工程力学实验指导

/拉伸、压缩、扭转实验一．实验目的1．测定低碳钢拉伸时的屈服极限ＲeL，强度极限Rｍ,断后伸长率A１1。3和断面收缩率Ｚ；２．测定铸铁拉伸时的强度极限Rm;3．观察低碳钢拉伸过程中的各种现象（包括屈服、强化和颈缩等），并绘出拉伸曲线；4。观察并比较低碳钢、铸铁压缩时的变形和破坏现象;图1.1电子万能材料试验机５．观察并比较低碳钢、铸铁扭转时的变形和破坏现象；图1.1电子万能材料试验机6．熟悉试验机和其他有关仪器的使用。二．实验仪器和设备１．ＣSS—４410０电子万能材料试验机,见图1.１；2．CSS-４4300万能材料试验机;3。ND—50０C4。游标卡尺及划线机；5．拉伸试件、压缩试件、扭转试件。三.实验原理和方法1．拉伸实验原理和方法本实验是通过拉伸试验来确定低碳钢材料的拉伸力学性能Rel、Rm、A1１。3、Z和铸铁材料的拉伸力学性能Ｒｍ.试验试件采用按国标（GB639７－８６)加工成的标准圆截面试件，如图1.2所示，取Ｌ0—试件原始标距；d0-试件原始直径。图1.2拉伸试件用CSS－44１00电子万能试验机对试件加载，根据（GB２２8-20０2)对试件进行测定.试验时，利用CＳS—４4１０0电子万能试验机的计算机操作系统，输入有关参数，从计算机显示器上可观察到试件的整个拉伸过程。图1.2拉伸试件对于低碳钢，有四个阶段（弹性、屈服、强化、颈缩阶段）.屈服阶段（B’－Ｃ）常呈锯齿形，如图1。3所示。上屈服点Ｂ’受变形速度和试件形式等影响较大，而下屈服点B则比较稳定，故工程中均以Ｂ点所对应的载荷作为材料的屈服载荷Fs，称为下屈服载荷Fsｌ。过了屈服阶段，继续加载，曲线上升，直至到达D点，达到最大载荷值Fm，工程中Fｍ即为强度极限Rm所对应的载荷。过了D点，拉伸曲线开始下降,这时可观察到试件在某一截面附近产生的局部变形，既有颈缩现象，直至Ｅ点试件断裂。图1.3拉伸曲线对于铸铁，由于拉伸时的塑性变形很小,因此在变形（主要是弹性变形)很小时，就达到了最大载荷，而突然断裂,没有屈服阶段和颈缩现象。断裂时的载荷Fm即为强度极限Rｍ所对应的载荷。图1.3拉伸曲线根据试验测定的载荷和试件的几何尺寸,根据计算公式就可得到材料拉伸时的力学性能.用ＣSS－44100电子万能材料试验机进行材料的拉伸性能测定时，不但可以绘出被测材料的拉伸曲线图,根据测得的载荷计算得到Rel、Rm、Ａ11。3、Z指标，同时可以直接输入试件的几何尺寸及有关参数，由计算机计算得到Rel、Rm、A１1.3、Z.2．拉伸实验步骤1）试件准备＊低碳钢试件（a）。在低碳钢试件长度L０=1０0ｍm的标距内，用刻线机每隔１0mm刻一圆周线，即在长度标距内均匀地分为10格,以便观察试件变形沿轴向分布的情况和计算断后伸长率。铸铁试件不需要划圆周线。(ｂ）.用游标卡尺在标距两端和中间部位,分别沿互相垂直的两个方向各测量一次直径,并计算这三处的平均值，取其最小值作为试件直径d０。＊铸铁试件用游标卡尺在试件两端和中间部位,分别沿互相垂直的两个方向各测量一次直径，并计算这三处的平均值，取其最小值作为试件直径d0。分别对低碳钢试件、铸铁试件进行试验。2）试验机准备根据ＣSS-４４１00电子万能材料试验机的试验步骤，打开ＥDＣ系统电源,打开计算机，根据计算机提示(祥见ＣSS—441０0电子万能材料试验机试验操作说明），输入有关参数，系统进入试验状态。