力学实验技术教学大纲

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ExperimentalTechniqueofMechanics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3．Photomechanics,P.K.Rastogi,Springer,19994．Opticalmeasurementtechniquesandapplications,P.K.Rastogi,ArtechHouse,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（200－400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45º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±0.5Ω以内；d)将502胶涂抹在应变计背面，用聚四氟乙稀薄膜盖住，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。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：24Lhf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ε仪，则：KKRR仪仪其中K仪通常为2.00；K为待测的应变片的灵敏系数。因此，有：2/4/LhfKRRK仪仪此外，应变片的横向效应系数H为：LBKKH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R0受拉应变ε1；应变片R90因泊松比效应受压应变ε2＝-με1，用电阻应变仪分别测量ε1仪和ε2仪，若其电阻相对变化为100RR和29090RR，则：121129090221111001)()(BLLBBLBLKKKKRRKKKKKRRK仪仪仪仪其中：K仪为电阻应变仪的灵敏系数，一般取K仪＝2.00；μ为等强度梁的泊松比。将上式简化得：HHHKHKLL1)()1(1121＝仪仪推导出H的计算公式：仪仪仪仪＝2112H其中，若ε1仪为正，则ε2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UCAM－10B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：2)(3EbhrLPE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：12,333bhIEIPLf应变计处的应变ε为：EbhPxE26由此可得：hxLf323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0K及观察方向矢量1K与表面位移方向（沿物面法线方向）间的平均角度0和1。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,因而位移分量可按