度給應(yīng)力測量帶來的影響。4、測量電路電橋的應(yīng)用原理應(yīng)變片可以感受影響變化，但必須通過應(yīng)變片組成電橋電路來測量電壓的變化，從而得出應(yīng)變變化。通過測量電橋把電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，再將電壓變化放大通過應(yīng)變儀顯示出來（A/D數(shù)顯）。由應(yīng)變片和定值電阻，溫度補(bǔ)償片等組成的測量電橋如下圖：測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路。R1、R2、R3、

7、R4四個電阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之間，構(gòu)成電橋的四橋臂。電橋的對角AC接電源，電源電壓為E；對角BD 為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示。可以證明UDB與橋臂電阻有如下關(guān)系：UDB = 若4個橋臂電阻由貼在構(gòu)件上的4枚電阻片組成，而且初始電阻R1 = R2 = R3 = R4，當(dāng)輸出電壓UDB = 0時，電橋處于平衡狀態(tài)。構(gòu)件變形時，各電阻的變化量分別為R1、R2、R3、R4。輸出電壓的相應(yīng)變化為：UDB+UDB = 在小應(yīng)變 的條件下，可以證明橋路輸出電壓為：UDB 如果R僅由機(jī)械變形引起、與溫度影響無關(guān)，而且4枚電阻片的靈敏系數(shù)Ks相等時，根據(jù) ，可以寫成：UD

8、B 如果供橋電壓E不變，那么構(gòu)件變形引起的電壓輸出UDB 與4個橋臂的應(yīng)變值1、2、3、4成線性關(guān)系。式中各是代數(shù)值，其符號由變形方向決定。一般拉應(yīng)變?yōu)?quot;正"、壓應(yīng)變?yōu)?quot;負(fù)"。根據(jù)這一特性：相鄰兩橋臂的（1、3或 2、4）符號一致時，兩應(yīng)變相抵消；如符號相反，則兩應(yīng)變的絕對值相加。相對兩橋臂的（ 1 、2或 3、4）符號一致時，兩應(yīng)變的絕對值相加；如符號相反，則兩應(yīng)變相抵消。實(shí)驗(yàn)如果能很好地利用電橋的這一特性，合理布片、靈活組橋，將直接影響電橋輸出電壓的大小，從而有效地提高測量靈敏度、并減少測量誤差。這種作用稱做橋路的加減特性。電阻應(yīng)變儀是測量應(yīng)變的專用

9、儀器，橋路輸出電壓UDB的大小，是按應(yīng)變直接標(biāo)定來顯示的。因此與UDB對應(yīng)的應(yīng)變值儀儀可由應(yīng)變儀直接讀出來。一般貼在構(gòu)件上參與機(jī)械變形的電阻片稱做工作片，在不考慮溫度影響的前提下，應(yīng)變片接入各橋臂的組橋方式不同、與工作片相應(yīng)的輸出電壓也不同。在此介紹幾種典型的組橋方式如下：半橋測量兩枚工作片R1、 R2分別接在相鄰兩個橋臂AB、BC上。其它兩個橋臂是應(yīng)變儀的內(nèi)接電阻。這時電橋的輸出電壓為：UDB 單臂測量只有一枚工作片R1接在AB橋臂上。其它3個橋臂的電阻片都不參與變形應(yīng)變e為零。這時電橋的輸出電壓為：UDB 對臂測量兩枚工作片R1、 R3分別接在對臂AB、CD上。溫度補(bǔ)償片R2、 R4分別接

10、在其它兩對臂BC、AD上。這時：UDB 單臂串聯(lián)測量兩枚串聯(lián)的工作片2R接AB臂。而兩枚串聯(lián)的溫度補(bǔ)償片2R接BC臂。其他兩個橋臂接儀器的內(nèi)接電阻這時：UDB 工作片串聯(lián)后R1 = 2R，同樣R1= 2R ，因此UDB的測量結(jié)果不變，與兩枚阻片電阻變化率的平均值成正比。5、電阻應(yīng)變儀及應(yīng)變測定設(shè)電阻應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)是，應(yīng)變儀的應(yīng)變讀數(shù)是。則： 所以應(yīng)變儀的讀數(shù)為：調(diào)節(jié)電阻應(yīng)變儀，使應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)等于應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，則： 所以可利用電阻應(yīng)變儀測量應(yīng)變片的電阻變化率，求出被測部位的應(yīng)變值6、應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換關(guān)系（1）單向應(yīng)力狀態(tài)構(gòu)件在外力作用下，若被測點(diǎn)為單向應(yīng)力狀態(tài)，則主應(yīng)力方向已知，只有主應(yīng)力

