实验力学chapter1(cdp)

1、 实实 验验 力力 学学 陈登平陈登平 力学楼力学楼414414 TEL: 87651820 TEL: 87651820E-MAIL: E-MAIL: 先修课程：材料力学、理论力学、弹性力学、结构先修课程：材料力学、理论力学、弹性力学、结构 力学力学教材及参考书：教材及参考书： 1 1实验力学实验力学，盖秉正主编，盖秉正主编，20062006年年 2 2实验应力分析实验应力分析，张如一、陆耀桢主编，机，张如一、陆耀桢主编，机械工业出版社，械工业出版社，19811981年年 3 3 工程实验力学工程实验力学，计欣华、邓宗白等编著，计欣华、邓宗白等编著，机械工业出版社，机械工业出版社，200520

2、05年年考核方式：实验成绩，平时，期末考试成绩。考核方式：实验成绩，平时，期末考试成绩。 课程内容课程内容第第1 1章、章、 绪论绪论实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用实验力学中的基本方法实验力学中的基本方法实验力学的发展概况实验力学的发展概况课程内容课程内容第第2 2章、实验数据处理与误差分析章、实验数据处理与误差分析误差分析中的基本概念误差分析中的基本概念有效数字及其运算法则有效数字及其运算法则误差分析的理论基础误差分析的理论基础 间接测量值的误差估计间接测量值的误差估计 实验数据的表示方法实验数据的表示方法课程内容课程内容第第3 3章、量纲分析与相似律章、量纲分析与相似律量纲分析是

3、分析和研究问题的有力手段和方法量纲分析是分析和研究问题的有力手段和方法物理量的度量物理量的度量量纲及量纲分析量纲及量纲分析量纲分析的实质量纲分析的实质量纲分析的简史量纲分析的简史量纲的幂次表示量纲的幂次表示 定理定理相似律相似律运用运用 定理的注意点定理的注意点理论分析与实验研究历来是人们认识自然和解理论分析与实验研究历来是人们认识自然和解决工程问题的两个重要手段，二者相辅相成。决工程问题的两个重要手段，二者相辅相成。实验是理论的基础，也是科学发展的基础。实验是理论的基础，也是科学发展的基础。英国科学家罗杰尔英国科学家罗杰尔. .培根曾指出：培根曾指出：“没有实验，没有实验，任何新的东西不能深

4、知。任何新的东西不能深知。”近代科学技术的发展无不与实验有着密切的联近代科学技术的发展无不与实验有着密切的联系。系。第第1章、章、 绪论绪论1 1 实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用实验从观测开始实验从观测开始哥白尼哥白尼15431543年，年，天体运行说天体运行说，打破了统治，打破了统治10001000多年多年的地心说，但主观认为行星轨道是圆的。的地心说，但主观认为行星轨道是圆的。开普勒开普勒积累了他和老师积累了他和老师（丹麦（丹麦天文学家第谷）天文学家第谷）两代人的观察，两代人的观察，经过经过9 9年时间，终于给出正确表述：一切行星绕太年时间，终于给出正确表述：一切行星绕太阳运动的轨

5、道是椭圆的，太阳位于一个焦点上。阳运动的轨道是椭圆的，太阳位于一个焦点上。收入在收入在16191619年年宇宙的和谐宇宙的和谐一书中。一书中。伽利略，实验科学之父伽利略，实验科学之父传说在比莎斜塔上做了自由落体实验，实际上是传说在比莎斜塔上做了自由落体实验，实际上是通过研究摆的运动和斜面上的运动，得到了惯性通过研究摆的运动和斜面上的运动，得到了惯性定律、落体定律和抛体运动定律。定律、落体定律和抛体运动定律。16381638年，年，两两门新科学门新科学15941594年，年，论机械论机械，第一本力学书，第一本力学书16051605年，把观察和实验作为科学研究的坚实基础。年，把观察和实验作为科学研

