工程力学实验讲义

工程力学实验讲义浙江水利水电专科学校一、拉伸、压缩实验(一)目的要求1、了解万能机的主要结构及其工作原理，熟悉操作规程和正确使用方法，并注意安全事项。２、通过实验观察低碳钢、铸铁在拉伸和压缩过程中表现的各种变形规律和破坏现象。分析和比较不同材料的力学性能。３、测定低碳钢拉伸时的屈服极限s、强度极限b、延伸率和截面的收缩率。(二)设备１、液压万能机。（图１-１）图1-1２、游标卡尺。３、试件(1)低碳钢和铸铁的拉伸试件要测定某一种材料的机械性质，试件的数量一般至少取３-５根为一组（取材要有代表性），为了便于比较试验结果，必须按照国家统一标准（GB228-76）的规定加工成标准试件或比例试件，尺寸如表１。表１试件标距截面尺寸圆形试件直径标准的长20031420短10031420比例的长11.20A任意的任意的短5.650A任意的任意的标距的0L为试件中段两点间的距离，作为测量拉伸变形之用，本试验室采用005Ld的圆形截面短试件。(2)低碳钢和铸铁的压缩试件高度和横截面的尺寸应适宜，太高易产生纵向弯曲和不稳定，太粗短则与上下支承垫板间摩擦力太大，通常规定为：00013()hhd0为高度，d为直径，两端面必须光滑而平行。(三)试验步骤１、仔细听取教师讲解机器构造和使用方法，认识主要部件及其作用。本室为WE-30A液压万能试验机。（图1-2）图1-22、低碳钢和铸铁的拉伸、压缩（1）检查低碳钢拉伸试件是否合格，在试件中段划线机划出标距，并在标距间每隔1/10刻划上圆周线（这一步已由实验室事先做好），以便观察变形分布的情况；此外，如试件的断口不在中间的，便于移中计算，以求得比较正确的延伸率。在标距两端和中间等三处截面的两相互垂直方向上量取直径，算出三个平均值，取其中最小平均直径作为计算强度时的直径。(2)根据材料的强度极限（可查手册）估算最大荷载P，选择合适的测力度盘和调整摆锤（使最大负荷约为测力度盘最大容量的80%较好）。(3)检查试验机是否处于正常状态。如操纵机构或油门是否在正确起始位置；保险开关，自动绘图能否正常工作等。(4)关紧回油阀和进油阀，开动油泵马达后再慢慢打开进油阀，把横梁抬高1-2cm。消除可动横梁的自重，然后关闭进油阀，停止马达，调整测力指针至零，并拨动副针使之与主（动）针靠近。(5)安装试件，对拉伸试件，先将一端夹于上夹头内，要夹足、夹正，再移动下夹头使直达到适当位置，在夹紧试件下端时要注意使试件中心与拉力方向在一直线上。对压缩试件，则要摆正在支承的中心位置，尽量避免偏心而达到轴向受力。(6)调整好自动绘图装置，并装上记录用纸和笔，以便观察其工作情况。(7)开动机器，缓缓打开进油阀，慢速均匀加载。对铸铁试件加载至断裂，立即停机。记录最大荷载bP。对低碳钢试件加载时，当示力盘上指针转动很慢，或者停止不动，甚至倒退时，表明材料已达屈服阶段，记下屈服时的荷载，一般以测力指针回转后指示的最小荷载最为屈服荷载sP。(8)当低碳钢试件达到屈服阶段后，加载速度适当加快，对压缩试件加载至所需荷载，立即停机。对拉伸试件，加载速度加快后载荷随变形增加达到最大值，可看到试件开始发生截面局部缩小，即所谓的“颈缩现象”，记下最大荷载bP。颈缩后，荷载迅速下降，试件很快断裂，立即停机。(9)取下试件，把低碳钢拉伸试件两端断口对正密合在一起，量取试件断后的标距线之间长度1L，并在断后处两个相互垂直方向量取直径1d，取平均值，记录数据，整理机仪，一切复原。(10)观察试件断口形状，结合自动绘图装置所描绘出的P-L曲线图，分析塑性材料和脆性材料在拉伸和压缩过程中的异同点及其机械性质。（四）试验数据处理1、强度极限b和屈服极限s的计算0bbPMPaA0ssPMPaA2、计算延伸率时断后标距1L的量法1L的测量与断口的位置有关，愈近断口（颈缩）处材料的塑性变形愈大，如断口在两端处或标距外，则试验不合格，须重做。