11、是未知量，可沿主應(yīng)力方向粘貼一個應(yīng)變片，測得主應(yīng)變后，由胡克定律 即可求得主應(yīng)力。（2）未知主應(yīng)力方向的二向應(yīng)力狀態(tài)對于形狀和受力情況比較復(fù)雜的構(gòu)件，除了被測點(diǎn)兩個主應(yīng)力值未知外，主應(yīng)力方向也是未知的，即存在、和三個未知量。此時，可以在該點(diǎn)沿著三個不同方向粘貼三個圖4 未知主應(yīng)力方向的測點(diǎn)貼片方式應(yīng)變片，根據(jù)測得的應(yīng)變值換算成主應(yīng)力值，換算原理如下。在測點(diǎn)處任意選定直角坐標(biāo)xOy，并在與x軸成、和夾角方向上各粘貼一片應(yīng)變片，如圖所示。由三個應(yīng)變片分別測得這三個方向上的應(yīng)變、和。另外，由二向應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)變分析可知，若已知該測點(diǎn)O處沿坐標(biāo)軸方向的線應(yīng)變、和剪應(yīng)變，則該點(diǎn)處任意方向的線應(yīng)變的計算公式

12、為 式中：、和以伸長為正，以直角增大為正。這樣，該測點(diǎn)處3個方向上的應(yīng)變片測得的應(yīng)變、和與任意方向上的線應(yīng)變便有 由上式就可以解出、和。由材料力學(xué)知，已知、和，則該測點(diǎn)處的主應(yīng)變和主應(yīng)變方向與x軸的夾角可由下式計算得到： 最后，由廣義胡克定律即可求得主應(yīng)力、。主應(yīng)變方向即為主應(yīng)力方向。本實(shí)驗(yàn)選取的應(yīng)變片之間的夾角為45°。8結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電測方法實(shí)驗(yàn)報告四 實(shí)驗(yàn)步驟1、 選擇試件貼片【友情提示：兩結(jié)構(gòu)貼片時，請貼在靠近孔的地方，因?yàn)檫@里比較危險】對試件進(jìn)行有限元分析，初步分析出結(jié)構(gòu)的危險應(yīng)力點(diǎn)的分布位置，確定試件的危險截面。先根據(jù)試件的可能危險點(diǎn)，把應(yīng)變片粘貼在試樣的特定方位。如下圖：試

13、件一純剪切實(shí)驗(yàn)梁的內(nèi)力圖及截面尺寸（圖a)試件二 S型彈性元件（圖b）試件三 梁結(jié)構(gòu)（圖c）根據(jù)測量需要把應(yīng)變片的引出導(dǎo)線按單臂半橋方式接到應(yīng)變儀的輸入端，與工作應(yīng)變片橋臂相鄰的橋臂接入溫度補(bǔ)償片。設(shè)計好有關(guān)的試驗(yàn)記錄表格。 2、 接線單臂半橋電路測量各點(diǎn)的應(yīng)變AB臂接工作片；BC 臂接補(bǔ)償片。其它兩橋臂接應(yīng)變儀的內(nèi)接電阻。按順序逐個測量沿應(yīng)變片的應(yīng)變。應(yīng)變儀顯示的應(yīng)變值e 儀即為被測點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)變。測量程序如下： 1、加卸初載P0 ，反復(fù)多次， 使應(yīng)變片和試件充分接觸。2、用實(shí)驗(yàn)方法估算出試件的最大許用載荷，并確定出應(yīng)變片的最大應(yīng)變（一般最大的不超過600），定出危險點(diǎn)3、 測出每一應(yīng)變片的應(yīng)

14、變值，記錄數(shù)據(jù)（至少十個數(shù)據(jù)）4、 拆線。規(guī)整實(shí)驗(yàn)器材五 數(shù)據(jù)結(jié)果及處理【一】試件一 (1)、危險點(diǎn)、危險截面的主應(yīng)力試件及危險點(diǎn)編號如圖a所示，經(jīng)有限元分析結(jié)果得到，危險點(diǎn)在貼片1號出，該處處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，受壓；同樣2號和3號也處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，2號受拉，3號受壓。在試件的上下邊界作用對稱載荷。材料彈性模量E70Gpa,泊松比，許用應(yīng)力試件一的各應(yīng)變片數(shù)據(jù)壓力（N）30060090012001500增量（F）3003003003003001號片-99-97-94-96-992號片-90-90-88-89-843號片-82-78-74-75-834號片-52-57-58-58-485號片-4

