第一章力学CAT体系

第一章 实验力学与力学 CAT 体系
1.1 固体的力学实验 1.1.1 实验的概念 实验涵盖了测量、检测、监测、测试、试验、数值仿真等内容。其根本任务 是认识和利用客观物体(客体)的运动规律。 测量是将客体的运动信号通过一定的工具转换为人可以接受或可以利用的 物理量的过程。测量的基本方法是将被测信号量与物理定量（物理量单位或实测 标定量）进行比较，获得被测量对标定量的倍数，这种测量倍数称为测量数据。 测量数据可由人们能接受的数字、图形、数值模型等形式实时或后继显示出来以 应用于客体性能分析、工程设计、安全预警、产品检验、理论归纳等各种目的。 测量包括物理信号的比较、处理、传递。物理量的比较量化过程称为信号比 较，即，通过比较量化获得物理量相对于物理定量的倍数信息；信号处理表示对 比较所取得的信息量进行变换、放大、计算等，目的是提高信息的确定性和可靠 性，便于传递和显示；信号传递意为测量信息由一处传送至另一处。测量数据通 过人视觉感观能识别的数字与曲线方式显示出来， 并依靠手工记录与计算机存储 器件完成数据存储。 实验是指将受测对象置于一定的环境和状态下应用测量工具完成物理量测 量并应用分析工具处理物理量测量信息，进而认识受测对象客观规律的过程。力 学实验是通过特定的力学测试工具对在外部环境与载荷作用下结构和材料的变 形、应力的行为规律认识过程，其目的是将所认识、归纳的普适理论应用于结构 的数值仿真、安全控制和优化设计。对受测体进行实验必须首先完成测量过程， 然后对测量结果进行特性提炼和规律性分析， 是人类对自然客体从不知到知的过 程。简而言之，实验＝测量＋分析。 检测或监测是通过对受测对象的物理量进行测量， 以判断其是否符合要求的 过程。 数值仿真是利用基于经实验验证的、 具有普适性的数理方程组而发展起来的 有限元方法并通过计算机有限元分析软件获得对客体力学行为的数值响应规律。 数值仿真实验是利用计算机和已知理论工具对复杂未知客观实体运动规律的再 认识过程。 从广义的角度，名称“实验”等同于“试验”和“测试”而区别于“测量”。 事实上，英文 Test 的中文译名既可以是“实验”，也可以是“试验”或“测试”， 而“测量”英文名称是 Measurement, 它是一种“测度”的概念。“试验”一词 习惯上多用来强调对未知领域的探索（飞行试验，人体试验，新材料试验），以 及探索过程中的阶段和采用的手段， 如常用 “试验参数” 、 “材料试验机” 、 “试 验方案”、“试验准备”、“试验控制”等等；“实验”则偏于强调对设想、理 论和既有知识的验证性测试，如常用“实验验证”、“实验数据”、“实验课”、
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“理论与实验”、“科学实验”等；“测试”相对“实验”或“试验”用法上比 较中性，无习惯上的用法限制，所以应用词频较高。严格地讲，文字“实验”、 “试验”与“测试”在科技交流中意义是等同的，原则上可以互换，但在同一篇 文献中使用时应尽量做到用词统一，如欲交叉使用可适当顾及习惯用法。 在认识论上（如图 1.1 所示），人类的认识过程是从 A：客观个体到感性认 识、B：感性认识到理论抽象（局部到整体）及 C：抽象的理论再应用于客观个 体（整体到局部）的过程，A-B-C, C-A-B 两种认识过程都是实验过程，C-A-B 过程是实验的高级阶段。A、B、C 阶段的循环往复过程使人类的认识水平螺旋式 上升。在力学实验领域，客观测试对象包括客体原型（零部件、全尺寸结构）以 及客体模型（缩小模型、抽象简化模型、数值仿真模型）。