力学实验技术教学大纲课件

1、本科力学实验技术课程教学大纲一、课程基本情况课程编号 开课单位航院课程名称中文名称 力学实验技术英文名称 Experimental Technique of Mechanics教学目的与重点力学实验技术是航天航空和工程力学专业重要的实验课之一。其基本的教学目的是培养学生的实验动手能力、了解实验过程、掌握最基本的固体和流体实验技术和原理。课程负责人 课程类型文化素质课 公共基础课 学科基础课专业基础课 专业课 其它教学方式讲授为主 实验/实践为主 专题讨论为主案例教学为主 自学为主 其它授课语言中文 中文英文（英文授课50%） 英文 其他外语学分学时学分3总学时48考核方式及成绩评定标准考试评分

2、标准：课堂10，实验、习题20，最后的考试70。教材及主要参考书中文外文教材1现代光测力学/李喜德编著(讲义), 清华大学教材科；2应变电测与传感器，张如一,沈观林, 李朝弟3流体力学实验技术/陈克城主编，清华大学教材科主要参考书1 光测力学教程, 赵清澄等主编2 实验应力分析 / 张如一, 陆耀桢 主编3 基础流体实验/徐有恒等编4 流动显示技术/总装军训教材编委3Photomechanics, P. K. Rastogi, Springer, 19994Optical measurement techniques and applications, P. K. Rastogi, Artec

3、h House, Inc. 1997先修要求、适用院系及专业普通物理，材料力学，流体力学。适用力学、航空航天、机械、精密仪器、水利水电、材料、核技术、汽车、能源与动力、化工等。二、课程内容简介（200400字，双语教学课程须同时提供中英文内容简介）课程内容将围绕基本的力学参数和工程问题，介绍固体和流体实验技术中力学测量的基本原理、方法、实验设备和操作过程。通过本课程的学习，使学生能了解固体和流体参数测量实验技术的基本原理、基本过程、应用领域和适用范围；能制定初步的实验方案和选择适当的实验方法，并能正确地进行数据处理和实验结果分析，为其以后的课程学习和工作中解决实际工程问题打下良好的基础。三、课

4、程主要教学内容（可列多级标题，如设有实验，还须注明各实验名称、实验目的及实验内容），注：星号为自学内容课程主要教学内容第一部分：电测第一章 电阻应变片 1.电阻应变片的结构及类型2.应变片的灵敏系数3.横向效应系数及影响4.电阻应变片的工作特性5.应变片的粘贴和防护第二章 电阻应变片的测量电路 1.直流电桥的输出电压2.温度效应的补偿3.应变片在电桥里的布置4.交流电桥的输出电压5.电位计式电路第三章 静态应变测量 1.静态应变测量步骤2.贴片方位及应力换算3.静态应变仪的校正4.环境湿度与温度的影响5.测量导线的修正6.接触电阻与多点测量第四章 动态应变测量 1.动态应变仪及其频谱2.应变片

5、的动态响应3.动态测量系统4.波形图5.仪器系统的振幅及频率特性*第五章 运动构件的应变测量 1.运动构件应变测量的特点2.温度补偿3.应变片及导线的保护4.运动构件应变测量中的信号传递5.集流器线路接法*第六章 高（低温）应变测量 1.高（低温）应变测量的特点2.高温应变片的工作特性及测定方法3.高（低）温应变测量中的若干技术问题*第七章 高液压下的应变测量 1.高液压下应变测量中需要解决的问题2.高液压下应变测量中应变片和导线的保护3.导线的密封装置4.应变片的压力效应*第八章 误差分析与实验数据处理*第九章 相似理论和模型设计基础*第十章 数据处理与信号分析第二部分：光测第一章 全息干涉