３)安装试件先将试件装夹在上夹头中，然后操作手动盒移动横梁至合适位置，把试件下端夹持在下夹头中。4)进行实验根据计算机提示(或根据计算机操作详细说明）进行试验，直至试件拉断，系统退出试验状态.对于低碳钢试件则进行下一步;对于铸铁试件则根据计算机提示打印拉伸曲线图和试验结果。５）低碳钢试件断后标距测量和断口直径测量(铸铁试件没有这一步)（a)。测量断后标距将被拉断试件的两段断口对齐并靠紧，如果断口到邻近标距点的距离大于１/３L0,则用游标卡尺直接测量断后的标距长度，此长度即为Lｕ。若断口到邻近标距点的距离小于1/3Ｌ0,则需进行断口移中计算,计算所得长度即为断后标距Ｌu.（b)．测量断口直径在断口处（即颈缩最细处)沿互相垂直方向各测量一次直径，取其平均直径du。将Lu、ｄｕ根据计算机提示输入。根据计算机提示打印出低碳钢的拉伸曲线图和试验结果。四．压缩、扭转实验原理和方法本次实验对压缩和扭转实验的要求是观察其变形过程和破坏现象,并分析引起破坏的原因，因此实验原理和方法不在此祥叙.五.实验结果处理１。以表格形式处理实验结果,计算低碳钢材料的拉伸力学性能Rel、Rm、Ａ1１．3、Ｚ和铸铁材料的拉伸力学性能Rm.２.绘出低碳钢材料和铸铁材料拉伸、压缩、扭转破坏断口简图。3.附电子万能材料试验机拉伸曲线图。附实验数据记录和结果处理参考表六．思考题1.测定材料的力学性能为什么要用标准试件？2．材料拉伸时有哪些力学性能指标？３．测定断后伸长率A11.3时,若断面邻近标距点的距离小于或等于1／3L04。试述低碳钢、铸铁拉伸、压缩、扭转时，主要是由哪些应力引起破坏的，为什么?5。规定微量塑性伸长应力指标Rp、Rr、Rt是在受力还是在卸力的情况下测定的?Rｐ0。2和Rｒ0.２有何区别？实验数据参考表１.试件原始尺寸材料标距L０（mm）直径d0（ｍｍ)最小横截面面积S0（mm)截面Ⅰ截面Ⅱ截面Ⅲ12平均1２平均12平均低碳钢铸铁/2.实验数据材料屈伏载荷（N）最大载荷(Ｎ)拉断后标距（mm）颈缩处直径(mm)颈缩处横截面面积（mm2）低碳钢12平均铸铁/／/／3．试验结果材料强度指标塑性指标断口形状Rｅl（MＮ/m２)Rｍ(MN／m2)A％Z％低碳钢铸铁/／/ＣSS—4400电子万能材料试验机试验操作说明电子万能材料试验机活动横梁承力机架力传感器电子万能材料试验机活动横梁承力机架力传感器上夹具下夹具横梁调节器主机控制器计算机打印机CSＳ－４４0０0电子万能材料试验机由施力部分、试件装夹部分、测力部分三部分组成，施力部分包括驱动电机、传动机构，试件装夹部分包括活动横梁、上、下夹具,测力部分包括力传感器、力显示器(由计算机显示).试验机操作过程：红色指示灯亮开关控制器面版控制器背面1．打开主机控制器电源(开关在控制器背面),红色指示灯亮开关控制器面版控制器背面TestExpeｒt2。打开计算机，双击桌面上,接着显示电子万能材料试验机试验操作桌面；TestExpeｒt联机按钮控制器开关联机按钮控制器开关３.点击联机按钮，等待计算机与主机控制器通讯连接，当通讯连接完成后，控制器开关被点亮（绿色圆键）；左边按键点亮左边按键点亮4.