材料力学实验指导书-下学期

1实验四弯曲正应力一、实验目的1、初步掌握电测方法和多点应变测量技术。2、测定梁在纯弯曲和横力弯曲下的弯曲正应力及其分布规律。二、实验设备1、CM-1A-10型数字静态应变仪2、BWQ-1型纯弯曲梁实验装置3、测力仪三、实验原理在载荷P作用下的矩形截面梁如图（4－1）所示。在梁的中部为纯弯曲，弯矩为PaM21。在左、右两端长为a的部分内为横力弯曲，弯矩为)(21caPM。在梁的前后两个侧面上，沿梁的横截面高度，每隔4h贴上平行于轴线的应变片。图中编号带撇的应变片表示贴在背面。温度补偿块要放置在钢梁的附近。对每一待测应变片联同温度补偿片按半桥接线，如图4－1（b）所示。测出载荷作用下各待测点的应变ε，由胡克定律知E（4－1）图4－1另一方面，由弯曲公式IMY，又可算出各点应力的理论值。于是可将实测值和理论值进行比较。实验采用增量法。估算最大载荷maxP时，使它对应的最大弯曲正应力为屈服极限s的（0.7～0.8），即maxP≤（0.7～0.8）sabh33。选取初载荷0p≈0.1maxp。0p至maxp可分成四级或五级加载，每级增量即为P。2四、电测应力分析原理电阻应变仪是测量微小变形的仪器，CM-1A-10型数字静态应变仪是电阻应变仪的其中一种。对于梁的纯弯曲实验及主应力测定实验，采用静态应变测试仪来测量变形是最为合适的。1、电阻应变片电阻应变片是由金属电阻丝往复绕成敏感栅用粘结剂固定在绝缘基底上，两端加焊引出线，并加盖复盖层而成的，其构造如图4－2所示。其电阻值多采用120R，使用时将电阻应变片用专用胶水（例如502胶）牢固地粘贴在试件的欲测部位，若试件在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随之变形，从而引起电阻丝电阻值发生变化。实验结果表明，在一定应变范围内，电阻丝的电阻改变率RR与应变ll成正比，即：KRR（4－2）式中K称为应变片的灵敏系数，它是电阻应变片的重要技术参数。2、应变电桥电阻应变片因随构件变形而发生的电阻变化ΔR，通常用四臂电桥（惠斯顿电桥）来测量。如图4－3所示，图中四个桥臂CDBCAB、、和DA的电阻分别为321RRR、、和4R。在对角节点CA、上接电压为1E的直流电源后，另一对角节点DB、为电桥输出端，输出端电压为BDU，且4411RIRIUUUADABBD（4－3）由欧姆定律知)()(3442111RRIRRIE故得2111RREI，4312RREI代入（3－3）得))((432142311RRRRRRRREUBD（4－4）当电桥平衡时，0BDU。由上式得电桥的平衡条件为：4221RRRR（1）．全桥测量电路若电桥的四个臂1R～4R4均为粘贴在构件上的电阻应变片，所构成的电桥称为全桥测量电路。构件受力图4－2图图4－33后，电阻应变片的电阻变化为iR（i＝1、2、3、4），从而引起电桥输出端电压的变化。如果电桥的四个臂皆为相同的四枚电阻应变片，其初始电阻都相等，即RRRRR4321，则输出端电压的变化为：RRRRRRRREUBD432114（4－5）根据公式（4－2），上式可写成：4411RIRIUUUADABBD432114KEUBD（4－6）（2）．半桥测量电路若电桥的四个臂中只有R1和R2为粘贴在构件上的电阻应变片，其余两臂则为电阻应变仪内部的标准电阻，这种情况称为半桥测量电路。设电阻应变片的初始电阻R1＝R2＝R。构件受力后，电阻应变片的电阻变化为1R和2R，此时，由于043RR（即043），则输出端电压的变化为：2114KEUBD（4－7）（3）．温度补偿片温度的变化对测量应变有着一定的影响，消除温度变化的影响可采用以下方法。实测时，把粘贴在受载荷构件上的应变片作为R1，若温度发生变化，则应变为TP11，其中P1是因载荷引起的应变，T是因温度变化引起的应变。