6、技术，第一节 光学测量技术简介第二节 全息照相的基本原理第三节 双曝光与时间平均全息干涉第四节 实时与频闪全息干涉第五节 全息干涉术的应用介绍第二章 散斑干涉技术，第一节 散斑的性质和检测原理第二节 散斑照相术第三节 散斑场的逐点和全场分析第四节 双光场散斑干涉第五节 散斑检测技术应用介绍*第三章 云纹检测技术， 第一节 几何云纹的形成与数学描述第二节 云纹场中的位移和应变分析第三节 云纹的倍增和放大第四节 干涉云纹的测量原理第五节 云纹检测技术应用介绍第四章 光弹性实验技术，第一节 光弹性实验方法的基本原理第二节 等差线等倾线分析第三节 平面光弹性应力分析与计算第四节 光弹性实验技术应用介绍

7、第三部分：固体实验电测部分：实验一 应变计的粘贴与防护实验（一）实验目的 1、掌握应变计种类和型号的选择2、掌握应变片的粘贴技术3、学会检测应变计的粘贴质量（二）实验内容练习电阻应变计的粘贴技术：a)确定等强度梁和补偿片的贴片部位后，先用粗纱布去除试件上布片部位处的锈迹，再用细纱布45交叉打磨至光洁度为5左右，最后用棉球沾少量丙酮溶剂沿一个方向将试件表面的氧化物等杂质擦洗干净，直到擦洗过的棉球上不见任何污迹为止；b)用画线笔画出贴片定位线；c)检查应变片的外观，若有擦痕、脱栅或受折，则应剔除。用数字万用表测量应变片的电阻值，保证其差值在0.5以内；d)将502胶涂抹在应变计背面，用聚四氟乙稀薄

8、膜盖住，指压约1.5分钟，待胶全干；e)用502胶在应变计引线前方粘贴接线端子；f)把应变片的引线和测量导线一端分别焊接到接线端子的两个焊点上g) 用万用表和兆欧表检查应变片的电阻值和应变片与试件的绝缘电阻值，若出现电阻值相差较大、断路或短路，或是绝缘电阻值不够等情况，应及时查明原因，进行排除；f)用703或705桂香胶进行防潮。（三）实验类型 综合设计型实验*实验二 应变片在电桥中的接法及K、H的标定（一）实验目的1、掌握电阻应变片的组桥方法2、掌握一种电阻应变片灵敏系数K和横向效应系数H的测定方法3、学会静态应变仪的使用（二）实验内容 本实验采用等强度悬臂梁装置来测定电阻应变片的灵敏系数K

9、。在悬臂梁弯曲过程中，用带有千分表的挠度计测量挠度f，可以计算出梁表面的轴向应变为：其中h为等强度梁的厚度；f为挠度计上的千分表的读数；L为挠度计的跨度。从同一批生产出来的未知灵敏系数K的应变片中选出一定数量的应变片沿着轴向粘贴在等强度梁的表面，悬臂梁弯曲过程中，在记录挠度f的同时，用应变仪测量梁上应变片的应变仪，则：其中K仪通常为2.00；K为待测的应变片的灵敏系数。因此，有： 此外，应变片的横向效应系数H为：其中：KL为应变片的纵向灵敏系数；KB为应变片的横向灵敏系数。测量电阻应变片的横向效应系数的方法之一即在等强度梁表面沿轴向和横向各贴一片应变片R0、R90，当等强度梁受力弯曲时，应变片

10、R0受拉应变1；应变片R90因泊松比效应受压应变2-1，用电阻应变仪分别测量1仪和2仪，若其电阻相对变化为和，则：其中：K仪为电阻应变仪的灵敏系数，一般取K仪2.00；为等强度梁的泊松比。将上式简化得：推导出H的计算公式：其中，若1仪为正，则2仪为负。（三）实验类型基础验证型实验实验三 复杂结构多点应变测量的方案设计与实验（一）实验目的1 掌握静态多点应变测量技术的一般步骤； 2 学会确定应变片的布片方案；3 学会用电阻应变花求解主应变、主应变方向及主应力。（二）实验内容 在一个复杂构件，如开孔圆柱壳体的圆孔周围布片。由于圆孔的对称性，在孔周围1/4象限内布片即可满足测试要求，所以平行或垂直于

