材料力学实验指导书.docx

材料力学实验指导书§5梁弯曲正应力电测实验指导书1、概述梁是工程中常用的受弯构件。梁受弯时，产生弯曲变形，在结构设计和强度计算中经常要涉及到梁的弯曲正应力的计算，在工程检验中，也经常通过测量梁的主应力大小来判断构件是否安全，也可采用通过测量梁截面不同高度的应力来寻找梁的中性层。2、实验目的1、用应变电测法测定矩形截面简支梁纯弯曲时，横截面上的应力分布规律。2、验证纯弯梁的弯曲正应力公式。3、观察纯弯梁在双向交变加载下的应力变化特点。3、实验原理梁纯弯曲时，根据平面假设和纵向纤维之间无挤压的假设，得到纯弯曲正应力计算公式为：式中：M-弯矩右一横截面对中性层的惯性矩y-所求应力点的纵坐标（中性轴为坐标零点）。由上式可知梁在纯弯曲时，沿横截面高度各点处的正应力按线性规律变化，根据纵向纤维之间无挤压的假设,纯弯梁中的单元体处于单纯受拉或受压状态，由单向应力状态的胡克定律b=可知,只要测得不同梁高处的£,就可计算出该点的应力0,然后与相应点的理论值进行比较，以验证弯曲正应力公式。4、实验方案4.1 实验设备、测量工具及试件：YDDT型多功能材料力学试验机（图1.8）、150mm游标卡尺、四点弯曲梁试件（图5.1）。图5.1四点弯曲梁试件YDD-I型多功能材料力学试验机由试验机主机部分和数据采集分析两部分组成,主机部分由加载机构及相应的传感器组成，数据采集部分完成数据的采集、分析等。图5.1实验中用到的纯弯梁，矩形截面，在梁的两端有支撑圆孔，梁的中间段有四个对称半圆形分配梁加载槽，加载测试时，两半圆型槽中间部分为纯弯段，在纯弯段中间不同梁高部位、在离开纯弯段中间一定距离的梁顶及梁底、在加工有长槽孔部位的梁顶及梁底均粘贴电阻应变片。4.2 装夹、加载方案安装好的试件如图5.2所示。试验时，四点弯曲梁通过销轴安装在支座的长槽孔内，形成滚动较支座。梁向下弯曲时，荷载通过分配梁等量地分配到梁上部两半圆形加载槽，梁向上弯曲时，荷载通过分配梁等量地分配到梁下部两半圆形加载槽，分配梁的两个加载支滚，一个为滚动较支座，一个为滑动较支座，这样就可保证梁在弯曲加载时不产生其它附加荷载。分配梁通过加载大销轴与弯曲、弯扭转接套联接，转接套通过保险小销轴与油缸活塞杆上的短转换杆联接，这样当控制油缸活塞杆下行时，梁便向下弯曲，梁上部受压，下部受拉，当控制油缸活塞杆上行时，梁便向上弯曲，梁上部受拉、下部受压。为使梁在反复弯曲过程中有一过渡阶段及安装方便，保险小销轴与油缸活塞杆上的短转换杆联接采用长槽联接的方式。实验时上、下弯曲加载的换向可通过控制油缸上、下行按钮实现，也可以通过设置通道报警功能自动换向。通过控制进油手轮的旋转来控制加载速度。4. 3数据测试方案实验时，拉、压力的大小测试同拉、压实验,测力传感器直接测量油缸活塞杆的拉压力，并通过计算得到梁纯弯段的弯矩。通过在不同梁高部位粘贴电阻应变片来测量该位置的应变，从而可以得到该梁高处的应力。实验时，为减小由于梁变形不对称引起的测量误差，在梁两侧对称粘贴应变片，实验时采用将相同位置的应变片串联测量的测试方式。为便于不同梁高应变的比较，应变的测量采用共用补偿片的测量方式。4.4数据的分析处理图5.2试件的装夹图5.3实测的力、应变实时曲线数据采集分析系统，实时记录试件所受的力及应变，并生成力、应变实时曲线及力、应变X-Y曲线，图5.3为在YDD-I型多功能材料力学试验机上实测的力、应变实时曲线。此左窗口显示梁纯弯段中间部位梁高不同位置处的应变，右窗口内显示了梁纯弯段内不同部位最大应力的比较，中间窗口内显示的是试件所受的力和中性层处的应变。5、完成实验预习报告在了解实验原理、实验方案及实验设备操作后，就应该完成实验预习报告。实验预习报告包括：明确相关概念、预估试件的最大载荷、明确操作步骤等，在完成预习报告时，有些条件实验指导书已给出（包括后续的实验操作步骤简介）、有些条件为己知条件、有些条件则需要查找相关标准或参考资料。