以相同的应变片粘贴在材料和温度都与构件相同的补偿块上，作为R2，其应变T2。以R1和R2组成测量电桥的半桥，电桥的另外两臂R3和R4为测试仪内部的标准电阻，043，则：p11TTp11211444KEKEKEUBD＝－由上式可见，利用这种方法可以有效地消除了温度变化的影响，其中作为R2的电阻应变片就是用来平衡温度变化的，称为温度补偿片。1、工作原理图4－4为静态应变测试仪的原理方框图，电压变换器供给应变电桥稳定的直流电压，构件受力后，应变电桥产生的微弱电压信号ΔUBD，通过放大器放大和有源滤波器滤波，变为放大的模拟电压信号，经A/D转换器，最后将电压BDU转换成数字量。因BDU应与4321成正比，经过标定（仪器出厂前已完成），再将电压量转换成应变。这样，应变仪显示表头显示的数字即为4321的值，即测试仪读图图4－44数4321r（με）。五、设备工作原理及操作（一）、CM-1A-10型数字静态应变仪工作原理：（1）选定测量方法（单臂测量、半桥测量、全桥测量）：①、单臂测量的联接：各使用单臂测量的，其接线方式是测点BA、接工作片，并且所对应的两个钮子开关全部拨向单臂，补偿接线端子的0A与0D之间连接温度补偿应变片。②、半桥测量的联接：各使用半桥测量，其接线方式是测点ADAB、接工作片，并且所对应的两个钮子开关全部拨向半桥。③、全桥测量的联接：各使用全桥接线方式是测点的A点接桥路的电压正极，C点接桥路电压的负极、B点和D点接桥路输出的正极和负极，并且所对应的两个钮子开关全部拨向全桥。注意：各点的接线方式必须与该点对应的钮子开关拨向的所示文字相对应，否则仪器将不能正常测量。（2）前面板按键功能及使用（如图4－6所示）：【总清】按此键一次，是对各测点自动进行清零。【清零】按此键一次，是对面板上当前显示的测点进行清零。【测量】键是一个双功能键，开机后数字表显示被测点号及其该点初始应变值，此时应变仪处于测量状态，按此键一次，数字表显示被测点号及该点灵敏度系数K值，此时应变仪处于该点灵敏度系数K值调整状态，（应变值与K值显示最显著的差别是应变值无小数点，K值显示是2.000左右的数值，我们使用的实验装置其灵敏度为2.080）。【巡检】键，是对各测点自动循环一次进行测量，并将数据传往计算机。【P/K增】和【P/K减】两个功能键与【测量】键配合使用时，用来调节被测点和应变片灵敏度系数K值大小的设置，例如，若“测量点P”显示为“01”，按一下“测量”键，显示第1点K值为2.000，而实际使用的应变片K值是2.080，这时按【P/K增】键不放，使K值数据直至接近显示2.080，松开【P/K增】键一下，再按【P/K增】和【P/K减】键微调节K值到显示2.080为止。按一下“测量”键后K值可永久保存，此时应变仪回到测量状态。图4－5接线面板（3）测量：测量连线接好后打开电源，仪器进行自检，8位数码管发亮，数字面板表左部1－2位显示被测点P，第3位显示正负号，第4－8位显示应变值或K值（应变片灵敏度系数）。预热半小时，检查每个测量点初始不平衡值，如是较小不平衡数值时，表示此点连接正确。出现大的不平衡数值时，应查明应变片或导1点2点3点4点点5点6点7点8点公共补偿9点10点ABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDABCDAOBOCOD00000DO半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂半桥全桥单臂全桥半桥单臂5线是否断、短路或其他异常情况，根据具体情况排除故障。经此检查正确后按【总清】键进行清零。检查各被测点是否清零，若清零后给实验装置加载，加载完成后，此时应变仪数字表显示出被测点及被测点相应的应变值，按【P/K＋】和【P/K－】键，读取数字表上各被测点应变值。