点击控制器开关（绿色圆键)，主机控制器开关打开,控制器面版上绿色指示灯亮,同时试验操作桌面左边按键被点亮；绿色指示灯亮绿色指示灯亮5．试件安装注：在试件安装前，试件的有关尺寸测量和刻标距工作都应已完成。试验机夹具试验机夹具试件首先将试件的夹持部分放入上夹具中(试件夹持部分露出上夹具下端面5mｍ左右),根据上夹具提示方向旋紧;然后将下夹具旋松到夹持开口为最大状态，通过操作调节器,移动活动横梁至装夹试件的合适位置（试件夹持部分进入下夹具，使试件夹持部分露出下夹具上端面5mｍ左右），根据下夹具提示方向旋紧,试件安装完毕;试件◆手动调节器:调节器操作活动横梁的上、下移动◆上行键◆下行键◆停停止键下夹具旋松到夹持开口为最大状态下夹具手动调节器上夹具试件夹持部分露出下夹具旋松到夹持开口为最大状态下夹具手动调节器上夹具试件夹持部分露出上夹具下端面平5mm左右注意：当按停止键后，手轮调节速度自动回到零点,因此,无论什么时候，按上、下行键，活动横梁是不移动的,只有通过旋转手轮才能控制活动横梁的移动速度，改变活动位置。不要按手轮，因为按手轮会急速加快活动横梁移动速度，活动横梁移动速度不宜太快。试样直径和标距输入处试样直径和标距输入处6.在试验操作桌面相关位置输入试样直径和标距（铸铁不用输入）方法定义方法定义６.点击左上方的,在试验操作桌面上会弹出可供试验项目设定桌面,在试验项目设定桌面上要做如下设置：方法Ｍａ．在左边的方法类型一览中根据试验要求选择试验方法（本试验为“拉伸”），可可选计算项目已选计算项目方法类型设置报告标题编辑打印文档方法Ｍ可选计算项目已选计算项目方法类型设置报告标题编辑打印文档试验项目设定桌面方法Mb.右边是“可选计算项目"和“已选计算项目”，在“可选计算项目"中选择实验要求计算的项目,并添加到“已选计算项目”方法Mc．点击编辑打印文档，输入试验者姓名、日期等d。点击设置报告标题，输入试验标题内容7.点击试验操作,返回试验操作桌面试验过程桌面开始试验按扭8．按试验按纽,开始试验,直至试件被拉断试验过程桌面开始试验按扭9.试件拉断，试验机自动停止,并跳出对话框，试验正常结束点击“是”不正常结束则点击“否”点击“是”后，接着跳出“输入试验名称”对话框,若不需要保存，按取消即可计算伸长量（输入断后标距）计算断面收缩率（输入断后直径）然后根据试验计算项目的不同，会有不同的提示,若为低碳钢材料,试验计算项目中有断后伸长率、断面收缩率,则后面会有输入断后长度、断面直径的提示,只要将试验拉断的试件,按规定测量其断后的长度和断面的直径，输入即可，输入的单位是“mm”计算伸长量（输入断后标距）计算断面收缩率（输入断后直径）最后显示试验结果（图和数据）。试验结束,根据试验项目的不同，显示试验结果数据。10。打印试验结果打印机点击左上角打印机,显示打印桌面打印机打印曲线和试验结果数据，若无曲线或试验结果数据,只要点击右边的打印预览即可。YJ—4501Ａ静态数字电阻应变仪简要操作说明一．面板介绍图1应变仪面板应变仪面板如图1图1应变仪面板１。上显示窗显示测量值（或校准值)(微应变）.２．左下显示窗显示测量通道,00—9９，本机00—12,０0为校准通道。3．右下显示窗显示灵敏系数K值。4．灵敏系数设定键，并伴有指示灯.5。校准键,并伴有指示灯。