通过预习报告的完成，将有利于正确理解及顺利完成实验。有条件的同学可以利用多媒体教学课件，分析以往的实验数据、观看实验过程等。完成实验预习报告，并获得辅导教师的认可，是正式进行实验操作的先决条件。6、实验操作步骤简介6.1试件原始参数的测量梁四点弯曲正应力电测实验是典型的验证性试验，实验中不仅需要准确地测量梁所受的荷载及不同高度的应变，同时，为控制加载及试验完成后进行实验误差分析，实验前准确计算出梁不同高度应变的理论值，也是试验的重要组成部分。在实验程中需要测量的原始参数有：梁的截面高度h,宽度b,支座跨距1、分配梁支座跨距a以及各应变片距梁中性轴的距离。在实验程中需要己知的原始参数有：材料的弹性模量E、电阻应变片的灵敏度系数K、阻值R、导线电阻等。6.2试件装夹6.2.1调定系统的工作压力打开“压力调节手轮”，关闭“进油手轮”，“油泵启动”“拉伸下行”打开进手轮至正常工作位置,油缸活塞杆下行至最低位置,此时压力表指示的压力就是系统工作时的最大压力,通过调整“压力控制手轮”的位置调节系统工作压力至要求值，梁纯弯曲正应力电测试验时,系统的工作压力设定为2MPa.关闭“进油手轮”、“油泵停止”、“拉压停止”。6.2.2安装试件第一步，将短转换杆安装到油缸活塞杆的螺孔内，并调整转换杆上圆孔的位置，使圆孔正对试验机前方，调整时，控制油缸上行或下行，将圆柱销穿在短转换杆内，控制油缸上行或下行，调整圆孔的方向。接推动弯曲、第三步,第四步,第五步,第六步,第二步，将弯曲、弯扭转接套安装到短转换杆上，并通过保险销轴连接。销轴采用由后至前的安装的方式，以利于实验中观察保险销轴在转接套长槽孔中的位置。加载时保险销轴可在弯曲、弯扭转接套的长槽孔内上下滑动。下弯时，通过销轴传力，上弯时，短转换杆直弯扭转接套。将分配梁组合体平放到弯曲、弯扭转接套联接开口内。将试验梁通过销轴联接到弯曲支座上，并调整实验梁使之基本在正中位置。手提分配梁组合体，安装四个分配销轴。关闭“进油手轮”，选择“油泵起动”、“压缩上行”，打开“进油手轮”控制油缸上行至合适位置，关闭“进油手轮”，安装加载大销轴。调整油缸活塞杆位置使保险销轴处于弯扭加载套的中间部位，此时试件处于非受力状态，关闭“进油手轮”、“油泵停止”、“拉压停止”。6.3连接测试线路按要求联接测试线路，一般第一通道测拉、压力，连接到试验机的拉、压力传感器接口上。其余通道选择测应变，采用共用补偿片的1/4桥方式，如图5.4所示，应变的测试采用双片串联的方式。首先用短路线将相同梁高的两片应变片串连起来，包括补偿应变片，联接采用快速插头联接的方式，然后，将被测应变片依次连接到测试通道中，联接时注意应变片的位置与测试通道的对应关系，依次接入梁顶部应变片、梁上部h/4处的应变片，中性层处的应变片，梁下部h/4处的应变片，梁底应变片，梁顶部离开跨中一定距离的应变片，梁底部离开跨中一定距离的应变片等。6.4设置数据采集环境6.4.1进入测试环境首先检测仪器。检测到仪器后，系统将自动给出上一次实验的测试环境。或通过文件-引入项目，引入所需要的采集环境。6.4.2设置测试参数测试参数是联系被测物理量与实测电信号的纽带，设置正确合理的测试参数是得到正确数据的前提。测试参数由系统参数、通道参数及窗口参数三部分组成。其中，系统参数包括测试方式、采样频率、报警参数、实时压缩时间及工程单位等；通道参数反映被测工程量与实测电信号之间的转换关系，由测量内容、转换因子及满度值等组成；窗口是指为了在实验中显示及实验完成后分析数据而设置的曲线窗口，曲线分为实时曲线及X-Y函数曲线两种。第一项、系统参数采样方式：采样频率一般选择“20-100Hz”，“拉压测试”，需要特别注意的是，纯弯梁实验是一个非破坏性试验，需要通过设置报警通道来保护试件。