现代固体实验技术实验3实验3动荷因子的计算

实验报告一、实验目的和要求1、用实验的方法测定冲击应力及动荷系数，同时了解和掌握动应力的电测原理、方法及仪器（动态应变仪和计算机大容量数据自动采集等）；2、利用测试分析软件，测量梁的冲击振动固有频率；3、分析梁在冲击载荷作用下，梁的动应变形式和冲击高度之间的关系。二、实验内容和原理1.悬臂梁冲击动菏系数假设不计冲击物的变形；冲击物与构件（被冲击物）接触后无回弹，二者合为一个运动；系统构件的质量（惯性）与冲击物相比很小；不考虑被冲击构件内应力波的传播，冲击应力瞬时传遍整个构件；材料服从虎克定律；冲击过程中，声、热等能量损耗很小，可略去不计。实验表明：在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不超过比例极限,并且应变速率较低或者材料对应变速率不敏感时，在动载荷下虎克定律仍成立且E静=E动。根据能量守恒，可以获得自由落体在高度h时的冲击动荷系数理论解：ststst211dddHK下标st——将冲击锤重量当作静载加到冲击点引起的冲击点位移或者应力；下标d——冲击引起的冲击点位移或者应力；H为落锤高度，P为落锤重量。对于悬臂梁受冲击载荷，相应的静态位移与应力为3st3PcΔEIstMPcWW实测动应力为：课程名称：现代固体实验技术指导老师：成绩：实验名称：实验三冲击动应变的自动采集学生姓名学号：令狐烈2.0AddEKE仪仪其中A为2（半桥）或者4（全桥）。图1受冲击载荷的悬臂梁2.悬臂梁受冲击后的振动衰减悬臂梁在冲击载荷的作用下产生自由振动，并逐渐衰减，其振动的第一阶固有频率理论解为：032EIfmL＝0.356(5)其中：E为材料弹性模量（对于钢材2.12×1011N/m2），I为梁截面惯性矩，m为悬臂梁伸出部分的质量。由记录曲线可得实验解：01()nfttn＝三、主要仪器设备（必填）1、悬臂梁；2、悬臂梁冲击实验装置，应变片使用BX120-5AA；3、XL2102A动态应变仪，XL3402C动态数据采集分析仪，装有数据采集和测试分析软件的计算机；4、游标卡尺、卷尺、接线盒等四、操作方法和实验步骤1、测量和记录悬臂梁长L，宽b，厚h，落锤质量m，落锤下落高度H，应变片到落锤落点的距离a；采用全桥接线连接电桥2、动态测试操作过程：（1）仪器预热，待系统稳定后进行相应操作；（2）采用触发采样或者随机采样功能，按“采样”键，进行冲击实验；并调整冲击高度；（3）通过时间域波形图测读出振动周期换算出频率；通过软件的分析功能在“谱分析”功能下，测读出振动频率。3、实验结果处理五、实验数据记录和处理1、应变片布片与梁几何参数应变片灵敏度系数：K=2.02±1%，阻值R=120.2Ω±0.1Ω；梁的杨氏模量取E=212GPa，密度ρ=7.85g/cm³。图2.应变片布片方案2、器件参数悬臂梁长L/mm横截面宽度b/mm横截面高度h/mm落锤质量m/g61450.406.00435.5表1器件参数3、冲击实验实验序号落锤高度/mm落点位置/mm4×最大应变10×周期13135600.0026633130.8466821525580.0016746800.8372832105460.0020989310.84548表2三次冲击实验数据记录（波形图见附录）4、冲击实验数据处理实验序号静应力/MPa实验动应力/MPa实验动荷系数理论动荷系数误差17.90146.80218.5722.9719.15%27.8892.308411.7216.4128.58%37.71115.69315.0119.7023.80%实验序号理论频率/Hz测得频率/Hz误差113.4111.81111.53%211.94310.55%311.82811.41%表3三次冲击实验数据处理七、讨论1.频率与动荷系数实验解与理论解之间的误差分析频率误差：（1）实际振动为欠阻尼振动，由振动力学可知有阻尼振动的周期大于无阻尼振动的周期，因此实测频率小于理论频率。（2）使用的杨氏模量为212GPa，该值很可能比实际值偏高。（3）悬臂梁固定端的固定情况会影响到梁的频率，如果夹板固定不牢增加了悬臂梁的有效长度，由于固有频率与有效长度的平方成反比，这同样会使得测得的固有频率偏低。缩小频率误差可以从加固固定端、减小环境干扰的角度入手。动荷系数误差：（1）动荷系数的理论解基于这样的假设：重物落在物体上后不反弹，下落后重物永久失去的所有机械能转变为对物体做的功，但是在实验中的情况是落锤砸在梁上反弹一次后就收回落锤（目的是避免对梁的固有频率测量产生影响），这是实验得到的动荷系数比理论值低的主要原因。（2）为清楚地判断落锤的落点，在梁的自由端涂了粉笔，如果落锤下落后与笔粉接触打滑同样会造成测得的动应力偏低。（3）电阻变化具有滞后性，电压峰值可能因此偏低。减小动荷系数误差可以采用刚度大的材料制梁，或者用小质量高粘性的重物在高处落下模拟大质量重物在低处落下。2.梁固有频率和振动波形后期衰减振动振动频率有什么区别？振动波形的频率是梁所有模态的叠加，而固有频率是相对于模态而言的。但在后期衰减振动中，由于高频振型幅值小，衰减快，因此后期衰减振动的振动频率比前期受低频振型的主导更大。3.动应力测试与静应力测试有何异同，应注意什么问题？动应力测试依赖于数据采集系统，得到的是连续变化的值，只能采用全桥接法，测量误差较大，静应力测试得到的是静止稳定载荷下的应变情况，可以采用全桥、半桥、四分之一桥接法。两者的应变片粘贴思路和方式是一致的，都需要预判应变区间，区别在于测量手段。动应力测试时应注意电路桥接方式、系统调零和校准、采样频率的设置。附录：波形图第一次冲击实验：第二次冲击实验：第三次冲击实验：