6．半桥工作键,并伴有指示灯。7．全桥工作键，并伴有指示灯。８。手动测量键,并伴有指示灯。9．自动测量键，并伴有指示灯。1０．上行、下行键。11.置零键。12。功能键。13．～数字键。二。操作打开应变仪背面的电源开关,上显示窗显示提示符ｎＨ--JH，且半桥键、手动键指示灯均亮。按数字键01(或按任一测量通道序号均可，通道序号为两位数,按功能键无效或会出错),应变仪进入半桥、手动测量状态,左下显示窗显示０１通道（或显示所按的通道序号)，右下显示窗显示上次关机时的灵敏系数（若出现的是字母和数字，则按灵敏系数K设定操作)，上显示窗显示所按通道上的测量电桥的初始值(未接测量电桥,显示的是—--－-).1．灵敏系数K设定在手动测量状态下，按K键，Ｋ键指示灯亮，灵敏系数显示窗(右下显示窗)无显示，应变仪进入灵敏系数设定状态.通过数字键键入所需的灵敏系数值后,Ｋ键指示灯自动熄灭，灵敏系数设定完毕,返回到手动测量状态；若不需要重新设定K值，则再按K键,K键的指示灯熄灭，返回到手动测量状态，灵敏系数显示窗仍显示原来的K值。Ｋ值设定范围1.0~2.9９。2.全桥、半桥选择应变仪开机后,自然进入半桥测量状态，半桥键指示灯亮，处于半桥工作状态；按全桥键，全桥键指示灯亮时,处于全桥工作状态。根据测量要求,选择半桥、全桥测量状态.电桥接法（a）（b）图2应变仪后面板应变仪面板后部如图2（a)所示,有0～12个通道的接线柱，0通道为校准通道，其余为测量通道。当用公共补偿接线方法时，C点用短接片短接，见图（a）（b）图2应变仪后面板测量电桥有以下几种接线方法。(1）半桥接线法图3半桥测量时有两种接线方法,分别为单臂半桥接线法和双臂半桥接线法。多点测量时常用单臂半桥接线法，并且采用一个补偿片补偿多个工作片，称为公共补偿接线法,此时，加短接片,见图3,若工作片已按公共接法连接，则按图4接线。各测量通道的C接线柱用短接片短接（试验前检查C接线柱是否旋紧,与短接片短接是否可靠）。补偿片可按图接线，接在固定的补偿片位置,也可接在任一测量通道的Ｂ、C接线柱上。双臂半桥接线法，是在ＡB、BC桥臂上都接工作片(卸去短接片）,如图5图3图5图4图5图4R为应变仪内部电阻。全桥接线法是在AB、BC、CD、DＡ桥臂上均接应变片，(卸去短接片)可以全是工作片，也可以是工作片和补偿片的组合。４。测量测量电桥接好以后，根据接桥方式选择好半桥或全桥测量状态，就可以进行测量了。应变仪测量分手动测量和自动测量。应变仪开机后，自然进入半桥和手动测量状态，若进行半桥、手动测量，则可以用置零键对各通道分别置零，（置零可反复进行）,各通道置零后即可按试验要求进行试验测试.测量通道切换可直接用数字键键入所需通道号（０1至１2之间），也可以通过上行、下行键按顺序切换。若进行全桥、手动测量，只需按全桥工作键，全桥指示灯亮，这样就可以进行全桥、手动测量了。自动测量详见ＹJ-45０１A使纯弯曲正应力分布规律实验一。实验目的1．用电测法测定梁纯弯曲时沿其横截面高度的正应变(正应力）分布规律；图3.图3.1纯弯曲梁实验装置3.掌握本型号电阻应变仪的使用。二．实验仪器和设备1．弯曲梁实验装置一台；２.YＪ－4501A静态数字应变仪；3。温度补偿块一块.三。实验原理和方法弯曲梁实验装置见图３．