当断口在标距中间的三分之一处时，变形比较对称，只要把试件两部分对齐合起来，就可量取1L。当断口不在标距长度三分之一以内时，需用断口移中法，就是预先在试件标距长度内每隔5mm所划的十个分格线进行换算，可以较准确地量取1L。拉伸前10格相等（图1-3）。拉断后，在断裂处第一条划线向右较长一段取10/2格，标记为a，把a点作为整个标距的最后边一点，这就相当于把断口摆在标距中央。再从a点数到右端标点线有几格，就由a向右取相同的格数，标以b，令m表示cb的长度，n表示ba的长度，则1L之值等于线段ac和ab之和，即1L=m+2n，其长度中包括的格数等于L内的原分格数。图1-3（四）注意事项1、未经指导教师同意不得开动机器。2、操作者要严格遵守操作规程，不得随意离开操纵台。3、不得使用快速马达加载(快速马达只有在安装试件时作为调节下夹头上下移动用，试件夹紧后，下夹头不再调整)。4、初加载时要注意测力指针，防止加载过快，卸载时要注意试件，虽然有时指针尚未遇到零点，但试件已经松动，应立即关闭马达。（五）问题思考1、为什么万能机在试验前必须将活动台（横梁）升起一定高度后才调整“零”点？2、根据什么原则选择测力度盘和摆锤？3、加载、卸载时要注意什么？4、试比较塑性材料和脆性材料在拉伸和压缩过程中的异同。5、低碳钢的屈服点如何确定？6、低碳钢拉断时的应力是否就是强度极限7、为什么在计算拉伸应力时截面面积取试件三处中最小者？扭转试验一、目的１、观察低碳钢和铸铁受扭过程中的变形现象；比较它们的破坏特征。２、验证扭转虎克定律，测定剪切强度极限。二、设备１、扭转试验机。２、游标卡尺。３、试件。本室为NJ-50B型扭转试验机（图2-1），其结构分为加载机构、测力机构及记录装置三部分。实验机有四级度盘分别为0-50Nm、0-100Nm、0-200Nm、0-500Nm。图2-1加载机构安装在溜板上，经六个滚动轴承可在基座的导轨上自由滑动，由直流电动机的带动，通过两级蜗轮、蜗杆减速箱的减速，使夹头旋转对试样施加扭矩，无级调速分为两档0-36/分，0-360/分。测力机构由夹头1穿来的力矩M通过杠杆2或反向杠杆3，变支点杠杆6到拉杆20，拉动平衡杠杆10，由于P力的作用，平衡杠杆上翘，推动差动变压器12，差动变压器铁芯位移，发出信号，经放大器13，使伺服电机14转动，通过钢丝21，拉动游陀11运动，游陀移动的同时通过钢丝拉动绳轮24，使指针16在测力度盘17上指出力矩Mn的数值，当游陀对支点的力矩PrQS时达到平衡；杠杆恢复水平状态。差动变压器铁芯处于零点，无信号输出，电机停止转动。记录装置中记录笔22沿记录筒通过钢丝15由绳轮24拉动，如指针转动一圈，记录笔所描绘的直线长度就是仪表该度盘的满度力矩值，作为力矩坐标，记录筒的转动是通过装于主动夹头25的减速箱26上的自整角发送机27发出信号经放大器28由伺服电机29带动自整角30转动。三、试验步骤1、用特殊铅笔在低碳钢试件表面划出平行杆轴线的纵向线和左标距内两个截面的圆周线，使成为小矩形格子（已由实验室准备好）。2、用游标卡尺在试件标距长度内量取直径（方法如拉伸实验）。3、选择合适的度盘（施加扭矩后，禁止转动量程选择手钮）。4、把试件先装于固定夹头内，并夹紧。然后移动加载机构，使试件插入主动夹头至适当位置夹紧。此时，主动指针应在零点上。5、选定主动夹头的转速（一般试件屈服前用36/分，屈后0-360/分），将被动针转至与主动针重合。旋转主动夹头上的刻度环使零点与指针重合。选好扭转方向，打开记录器开关。6、启动按扭。拧动多圈电位器，使主动夹头至所需转速。这时，可以看到扭转变形随扭矩而不断增加。按Mn加载，并同时测出相应的扭转角。7、当变形继续增加时，而扭矩不再成正比增加时，标志材料已开始屈服，这时，塑性变形仅在外层发生，扭矩还可以增加。塑性变形将从圆周向中心逐渐扩展，直至截面上各点处的剪应力都一样，这时扭矩称极限扭矩用Mnjx表示，继续扭转试件已毋需增加外力偶矩，直至试件扭断。