试验时，当实测数据达到报警设定值时,油缸就会按照指定的要求反向运行或停止运行,报警通道一般设置为测力通道，报警值由试验预估最大荷载确定，例如，当控制弯梁最大应变为800£时，所加的拉、压力应小于12KN,此时，设置报警参数上、下限为±12KN时，就可以保证量最大应变不超过800,以保证试件的安全。第二项、通道参数通道选择测量油缸活塞杆的拉压力，同拉压试验一样设置相应的修正系数。其余通道选择应力应变的测量方式，需要输入桥路类型-选择“方式一”，选择“方式一”时需要选择：应变计电阻、导线电阻、灵敏度系数、工程单位。第三项、窗口参数可以开设三个数据窗口，测量油缸活塞杆的拉压力与中性层应变的窗口、纯弯段中间不同梁高的应变窗口、纯弯段内不同位置最大应变窗口。并设定好窗口的其它参数如坐标等。6.4.3数据预采集，验证报警参数6.4.3.1数据预采集确定采集设备各通道显示的满度值是否与通道参数的设定值相一致后，选择“控制”-“平衡”-“清零”-“启动采样”，输入相应的文件名，选择好存储目录以后便进入了相应的采集环境。此时从实时曲线窗口内便可以读到相应的零点数据，证明采集环境能正常工作。6.4.3.2,验证报警参数关闭“进油手轮”，选择“拉压自控”，“拉压下行”打开“进油手轮”，控制加载速度，缓慢加载，注意观察保险销的位置，至上限报警值时油缸活塞杆自动反向向上运行，同样，当向上加载至下限报警值时，油缸活塞杆自动向下运行，证明报警功能可用。并同时验证在该报警值下的应变值。若报警值不满足要求，可适时修改至合适值。验证完成后，观察保险销轴的位置，当保险销轴处于弯扭转接套的中间位置时，关闭进油手轮，停止采集数据。这样就完成了数据采集环境的设置。若设备无通道报警功能时需设置限位开关的位置来控制自动反向运行，并进行验证。6. 4加载测试在确信设备和采集环境运行良好以后便可以开始正式的加载试验了。首先设置一下试验机所处的状态，关闭“进油手轮”，选择“拉压自控”“油泵启动”，“拉伸下行二前面已经设置好了采集环境，这里只需要选择“控制”，“平衡”，“清除零点”，“启动采样”。采集到所需要的零点数据。打开“进油手轮”，进行加载，在加载时，应注意观察保险销轴的位置，当试件不受力时，可以加快加载速度，当试件接近受力时应放慢加载速度。利用通道报警自动反向运行功能或手动换向方式控制拉、压反复加载，采集到准确的三组反更弯曲数据后，当试件不受力时就可以关闭“进油手轮”、选择“拉压停止”、“油泵停止”按钮，然后停止采集数据。7、分析数据完成实验报告6.1 验证数据首先回放试验加载的全过程，把数据调进来，显示全部数据，预览全部数据。将测力窗口设置成X-Y记录方式，X轴梁顶应变、梁底应变，Y轴-测力通道。以验证应变与荷载的线性关系，及正反向弯曲时，应变的变化规律。6.2 读取数据验证梁弯曲正应力电测实验采用分级读数的方式分析数据，共分5级，依据试验过程中的最大荷载，确定级差，为消除起始点误差的影响，将第一级荷载（2kN）作为起始数据。将测力窗口重新恢复为普通绘图方式，通过数据移动及局部放大功能，将多个窗口显示同样一段数据，采用光标同步的方式进行同步读数，读数时，将主动光标放在测力窗口，采用光标拖动与方向键微移光标相结合的方式，选取合适的荷载值，此时应注意光标读数的小数点位数，测力通道：2位，应变通道：1位。需要注意的是：由于采用拉、压双向加载测试，分析数据时需要分析两组数据，拉伸弯曲段，压缩弯曲段。对于用油压传感器测力的系统，测力通道需根据拉、压段输入不同的修正系数。6.3 分析数据将读取的数据，依次填入到相应的数据分析表格或代入到相应的公式进行计算，将实测值与计算值相比较，分析误差原因。需要注意的是，由于采用交变加载，分析数据时需要分析两段正反向加载数据，并分别填入到相应的表格中，注意正、反向数