1，它由弯曲梁１、定位板2、支座3、试验机架4、加载系统５、两端带万向接头的加载杆6、加载压头(包括钢珠)7、加载横梁8、载荷传感器9和测力仪10等组成.弯曲梁的材料为钢，其弹性模量E=21０GPa，泊松比。旋转手轮,则梁的中间段承受纯弯曲.根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设,可得到纯弯曲正应力计算公式为式中M为弯矩；ＩZ为横截面对中性轴的惯性矩；y为所求应力点至中性轴的距离。由上式可知，沿横截面高度正应力按线性规律变化。图3.2纯弯曲梁图2纯弯曲梁ﻩ实验时,通过旋转手轮，带动蜗轮丝杆运动而改变纯弯曲梁上的受力大小.该装置的加载系统可对纯弯曲梁连续加、卸载,纯弯曲梁上受力的大小通过拉压传感器由测力仪直接显示。当增加力ΔF时，通过两根加载杆,使得距梁两端支座各为c处分别增加作用力，如图图3.2纯弯曲梁图2纯弯曲梁图3.3纯弯曲梁应变片粘贴位置在梁的纯弯曲段内,沿梁的横截面高度已粘贴一组应变片1～7号，应变片粘贴位置见图３．３所示。另外，8号应变片粘贴在梁的下表面与7号应变片垂直的方向上（在梁的背面相同的位置另有一组应变片1＊~８*）。当梁受载后，可由应变仪测得每片应变片的应变，即得到实测的沿梁横截面高度的应变分布规律，由单向应力状态下的虎克定律公式，可求出实验应力值。实验应力值与理论应力值进行比较，以验证纯弯曲梁的正应力计算公式。若实验测得应变片７号和8号的应变ε７和ε8满足则证明梁弯曲时近似为单向状态，梁的纵向纤维间无挤压的假设成立。图3.3纯弯曲梁应变片粘贴位置四。实验步骤注意：本装置同时供给两组同学实验，一组用1~８号应变片，另一组用1*～８＊应变片，实验加载时请两组同学协调好。１。纯弯曲梁有关尺寸:弯曲梁截面宽度b=20ｍm,高度h＝４0mm，载荷作用点到梁支点距离c=１50mm。2．接通测力仪电源，将测力仪开关置开。图3.4公共接线3。本实验采用公共接线法，即梁上应变片已按公共线接法引出9根导线，其中一根特殊颜色导线为公共线，见图３．4。将应变片公共引线接至应变仪B点的任一通道上,其它按相应序号接至A点各通道上；公共补偿片接在应变仪指定的B、C补偿片接线柱上。YJ图3.4公共接线4．实验:a。本实验取初始载荷F0＝０．５KN(500N），Ｆｍax=４.5ＫN（4５00Ｎ），ΔF＝１ＫＮ(1０00Ｎ）,共分四次加载；b.加初始载荷0。５KN（５０0Ｎ)后，按顺序将应变仪每个测量通道的初始应变值置零；（指：在0。５KN初始载荷下，对每个测量桥都置零)c．逐级加载,记录各级载荷作用下各测量通道的读数应变。五.实验结果的处理1。根据实验数据计算各点增量的平均应变,求出各点的实验应力值，并计算出各点的理论应力值；计算实验应力值与理论应力值的相对误差.2.同一比例分别画出各点应力的实验值和理论值沿横截面高度的分布曲线，将两者进行比较,如果两者接近，说明纯弯曲梁的正应力计算公式成立。3．计算值,若，则说明梁的纯弯曲段内为单向应力状态.实验数据记录和计算可参考表一、表二和表三。六.思考题1．比较应变片6和7(或应变片４和5)的应变值,可得到什么结论？2．应变片测量的应变是：ａ.应变片栅长中心处的应变？ｂ．应变片栅长长度内的平均应变？