其剪切流动极限34anMnjxW8、铸铁试件先测出试件计算直径，然后把试件装于扭转机上，将主动夹头转速按纽放在0-36/分，加载直至破坏，记下破坏时的扭矩Mnb。其剪切强度极限。bnMnbW四、问题思考1、低碳钢和铸铁在扭转破坏时有什么特征？原因是什么？2、比较低碳钢和铸铁受扭和受拉时的变形规律有何异同？弯曲正应力试验一、目的1、测定纯弯梁一个截面的应力大小及分布规律，以验证直梁弯曲时的正应力公式。2、了解电测法，初步学会电阻应变仪的使用。二、设备1、YJR-5型电阻应变仪。2、纯弯曲正应力试验台。A、主梁：材料：45＃钢，E＝216Gpa跨度：L＝600mm，a＝200mmB、副梁：跨度：1L=200mmC、砝码：每只总量G＝10N（采用1：20杠杆比放大）三、试验原理如图3-3所示，在主梁中部的一个截面上，沿着梁高贴好五个电阻片，每片相距h/4，方向平行梁轴，当砝码加在砝码托上时，通过杠杆作用提起副梁，此时CD段为纯弯曲，贴在梁上的电阻片就跟着主梁一起变形，利用电阻应变仪把这些变形，一个一个测出来，就可以求出主梁在贴片处的应力大小：E（即测得的应变值）。加载采用增量法，最终荷载低于比例极限，CD段弯矩12MPa，其横截面上各点的正应力为：zMyI。四、试验步骤1、调节应变仪（1）将后面板1D,2D,3D三点联接起来（已接好），旋紧接线柱。把标准电阻接到后面板A、B、C接线柱上，旋紧，半桥测量法，再将后面板上的平衡开关打在平衡位置，即可进行仪器的校准。注意：仪器校准时，后面板的接线板上不能联接任何电阻，否则会影响精度。（2）开启电源开关。把前面板选择开关旋到“1”，这时指示表显示的数据是电桥不平衡的分量，调节前面板平衡电位器“1”，使指针表显示全为“0”，如果显示数是正的，平衡电位器逆时针方向旋转，显示数是负的，平衡电位器顺时针方向旋转。（3）仪器的灵敏度调整：仪器平衡到“0”后，将标定开关按入，用幅调电位器调到5000，如果小于5000时，顺时针方向旋转幅调电位器，反之，逆时针旋转，调整好灵敏度，把标定开关按出。（4）仪器的K值调整：仪器时按K＝2设计的。当使用的应变片K值不为2时，必须在测试前标定。本室使用应变片K＝2.2，即用幅调电位器调节为4545。调好后，在实测中，所显示的数据不必再进行K值修正。2、半桥测量接线。把标准电阻从仪器的A、B、C接线柱拆下来，把主梁各点的应变片依次接到应变仪后面板10点接线板上去，AB接一片测量片，BC接一片温度补偿片。调整应变片所接点的对应平衡电位器，使其平衡。3、在原始记录上记下所测主梁的截面尺寸（数据已经在梁上标好）。调动实验台蝶形螺母，使杠杆尾端稍翘起。4、分四次加载。每次加一只砝码（加砝码时要求一手扶砝码托，一手缓慢放砝码，使其不致摆动）。5、记录荷载0P=200N。记下应变仪显示器的应变量读数0C。以后每增加200N，记一次应变值，并算出读数差C，直到800N为止。6、一片测量完毕之后，按同样方法测量另一片直到五片全部测完为止。五、数据处理1、计算实验应力值根据测得的应变增量平均值应用虎克定律算出各点对应的应力增量平均值E一共五点，填入报告。2、计算理论应力值根据公式zMyI算出各测点的理论正应力值。式中：----应力增量；M-----弯矩增量；Y-----测点至中心轴距离；zI----截面对Z轴的惯性矩。其中：12MPa，312zbhI，12hY，24hY，30Y，44hY，52hY等，一共五点，填入报告。3、实验值与理论值的比较（1）列表比较。（2）用两种颜色的笔做图比较。以为横坐标（向右为正），Y为纵坐标（向上为正），把实验值和理论值画在同一坐标纸上以做比较，来验证直梁纯弯曲时的正应力公式。六、问题思考1、影响试验误差的主要原因是什么？2、弯曲正应力的大小时是否会受材料弹性模量E的影响？为什么？3、试验时没有考虑梁的自重，会引起误差吗？为什么？