15、7-44-36-40-48（2）矩形截面受純剪切內(nèi)力作用時的剪切應(yīng)力分布規(guī)律，是沿中心軸對稱分布，2或3號片的位置剪切應(yīng)力最大，且從中心軸至邊緣是先增大后減小。（3）試件的許用載荷根據(jù)理論分析結(jié)果和實(shí)際貼片測試結(jié)果，試件一的最危險點(diǎn)為1號貼片處，則可根據(jù)1號貼片處結(jié)果給出試件的許用載荷。得到試件一的最大許用載荷：【解釋：這個許用載荷的確定是通過線性比例獲取的，即，等式左邊分子300是我們本次試驗(yàn)的加載300N，分母是此時的應(yīng)力；右邊分子是最大許用載荷，分母是許用應(yīng)力】【二】試件二（S形件）(1)、危險點(diǎn)的主應(yīng)力、主方向根據(jù)理論分析結(jié)果可知，危險點(diǎn)即為貼片1,2,3,4號處，此處由于應(yīng)力集中的問

16、題，無法確定主應(yīng)力力及主方向，所以選著了貼應(yīng)變花進(jìn)行測試，1號沿豎直方向，2號貼片沿平方向，3、4號貼片分別沿135°和45°方向。在試件的上下邊界作用對稱載荷。材料彈性模量E70Gpa,泊松比，許用應(yīng)力以下是測試結(jié)果：S形件測試數(shù)據(jù)載荷（N）10001000100010001000增量（N）100010001000100010001號片-167-170-172-174-1692號片-120-121-119-121-1233號片1361441421401374號片-135-147-147-143-1451號片應(yīng)變：1） 平均值：2） 算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差：A類不確定度為：由于儀

17、器的讀數(shù)誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數(shù)帶來的B類誤差： 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度： 則最終1號片處應(yīng)變結(jié)果為：2號片應(yīng)變：1） 平均值：2） 算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數(shù)誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數(shù)帶來的B類誤差： 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度： 則最終2號片處應(yīng)變結(jié)果為：3號片應(yīng)變：3） 平均值：4） 算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數(shù)誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數(shù)帶來的B類誤差： 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度： 則最終2號片處應(yīng)變結(jié)果為：4號片應(yīng)變：1） 平均值：2） 算數(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數(shù)誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數(shù)帶來的B類誤差：

18、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度： 則最終2號片處應(yīng)變結(jié)果為：以上求出了兩個方向的應(yīng)變，應(yīng)用應(yīng)變花計算公式的主應(yīng)變?yōu)椋海?、2號應(yīng)變）【解釋：在主應(yīng)力空間中，和都為負(fù)數(shù)，其中主應(yīng)力和主應(yīng)變一一對應(yīng)，第三強(qiáng)度理論是用】由第三強(qiáng)度理論計算得到此時的應(yīng)力： 得試件二最大許用載荷： 【三】鋼架結(jié)構(gòu)如圖所示，在鋼架的相應(yīng)部位貼上1號，2號，3號，4號，5號，6號應(yīng)變片，得到測試結(jié)果如下：載荷(N)10001000100010001000增量(N)100010001000100010001號片-1331-1333-1330-1327-13282號片142714371434144514473號片66266166666066

19、94號片-485-484-493-491-4895號片4324314354374296號片-465-477-470-467-4627號片337338343342346由以上測試結(jié)果和有限元分析結(jié)果可知，2號片為最危險點(diǎn)；計算2號片應(yīng)變：1） 求算術(shù)平均值： 2） 求算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差： A類不確定度為：由于儀器的讀數(shù)誤差 ，則B類誤差：由于加載讀數(shù)帶來的B類誤差：合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度： 則最終1號片處應(yīng)變結(jié)果為： 對應(yīng)的應(yīng)力大小為：最大許用載荷：六 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、 選擇應(yīng)變片的依據(jù)（1） 應(yīng)變片的性質(zhì)（是動態(tài)還是靜態(tài)）（2） 測試的環(huán)境（如強(qiáng)磁、潮濕）（3） 應(yīng)變片本身屬性（如帶孔的，其本身孔附近的應(yīng)