6、究的坚实基础。把逻辑推理和实验相结合这一科学方法论的创始把逻辑推理和实验相结合这一科学方法论的创始人。人。实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用牛顿牛顿16871687年，在总结前人成果的基础上，发现了质点运动规年，在总结前人成果的基础上，发现了质点运动规律，发表律，发表自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理，建立了牛顿力学体，建立了牛顿力学体系。系。达芬奇，达芬奇，1616世纪颇有影响力的力学家世纪颇有影响力的力学家研究了飞行原理，绘下了湍流涡旋图，进行过梁的实验，研究了飞行原理，绘下了湍流涡旋图，进行过梁的实验，设计过升降机，绘出过人体解剖图。其科学思想，在科设计过升降机，绘出过人体解剖图

7、。其科学思想，在科学史上也具有划时代的意义。学史上也具有划时代的意义。随着科学的发展，实验就远远不局限于对大自然的观测，随着科学的发展，实验就远远不局限于对大自然的观测，而是有目的的导致一些现象的出现，然后去观测它，分析而是有目的的导致一些现象的出现，然后去观测它，分析它，力求得出规律性的东西。这类实验有在现场的实地测它，力求得出规律性的东西。这类实验有在现场的实地测量，有在实验室的模型实验和模拟实验。这些是当今实验量，有在实验室的模型实验和模拟实验。这些是当今实验研究的主要特征。研究的主要特征。实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用实验力学是用实验的方法对结构进行力学分实验力学是用实验的方

8、法对结构进行力学分析的一门学科，是一门与工程实际联系密切析的一门学科，是一门与工程实际联系密切的学科。的学科。以结构物的原型或模型为研究对象，通过对以结构物的原型或模型为研究对象，通过对力学、物理量的测量来揭示其力学性态和变力学、物理量的测量来揭示其力学性态和变化规律。化规律。为理论研究提供验证，优化工程设计方案，为理论研究提供验证，优化工程设计方案，对工程结构进行失效分析对工程结构进行失效分析实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用解决工程实际中的各种强度问题。解决工程实际中的各种强度问题。测定零件或结构本身在工作过程中所受载荷测定零件或结构本身在工作过程中所受载荷的大小、方向、特点及其变化

9、情况的大小、方向、特点及其变化情况确定零件或结构的应力状态等确定零件或结构的应力状态等根据实验应力分析的研究结果，合理地选择根据实验应力分析的研究结果，合理地选择零件或结构的几何尺寸和截面形状。零件或结构的几何尺寸和截面形状。实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用施工中的卢浦大桥施工中的卢浦大桥建成后的卢浦大桥建成后的卢浦大桥实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用载荷情况： 载荷形式 静、动 载荷大小材料结构形式支撑形式环境：动力、风、水温度、磁场运动状态：位移、 速度、 加速度变形：应力、 应变材料： 材料性能 疲劳强度 断裂性能结构：固有频率阻尼、刚度 强度船舶建筑飞行器安全性可靠性稳

10、定性 海洋石油钻井平台海洋石油钻井平台Recent (2001) failure of offshore oil platform near Brazil地面铁条使地面铁条使轮胎爆裂，轮胎爆裂，碎片侵入发碎片侵入发动机。动机。 飞飞机机整整机机结结构构强强度度实实验验 轴轴 叶轮叶轮 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏 转子轴转子轴 疲劳开裂疲劳开裂 疲劳断裂破坏疲劳断裂破坏2000年年8月月27日下午日下午3时时20分，台湾南部高屏大桥断裂分，台湾南部高屏大桥断裂，大桥中间下陷部分长达，大桥中间下陷部分长达100米。米。17辆车坠河，辆车坠河，22人人受伤。受伤。 采沙过度，河面沉降采沙过度，河面沉降

