第三部分 电测实验

第三部分电测实验实验五梁的弯曲正应力实验一、实验目的1、测定梁在纯弯曲时横截面上正应力大小和分布规律2、验证纯弯曲梁的正应力计算公式二、实验仪器设备和工具1、组合实验台中纯弯曲梁实验装置2、XL2118系列力＆应变综合参数测试仪3、游标卡尺、钢板尺三、实验原理及方法在纯弯曲条件下，根据平面假设和纵向纤维间无挤压的假设，可得到梁横截面上任一点的正应力，计算公式为zMyI式中M为弯矩，zI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。为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁侧面不同高度，平行于轴线贴有应变片（如图5-1）。图5-1应变片在梁中的位置实验可采用半桥单臂、公共补偿、多点测量方法。加载采用增量法，即每增加等量的载荷P，测出各点的应变增量，然后分别取各点应变增量的平均值i实，依次求出各点的应变增量iiE实实将实测应力值与理论应力值进行比较，以验证弯曲正应力公式。四、实验步骤1、设计好本实验所需的各类数据表格。2、测量矩形截面梁的宽度b和高度h、载荷作用点到梁支点距离a及各应变片到中性层的距离iy。见表5-1。3、拟订加载方案。先选取适当的初载荷0P（一般取0max10%PP左右），估算maxP（该实验载荷范围max4000PN），分4～6级加载。4、根据加载方案，调整好实验加载装置。5、按实验要求接好线，调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。6、加载。均匀缓慢加载至初载荷0P，记下各点应变的初始读数；然后分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值i，直到最终载荷。实验至少重复两次，见附表5-2。7、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用器设备复原，实验资料交指导教师检查签字。五、实验结果处理1、试件相关数据表5-1（试件相关参考数据）应变片至中性层距离（mm）梁的尺寸和有关参数y1－20宽度b=20mmy2－10高度h=40mmy30跨度L=600mmy410载荷距离a=125mmy520弹性模量E=206GPa泊松比μ=0.26惯性矩Iz=bh3/12=1.067×10-7m42、数据记录表5-2（实验数据）载荷（N）P50010001500200025003000△P500500500500500各测点电阻应变仪读数1pp平均值2pp平均值3pp平均值4pp平均值5pp平均值3、实验值计算根据测得的各点应变值i求出应变增量平均值____i，代入胡克定律计算各点的实验应力值，因1µε=10-6ε，所以有，各点实验应力计算：610iiiEE实实2、理论值计算载荷增量△P=500N弯距增量△M=△P·a/2=31.25N·m各点理论值计算：iizMyI理。3、绘出实验应力值和理论应力值的分布图分别以横坐标轴表示各测点的应力i实和i理，以纵坐标轴表示各测点距梁中性层位置iy，选用合适的比例绘出应力分布图。4、实验值与理论值的比较表5-3实验值与理论值的比较测点理论值i理（MPa）实际值i实（MPa）相对误差（%）12345实验六薄壁圆筒在弯扭组合变形下主应力测定一、实验目的1.用电测法测定平面应力状态下主应力大小及方向，并与理论值进行比较。2.测定薄壁圆筒在弯扭组合变形作用下的弯矩和扭矩。3.进一步掌握电测法。二、实验仪器设备和工具1、弯扭组合实验装置、2、力＆应变综合参数测试仪3、游标卡尺、钢板尺三、实验原理和方法1、测定主应力大小和方向薄壁圆筒受弯扭组合作用，使圆筒发生组合变形，圆筒的m点处于平面应力状态（图6-2）。在m点单元体上作用有由弯矩引起的正应力σx,由扭矩引起的剪应力τn，主应力是一对拉应力1和一对压应力3,单元体上的正应力x和剪应力n可按下式计算，xzMW，nnTTW。式中M—弯矩，MPLnT—扭矩，nMPazW—抗弯截面模量，对空心圆筒：3132zDdWDTW—抗扭截面模量，对空心圆筒：44116TDdWD由二向应力状态分析可得到主应力及其方向：212322xxn，022nxtg图6-2圆筒m点应力状态本实验装置采用的是45°直角应变花，在m、mˊ点各贴一组应变花（如图6-3所示），应变花上三个应变片的α角分别为-45°、0°、45°，该点主应变和主方向22145454504503222454500454522tg主应力和主方向2214545450450322121E454500454522tg图6-3测点应变花布置图2.测定弯矩薄壁圆筒虽为弯扭组合变形，但m和mˊ两点沿X方向只有因弯曲引起的拉伸和压缩应变，且两应变等值异号。因此将m和mˊ两点应变片b和bˊ，采用不同组桥方式测量，即可得到m、m′两点由弯矩引起的轴向应变M，则截面m-m′的弯矩实验值为4432MzMEDdMEWD3.测定扭矩当薄壁圆筒受纯扭转时，m和m′两点45°方向和-45°方向的应变片都是沿主应力方向。且主应力1和3数值相等符号相反。因此，采用不同的组桥方式测量，可得到m和m′两点由扭矩引起的主应变n。因扭转时主应力1和剪应力相等。则可得到截面m-m′的扭矩实验值为44116nnDdETD四、实验步骤1、设计好本实验所需的各类数据表格。2、测量试件尺寸、加力臂长度和测点距力臂的距离，确定试件有关参数。见附表1。