ｃ。应变片栅长两端点处的平均应变?3。实验中对应变片的栅长尺寸有无要求?为什么？4．应变片的灵敏系数K为2.24，应变仪的灵敏系数Ｋ仪为２。12，已知读数应变分别为290，2１8，1４5,问实测应变为多少？5．是否能通过加长或增加应变片敏感栅线数的方法改变应变片的电阻值来改变应变片的灵敏系数?为什么？实验数据参考表表一１~7号应变片至中性层的距离(mm）ｙ1y2ｙ3y４ｙ5y６ｙ6表三应变片号12345６7实验应力值（MN／ｍ２）理论应力值（MN/m２)误差（％)表二应变片序号载荷１2345678F(ＫN)∆Ｆ（KN）ε（με)∆ε(με）ε(με）∆ε(με）ε（με)∆ε(με）ε（με）∆ε（με)ε（με）∆ε(με)ε（με)∆ε（με)ε(με)∆ε（με）ε（με）∆ε(με）∆ε均(με）薄壁圆管弯扭组合变形测定实验一.实验目的1。用电测法测定平面应力状态下主应力的大小及方向；２．测定薄壁圆管在弯扭组合变形作用下，分别由弯矩、剪力和扭矩所引起的应力。二．实验仪器和设备１．弯扭组合实验装置；图6.1弯扭组合实验装置2.ＹJ图6.1弯扭组合实验装置三.实验原理弯扭组合实验装置如图６．1所示。它由薄壁圆管１（已粘好应变片）,加载臂2，加载杆3，传感器４，加载手轮5，座体6,数字测力仪7等组成。试验时，逆时针转动加载手轮,传感器受力，将信号传给数字测力仪,此时，数字测力仪显示的数字即为作用在加载臂顶端的载荷值，加载臂顶端作用力传递至薄壁圆管上，薄壁圆管产生弯扭组合变形。图6.2薄壁圆管受力简图薄壁圆管材料为铝合金，其弹性模量E为7２GＰa,泊松比μ为0.33.薄壁圆管截面尺寸、受力简图如图6.2所示，Ⅰ—Ⅰ截面为被测试截面,由材料力学可知，该截面上的内力有弯矩、剪力和扭矩。取Ⅰ－Ⅰ截面的A、Ｂ、C、D四个被测点，其应力状态如图６．３所示。每点处按–45０、00、＋450方向粘贴一枚三轴4５0应变花，如图图6.2薄壁圆管受力简图图6图6.3四测点应力状态图6.4应变片粘贴位置图6.5应变片组桥１。指定点的主应力大小和方向的测定受弯扭组合变形作用的薄壁圆管其表面各点处于平面应力状态,用应变花测出三个方向的线应变,然后运用应变－应力换算关系求出主应力的大小和方向。本实验用的是450应变花，若测得应变ε－4５、ε0、ε45，则主应力大小的计算公式为主应力方向计算公式为２.弯矩、剪力、扭矩所分别引起的应力的测定a。弯矩M引起的正应力的测定用B、D两被测点00方向的应变片组成图6。５（a）所示半桥线路,可测得弯矩M引的正应变由虎克定律可求得弯矩M引起的正应力b。扭矩Ｔ引起的剪应力(切应力）的测定用A、C两被测点-4５0、４50方向的应变片组成图6．５（b)所示全桥线路，可测得扭矩T在450方向所引起的应变为由广义虎克定律可求得扭矩Ｔ引起的剪应力ｃ．ＦＳ力引起的弯曲剪应力（切应力)的测定用Ａ、C两被测点—450、４50方向的应变片组成图6．５(ｃ）所示全桥线路,可测得ＦS力在45０方向所引起的应变为由广义虎克定律可求得ＦS力引起的剪应力五．实验步骤1．将传感器与测力仪连接，接通测力仪电源，将测力仪开关置开。2．将薄壁圆管上A、B、C、Ｄ各点的应变片按单臂（多点）半桥测量接线方法接至应变仪测量通道上。3．逆时针