11、孔的半径方向的应变片各20片，并成对出现。将每个应变片的引线按半桥、公用补偿片的方式接入应变数据采集仪UCAM10B的本机及扫描箱的接线柱上。用气泵给圆柱壳体施加气压测试应变读数。分析圆柱壳体孔周围的应力分布规律。（三）实验类型 综合设计型实验实验四 动态多点应变测试技术实验（一）实验目的1 掌握动态多点应变测量方法； 2 初步掌握动态电阻应变仪的使用方法；3 初步学会对动态应变数据进行分析处理。（二）实验内容 （1）周期动态应变测试。组建一个在自由端受动载荷的悬臂梁。梁的一端用螺栓固定在刚性较好的机架上，梁上粘贴应变片，在自由端安装一个有偏心质量圆盘的可调速的小型电机，当启动电机时，由于偏心

12、质量所产生的离心力作用，在梁的自由端垂直方向上产生一个按正弦变化的动载荷，此时梁上应变变化亦按正弦规律发生变化； （2）冲击动态应变测试。是在悬臂粱的自由端固定一个应变式力传感器，用冲击锤冲击力传感器，采用动态应变仪同时采集力传感器和悬臂梁上的冲击应变； （3）分析周期、冲击动应变曲线，分析动应变的均方值、均值、方差、概率密度函数、概率分布函数、功率谱密度函数以及自相关函数等等。（三） 实验类型 综合设计型实验*实验五 应变片式传感器的设计与标定实验（一）实验目的1 掌握应变式传感器的工作原理；2 掌握测力传感器标定的原理及方法；3 掌握位移传感器标定的原理及方法；4 通过标定实验结果评价传感

13、器的工作特性。（二）实验内容 （1）S形双连孔测力传感器的设计及标定 S形双连孔测力传感器是一种一维测力传感器，适用于较小载荷测量，具有灵敏度高、线性好、抗偏心能力强等优点。在设计原理上，可将弹性元件双连孔的两侧简化为双梁，其弯曲图为线性反对称分布。根据S形双连孔测量传感器弹性元件的受力分析，可建立所测力P与连孔内应变之间的线性关系：式中E为材料的弹性模量，P为所测力，L为双连孔内净距之半，r为孔半径，b为宽度，h为连孔内最薄处厚度。根据此原理，设计一只满量程为150N的S形力传感器，并在双连孔上粘贴四枚应变计。并进行标定测试。 （2）悬臂梁式位移传感器设计及标定 悬臂梁式位移传感器是一种常见

14、应变式位移传感器。在梁上下表面粘贴应变计，梁自由端的位移（挠度）与梁表面应变成正比。由材料力学可知，梁端点挠度f为：应变计处的应变为：由此可得：式中h为梁的厚度，P为作用力，L为跨度，x为应变计位置到自由端距离，E为弹性模量，I为惯性矩。利用此原理可制成双悬臂梁式位移传感器，常称为夹式引伸计，可测量拉伸、压缩试件的变形，以及裂纹的张开位移等。根据此原理，设计一只满量程为5mm的S形力传感器，并在梁的某一截面上下表面各粘贴两枚应变计，用位移标定计进行标定测试。（三） 实验类型 综合设计型实验光测部分：实验一 全息照相（一）实验目的 1、了解平面全息，像面全息，单束光反射体全息照相的基本原理；熟悉

15、它们的基本光路。2、掌握对影响全息像质量的几个基本要素，如参物光的光程、参物光强度比、曝光时间及测量环境等有初步认识（二）实验内容1、 熟悉光路并进行拍摄前的准备。2、 测量参物光光程，二者应尽量相等；测量参物光强度比，强度比以4:1左右为宜。3、 分别进行上述三种全息图的拍摄。在拍摄时要远离全息平台，并保证室内安静。4、 按规定的冲洗程序对全息干板进行处理。5、 观察再现物像。（三）实验类型 基础验证型实验实验二 双曝光全息干涉测量静态位移（一） 实验目的1、 通过布置光路，进一步握全息照相的基本技术2、 掌握测量物体表面静态变形的双曝光全息干涉技术（二）实验内容1、 按实验指导书中图1布置