11、10余米，桥墩先断裂。余米，桥墩先断裂。上海上海 东方明珠电视塔东方明珠电视塔 高高300m 球径球径45m 大型水利工程设施大型水利工程设施2 2 实验力学中的基本方法实验力学中的基本方法直接法间接法比拟法机械引伸计法电测法脆性涂层法莫尔法光测法声测法X射线法薄膜比拟法流体比拟法电场比拟法引伸计法引伸计法误差：+/-1%+/-7%电阻应变测量电阻应变测量 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传

12、感器是把外界输入的非电信号转而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。换成电信号的装置。 如电阻应变计把外界输入的应变如电阻应变计把外界输入的应变 （非电信号）（非电信号）转换成电阻信号的装置。转换成电阻信号的装置。 电阻应变测量法是用应变计测定构件表面应变，电阻应变测量法是用应变计测定构件表面应变，再根据应力再根据应力- -应变关系确定构件表面应力状态的一种实应变关系确定构件表面应力状态的一种实验应力方法。验应力方法。电阻应变计电阻应变计电阻应变计电阻应变计电阻应变仪，电桥电阻应变仪，电桥电电 桥桥 盒盒DVi1R2R3R4RBC放大器放大器案例：案例：桥梁固有频率测量桥

13、梁固有频率测量电阻应变计电阻应变计应变传感器的应变传感器的作用作用动应变测量实例动应变测量实例 润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特大桥梁，于的组合型特大桥梁，于20002000年年1010月月2020日开工，日开工，20052005年年4 4月月3030日建日建成通车，总投资成通车，总投资5858个亿，该桥全长为个亿，该桥全长为35.6635.66公里，桥面平均宽公里，桥面平均宽31.531.5米（行车道宽米（行车道宽3030米），全线采用双向六车道高速公路标准设米），全线采用双向六车道高速公路标准设计的，设计车速度计

14、的，设计车速度100100公里公里/ /小时。小时。 润杨大桥设计使用寿命为润杨大桥设计使用寿命为100100年。大桥主跨跨度为年。大桥主跨跨度为14901490米，米，是目前排名中国第一、世界第是目前排名中国第一、世界第三：三： 排名排名( (世界世界) ) 第一的是日本明石海峡大桥第一的是日本明石海峡大桥 第二的是丹麦的亨伯大桥第二的是丹麦的亨伯大桥 第三的是润扬大桥第三的是润扬大桥 第四是英国的亨伯格大桥第四是英国的亨伯格大桥 第五的是我国第五的是我国19991999年年9 9月建月建成通车的江阴大桥、成通车的江阴大桥、 第六的则是香港的青马大桥。第六的则是香港的青马大桥。动应变测点照片

15、动应变测点照片应应变变测测点点照照片片光弹性方法光弹性方法 光弹性实验法是运用光学原理研究弹性力学问题的一种应力分析方法；光弹性实验法是运用光学原理研究弹性力学问题的一种应力分析方法；也就是用具有暂时双折射效应的透明塑料按一定比例制成构件模型，置于也就是用具有暂时双折射效应的透明塑料按一定比例制成构件模型，置于偏振光场中，施加一定的载荷，利用偏振光通过透明受力模型获得干涉条偏振光场中，施加一定的载荷，利用偏振光通过透明受力模型获得干涉条纹图，直接确定模型各点的主应力差和主应力方向，通过计算，就能确定纹图，直接确定模型各点的主应力差和主应力方向，通过计算，就能确定模型受载时各部位的应力大小和方向

16、模型受载时各部位的应力大小和方向脆性漆层法脆性漆层法在被研究的物体表面涂上一层特殊的漆料，当在被研究的物体表面涂上一层特殊的漆料，当应力作用时，某点的变形达到一定的数值后，应力作用时，某点的变形达到一定的数值后，漆层即沿着与最大主应力垂直的方向裂开，根漆层即沿着与最大主应力垂直的方向裂开，根据裂纹的出现顺序及方向，便可确定主应力的据裂纹的出现顺序及方向，便可确定主应力的数值。数值。莫尔法（云纹法）莫尔法（云纹法）云纹（Moire）是一种物理现象。将两块相同的丝绸物重叠起来，对着明亮的背景看去，可以看到明显的黑白相间的条纹云纹云纹散斑法散斑法散斑：散斑：SpeckleSpeckle相干性好的激光