图4－6前面板（二）、BWQ-1型纯弯曲梁实验装置1、结构组成：如图4－7所示，1－纯弯曲梁（应变片已贴好）、2－支撑框架、3－加载器（蜗轮手动）、4－力传感器、5－承力下梁、6－支座、7－加载杆、8－测力仪。纯弯曲梁为低碳钢，弹性模量E约210GPa/m2,泊松比μ为0.28。2、特点：装置移动方便、数字显示、结构简洁、加载方便、测量准确。3、使用说明：1）、将该装置上的传感器的四芯插头连接到测力仪或综合测试仪上。2）、使用步骤（a）打开数字测力仪开关，预热10分钟，并检查该装置是否处于正常实验状态；（b）将应变片按实验要求接至静态应变仪，并将应变仪上各被测点清零；（c）测力仪用螺丝刀进行调零。（d）转动手轮加载加至4000N，读取该载荷下各应变片的应变读数；（e）卸载，将应变仪、测力仪重新调零，再加载，重复测量三次；（f）实验完毕，卸去载荷，将测力仪开关置关；（g）根据实验要求进行数据处理。（h）注意：（1）每次实验时，必须先打开测力仪，方可旋转手轮，以免损坏实验装置（如传感器、纯弯曲梁等）；（2）每次实验完，必须卸载，即测力仪显示为零，再将测力仪开关置关；（3）该装置最大载荷4500N，超载会损坏实验装置。6弯曲梁贴片方式如图4－8所示，1－8号片为第一组，1、2、3、4、5、6、7、8号片距离如图所示，8号片垂直于1号片。其导线连接方法是：1号片接棕色线，2号片接橙色线，3号片接黄色线，4号片接绿色线，5号片接蓝色线，6号片接紫色线，7号片接红色线，8号片接白色线。黑色线接应变仪A点。我们的实验方案只需1、3、4、6、7、8号片。六、实验步骤及注意事项步骤1、如仅测定一个横截面（纯弯曲或横力弯曲）上的应力，因测点不多，可以逐点测量，测点可按图4－1（b）连接。如测定多点，可用有多个测量点的数字应变仪分批进行，如我们实验所用的CM-1A-10型数字静态应变仪即为此种应变仪。销子2销子2销子1销子1销子3销子3图4－7图4－87步骤2、灵敏度系数的调整：在任一个或多个电桥上接好被测点应变片，根据应变片灵敏度系数k，调整应变仪的灵敏度系数。在前面板（如图4－6所示）1）按【测量】按钮一次，使应变仪处于显示灵敏度系数状态，按【pk+】（仪k增加）或【pk－】（仪k减小）两按钮可调整应变仪灵敏度系数仪k，使应变片仪kk；2）按【测量】钮二次，使应变仪返回测量状态；再按【pk+】或【pk－】两按钮，可调整【测量点】位置，使其所显示的电桥位置与被测点所在电桥位置相同，（即被测点所在电桥位置在电桥1上，【测量点】也应显示为“1”，被测点所在电桥位置在电桥6上，【测量点】也应显示为“6”）；步骤3、将BWQ-1型纯弯曲梁实验装置上（如图4－7所示）的1－6号应变片（即被测点应变片）分别接入CM-1A-10型数字静态应变仪接线面板如图4－5所示的各电桥的BA、两端，在00DA、处接入温度补偿片（其补偿片阻值与被测点应变片的阻值是相等的，由黑线连接）；步骤4、加载之前，在前面板按【清零】或【总清】按钮，将各被测点所在电桥调平衡（即使待测【测量点】所对应的【应变显示】为“0”）；按【pk+】或【pk－】两按钮，检查各被测点电桥是否平衡，如某点不平衡，则再按【清零】按钮，反复清零，直至使该点应变显示为“0”；步骤5、将BWQ-1型纯弯曲梁实验装置上（如图4－7所示）的测力仪８调零（用小起子）或将ＣＬ－2测力仪清零；步骤6、完成上述步骤后方可开始加载，，由0p至maxp按增量P逐级加载，测出每一级iP所对应各点的i（即分别测得1－6点的应变值），并计算应变差值i，注意载荷增量P是否与应变差值i按比例增长（即成线性关系）。加载至maxp然后卸载，重复步骤4、5，测量二至三次。重复加载中出现偏差的大小，表明测量的可靠程度。七、实验数据处理（见材料力学实验报告）取各点应变差值i的平均值进行计算对应点的实