16、光路。注意，参物光光程应尽量小，强度比以4:1左右为宜，参考光与物光的夹角要合适。2、 按实验指导书中图2, 测量照明方向矢量及观察方向矢量与表面位移方向（沿物面法线方向）间的平均角度q0和q1。3、 对图1所用的模型试件，在加载前后分别曝光一次，且两个全息像记录在同一张全息底片上。注意进行双曝光全息记录时，两次记录时间应尽量保持一致。4、 按规定的冲洗程序对全息干板进行处理。5、 观察再现物像上的全息条纹，并进行图像摄取。6、 实验结束后，对物体表面沿y方向某一截面进行数据处理，作位移分布曲线。根据薄板的小挠度理论，本实验中试件表面各点位移可近似为沿表面法向，即仅存在法向位移w, 因而位移分

17、量可按下式计算。（三）实验类型综合设计型实验实验三 双曝光散斑照相测量静态物体表面面内位移（一）实验目的1、了解主观散斑与客观散斑，感性认识影响散斑颗粒大小的主要因素2、掌握单光束散斑照相测量静态物体位移或变形的基本原理与技术（二）实验内容1、按实验指导书中图1安排好光路，并调好距离及相关参数，如成像是否清楚、散斑场强度是否合适、散斑颗粒是否均匀且大小适中等，同时控制位移加载量在50到100微米。2、测量散斑照相光路中物距、像距或园盘直径与园盘像的直径，以计算成象系统的放大倍数。3、用图1所示光路，利用双曝光技术将物体变形前后的两个散斑图记录在同一张全息底片上，并按规定的操作程序处理底片。4、

18、按图3的光路布置，利用逐点分析方法提取位移信息。分析位置分别为水平半径、垂直半径及45度方向半径，各测点分别距园盘中心为 7mm, 14mm, 21mm.。测量中可选择测量杨氏条纹间距，也可以测量杨氏条纹在x及y轴节距。计算公式如下： （1） (2)在实际计量中也可以直接测量及条纹与轴的夹角，此时有如下关系式： (3) 上式中为Youngs条纹的间距（相邻亮条纹或暗条纹之间的距离）, 为物体表面位移，为散斑图到屏幕的距离，为激光波长，与分别为杨氏条纹沿x及y轴节距。5、实验报告要求：1）列表或曲线给出检测位移结果并与计算结果进行比较2）分析误差大小及来源3）将实验过程及相关参数详细写入实验报告

19、（三）实验类型综合设计型实验*实验四 几何云纹实验（一）实验目的1、通过几何云纹实验，了解几何云纹的产生方式；熟悉基本的云纹计量光路2、通过曲杆试件对称面的应变与应力测定，掌握云纹的基本计量方法（二）实验内容1、光路图如图所示调整光路与加载装置2、将粘有变形栅的试件置于加载架上，加载至适当载荷，然后将分析栅仅贴紧试件栅并调整分析栅的位置，使两栅线平行（调整到云纹条纹上下对称分布即可）。3、 观察屏上云纹图的特点，并作记录4、 根据云纹图，计算对称面上各点的应变值，并与理论值比较。5、 实验报告要求：1） 说明试件在对称截面上平行云纹图样的特点，在该截面上如何判断各点应变的正负号；2） 根据曲杆