3、将薄壁圆筒上的应变片按不同测试要求接到仪器上，组成不同的测量电桥。调整好仪器，检查整个测试系统是否处于正常工作状态。（1）主应力大小、方向测定：将m和mˊ两点的所有应变片按半桥单臂、公共温度补偿法组成测量线路进行测量。（2）测定弯矩：将m和mˊ两点的b和bˊ两只应变片按半桥双臂组成测量线路进行测量（2d）。（3）测定扭矩：将m和mˊ两点的a、c和aˊ、cˊ四只应变片按全桥方式组成测量线路进行测量（4d）。4、拟订加载方案。先选取适当的初载荷0P（一般取0max10%PP左右），估算maxP该实验载荷范围max700PN），分4～6级加载。5、根据加载方案，调整好实验加载装置。6、加载。均匀缓慢加载至初载荷0P，记下各点应变的初始读数；然后分级等增量加载，每增加一级载荷，依次记录各点电阻应变片的应变值，直到最终载荷。实验至少重复两次。见表2，表3。7、作完实验后，卸掉载荷，关闭电源，整理好所用仪器设备，清理实验现场，将所用仪器设备复原，实验资料交指导教师检查签字。8、实验装置中，圆筒的管壁很薄，为避免损坏装置，注意切勿超载，不能用力扳动圆筒的自由端和力臂。五、实验结果处理1、试件相关数据表6-1试件相关参考数据圆筒的尺寸和有关参数计算长度L=240mm弹性模量E=206GPa外径D=40mm泊松比μ=0.26内径d=31.5mm扇臂长度a=248mm2、数据记录表6-2实验数据载荷（N）P100200300400500△P100100100100各测点电阻应变仪读数m点45°pp平均值0εP△εP平均值-45°pp平均值mˊ点45°pp平均值0°pp平均值-45°pp平均值3、实验值计算表6-3实验数据载荷（N）P100200300400500△P100100100100电阻应变仪读数弯矩Mpp平均值扭矩npp平均值1.主应力及方向m或mˊ点实测值主应力及方向计算：2214545450450322121E454500454522tgm或mˊ点理论值主应力及方向计算：212322xxn，xntg2202.弯矩及扭矩m-mˊ实测值弯曲应力及剪应力计算：弯曲应力MME剪应力11nnE弯矩4432MzMEDdMEWD扭矩44161nnEDdTDm-mˊ理论值弯曲应力及剪应力计算：弯曲应力4432MDDd剪应力4416nMDDd弯矩MPL扭矩nTPa3.实验值与理论值比较（1）m或mˊ点主应力及方向比较内容实验值理论值相对误差/%m点1/（MPa）3/（MPa）0/（°）mˊ点1/（MPa）3/（MPa）0/（°）（2）m-mˊ截面弯矩和扭矩比较内容实验值理论值相对误差/%M/（Mpa）n/（Mpa）M/（N·m）nT/（N·m）六、思考题1、测量单一内力分量引起的应变，可以采用那几种桥路接线法？2、主应力测量中，45º直角应变花是否可沿任意方向粘贴？3、对测量结果进行分析讨论，误差的主要原因是什么？第二章电测实验原理与仪器2.1电测法的基本原理电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变—应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应力。其原理框图如图1.5.1。2.1.1电测法的优点1．测量灵敏度和精度高。其最小应变为1με（με—微应变，1με=10-6ε）。在常温静态测量时，误差一般为1～3%；动态测量时，误差在3～5%范围内。2．测量范围广。可测±1～2×104με;力或重力的测量范围10-2～105N等。3．频率响应好。可以测量从静态到数105Hz动态应变。4．轻便灵活。在现场或野外等恶劣环境下均可进行测试。5．能在高、低温或高压环境等特殊条件下进行测量。6．便于与计算机联结进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。敏感元件测量仪器光、电、机传感器数据采集与处理图2.1.1电测技术原理图2.1.2电测法测量电路及其工作原理通过电阻应变片可以将试件的应变转换成应变片的电阻变化，通常这种电阻变化很小。测量电路的作用就是将电阻应变片感受到的电阻变化率△R/R变换成电压（或电流）信号，再经过放大器将信号放大、输出。测量电路有多种，惠斯登电路是最常用的电路，如图1.5.2。设电桥各桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4，其中任一桥臂都可以是电阻应变片。电桥的A、C为输入端接电源E，B、D为输出端，输出电压为UBD。从ABC半个电桥来看，A、C间的电压为E，流经R1的电流为被测物体电量欲测量物理量力学量机械量生物参数电压电流数字量图2.1.2112EIRRR1两端的电压降为11112ABREUIRRR同理，R3两端的电压降为33334ABREUIRRR因此可得到电桥输出电压为RRRRERRRRRRERRRERUUUADABBD43213241433211由上式可知，当1423RRRR，或1324RRRR时，输出电压UBD为零，称为电桥平衡。设电桥的四个桥臂与粘在构件上的四枚电阻应变片联接，当构件变形时，其电阻值的变化分别为：R1+△R1、R2+△R2、R3+△R3、R4+△R4，此时电桥的输出电压为RRRRRRRRRRRRRRRRUEBD4422113322441133经整理、简化并略去高阶小量，可得RRRRRRRRRRRRUEBD4433221122121当四个桥臂电阻值均相等时即:R1＝R2＝R3＝R4＝R，且它们的灵敏系数均相同，