17、照射在相干性好的激光照射在有漫反射表面的物体上，有漫反射表面的物体上，这些表面漫反射光犹如这些表面漫反射光犹如无数小的相干光源所发无数小的相干光源所发出的光，它们之间也是出的光，它们之间也是相干光，彼此之间也要相干光，彼此之间也要发生干涉，因而在物体发生干涉，因而在物体表面前边的空间形成了表面前边的空间形成了无数随机分布的亮点和无数随机分布的亮点和暗点。暗点。散斑法散斑法散斑的大小和位置时随机分布的，但从总体散斑的大小和位置时随机分布的，但从总体上看是符合一定的统计规律的。上看是符合一定的统计规律的。在同样的照射和记录条件下，一个漫反射表在同样的照射和记录条件下，一个漫反射表面对应着一个确定的

18、散斑场。面对应着一个确定的散斑场。在一定范围内，散斑场的运动是与物体表面在一定范围内，散斑场的运动是与物体表面各个点的运动一一对应的。各个点的运动一一对应的。-自相关性自相关性因而可以根据对散斑运动的检测，来获得物因而可以根据对散斑运动的检测，来获得物体表面运动的信息，从而计算位移、应变、体表面运动的信息，从而计算位移、应变、应力等力学量。应力等力学量。 1968 1968年，年，J.M.Burch J.M.Burch 用于疲劳检验用于疲劳检验双散斑场干涉双散斑场干涉（离面位移测量实例）（离面位移测量实例）（全息干涉）（ESPI）注意：与全息干涉不同，注意：与全息干涉不同，ESPIESPI的零

19、的零级条纹是暗的级条纹是暗的双散斑场干涉：双散斑场干涉：中心加载周边夹持方板的水中心加载周边夹持方板的水平剪切散斑照相平剪切散斑照相声学方法：声学方法：声弹性法是利用超声剪切波的双折射效应测量应力的一种方法。声发射技术、声全息法。近代测试技术和方法近代测试技术和方法压痕法压痕法原子力显微镜、扫描隧道显微镜原子力显微镜、扫描隧道显微镜声发射技术声发射技术超声扫描技术超声扫描技术虚拟仪器虚拟仪器压痕示意图压痕示意图 PUnloadingLoadingSmaxPrhmaxh载荷载荷-位移曲线位移曲线h硬度硬度: cmaxAPH cr2ASE杨氏模量杨氏模量E: i2i2r111EvEvEOliver

20、-Pharr方法：方法：压痕法压痕法硬度测试使用的压头种类布氏（Brinell) 洛氏（Rockwell) 维氏（Vickers) Berkovich Zwick/Roell公司的ZHU 2.5压痕仪器 纳米压痕实验结果纳米材料的断裂和韧性测试纳米材料的断裂和韧性测试Substrate Interfacial delaminationCoatingIndentorForce纳米材料薄膜的粘结强度纳米材料薄膜的粘结强度原子力显微镜原子力显微镜三代显微镜的观察范围及典型物体三代显微镜的观察范围及典型物体 背景知识背景知识 自从自从19331933年德国年德国RuskaRuska和和KnollKno

21、ll等人在柏林制成等人在柏林制成第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显微镜微镜(TEM)(TEM)、扫描电子显微镜、扫描电子显微镜(SEM)(SEM)、场离子显微、场离子显微镜镜(TEM)(TEM)等。等。 19821982年，年，IBMIBM公司苏黎世实验室的葛公司苏黎世实验室的葛宾尼宾尼(Gerd Binnig)(Gerd Binnig)博士和海博士和海罗雷尔罗雷尔(Heinrich (Heinrich Rohrer)Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一博士及其同事们共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope(Scanning Tunneling Microscope，简称，简称STM)STM)。使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。在