20、的平行云纹图样计算对称截面上各点的应力，并与理论应力曲线进行比较（图画在同一张图上）；3） 计算实验的和理论的的相对误差：（三）实验类型综合设计型实验实验五 平面光弹基本实验（一）实验目的1、了解光弹仪的构造、原理和操作方法，熟悉明暗场的调节技术2、掌握等倾线和等色线的特点，描绘等倾线3、掌握等色线条纹的定级方法4、利用纯弯梁或园盘试验测定材料的条纹值f (kg/cm条)（二）实验内容1、对照实验指导书，熟悉普通透射式光弹仪的光路系统2、平面偏振场的调整：去掉四分之一波片，使起偏镜和分析镜主轴正交，形成暗场，此时即为平面偏振光场3、圆偏振场的调整：在调整好两个偏振镜正交使之成为暗场后，将一个四

21、分之一波片放入光场，调成暗场。这时四分之一波片的快、慢轴分别与起偏镜和检偏镜的偏振轴相平行。然后将四分之一波片向任意方向转动45度，再把第二块四分之一波片装入，将它旋转，使光场再次最黑。这时两块四分之一波片的轴是正交的，四块镜片即构成了双正交圆偏振布置4、当加载模型在平面偏振光场中时，将出现等色线和等倾线。其中等色线在白光时为彩色条纹，可根据黄红绿色序判断级数，等倾线为黑色，可以由偏振镜的主轴位置读出等倾线的主倾角5、将仪器调整成平面光场，并将对径受压园盘放入光场中检查偏振镜光轴的水平和垂。将仪器调成圆偏振光场，对园盘逐渐加载，观察等色线的生成，注意颜色的变化并确定级数6、 仔细观察n=1,

22、n=2两级条纹颜色的深浅度，以熟悉和掌握用颜色深浅来判别条纹级数。7、 加载至nc=3, 描下等色线图并记下此时的载荷P, 用于计算f值。8、 将梁安排成纯弯受力方式，并按步骤24进行实验。9、 实验报告要求：1） 画出光弹仪光路简图，园盘和纯弯梁受力简图，并简要说明平面偏振光场和圆偏振光场的调整步骤。2） 根据园盘和纯弯梁等色线图，分别计算材料条纹值f。（三）实验类型综合设计型实验第四部分：流体力学实验技术第一章 流体力学实验研究的基本理论1.流体力学的研究方法及其关系2.流动的力学相似及其准则3.模型实验的主要步骤4.测量误差及其来源5.测量仪表的一般知识第二章 流动显示技术 1.水流显示

23、2.低速气流显示3.高速气流的光学显示4.高速摄影在流动显示中的应用第三章 运动流体中压力的测量与应用 1.流体压力测量的一般知识2.流体压力测量仪表的分类3.流道壁面静压的测量4.运动流体中压力的测量5.流体速度和方向的测量6.流速（压力）法测量流量第四章 风洞实验 1.低速风洞2.高速风洞3.特殊风洞4.风洞实验项目5.测力天平简介6.风洞实验举例第五部分：流体实验实验一 流动显示实验（一）实验目的：1、了解层流流动与湍流流动的区别、卡门涡街的产生、流动分离现象等流体流动规律2、学习设计流动显示方法（二）实验内容：1、调节水流速度、观察绕流物体流谱变化，绘制不同绕流物体简图及流谱简图2、能

24、对实验现象进行分析和解释3、思考可否对水洞、水槽中流动速度做定量测量、如何测量（三）实验类型综合设计型实验实验二 毕托管标定实验（一）实验目的：1、了解毕托管测速原理和使用方法2、掌握毕托管校准方法3、熟悉倾斜式微压计的使用（二）实验内容：1、使待标定毕托管和标准毕托管感压头部基本置于风洞实验段气流中心位置、斜管微压计调平调零排出气泡、连接毕托管和微压计，然后将微压计置于测压状态并记录实验室大气压力和温度2、开启风洞，调节风量调节阀，先把风速调节到一个较小的值，当风速稳定后，记录下待标定毕托管微压计的读数和标准毕托管微压计的读数3、提高风速，待风速再次稳定了以后记录下两个微压计的读数。4、依次记录810个风速下两个微压计的读数，给出校正系数（三）实验类型综合设计型实验实验三 五孔探针三维流场速度和压力分布的测量（一）实验目的：1、掌握空间流动速