通过测量获得对受测 客体的力学量和破坏行为的感性认识。 在测量信息基础上进行提炼、 归纳、 总结， 以实现对客体测试对象力学行为的规律性认识，并基于合理假设、正确推导实现 力学行为规律描述的数学 解析模型或数值模型，最 终达到客体力学行为认识 的理论高度。 1.1.2 力学实验的内函 对构件原型的力学测 量是利用测试装置来感应 受测构件的物理量信号变化并将信号变化转化为可识别的力学量信号。 力学测量 会受到不同因素的影响，不可避免地存在测试误差。误差大小主要决取于测量工 具的精度和测试方法的正确与否， 有时直接测量结果或许会完全背离构件的实际 受力状态。一般来说，对构件原型的力学测量是在构件特定部位的局部力学参量 测试，所获力学量的代表性由所选测点部位的重要性决定。通过构件原型力学实 验可以发现人们未知的或意科之外的现象， 不仅可用于质量控制也可用于结构改 性或进一步提出问题由力学模型（试样模型或数值模型）实验解释。 对力学模型的测量是将构件原型作抽象简化，加工成相同材质、构形相对规 则的试验样品(试样)或者采用相似比拟的方法将构件原型缩小加工成试样然后 进行的测量。若采用相似比拟的方法，模型选材也可与原型相异。模型实验的目 标是将测量结果通过影响因素修正运用于构件原型的设计与安全评定。 力学模型 测量除了存在测量误差，还包括构件原型到模型及模型到构件原型的转换误差。 模型实验通常在实验室进行，实验条件相对构件原型的现场工况理想。模型实验 虽然较构件原型实验脱离了复杂的实际运行条件， 但因其可以较方便和经济地调 整材料与试样几何因素以及各种受力与环境因素并测量各类因素对力学行为的 影响，故可用以获得对构件原型的力学现象与规律的抽象认识，从而不仅对结构 设计与安全防护具有实验与理论指导意义， 还可以为有限元仿真分析所依赖的材 料代表性单元弹塑性本构理论关系、损伤演化规律提供充分的力学基础规律。
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图 1.1 认识论与力学认识

二十世纪九十年代以来，数值仿真模拟在经济性、方便性、可靠性等方面已 经有了令人惊奇的进展。CAD 三维图形设计技术的飞速发展使得建立更为接近构 件原型的有限元计算模型成为可能， 同时计算机技术的高速发展使得即使在家用 计算机上实现建模和运算也变得越来越高速、方便、经济、普通。特别是在理论 上已较成熟的弹性与比例加载弹塑性材料力学、运动力学范畴，有限元数值仿真 已经有广泛的实用性 （人们已经可以完成类似汽车碰撞过程中人和汽车构件的运 动、受力直至破坏的过程）。数值仿真引伸出优化设计与仿真实验。一方面可以 通过调整仿真结构或载荷与约束状态使结构构形趋于合理， 另一方面可以通过调 整仿真模型约束条件、载荷条件、运动条件使仿真模型与构件原型对应测量部位 的应力或变形相同，这样，对构件原型不宜或难以实测的部位可以得到较为真实 的结果， 而且还可以对仿真模型施加因安全考虑不允许施加在构件实验原型上的 现实边界与载荷条件。仿真实验是最为有前途的实验方法。但是仿真实验的上述 优点是有限的，即，它的计算模型必须建立在成熟的理论基础上。由于诸如非比 例加载条件、多面接触、微动磨损、非均质材料、微尺度效应等条件下材料弹塑 性变形与损伤演化的一系列理论或规律认识还远未成熟， 因而在这些领域内数值 仿真所依赖的理论还需要完善，还需要模型实验规律的支持。 图 1.2 给出了实验力学的任务类型与相互关系。 三类实验间的关系为互补关 系，构件原型实验离不开仿真实验的指导，数值仿真在理论基础上离不开构件原 型和模型实验提供的力学现象与规律， 仿真模型需要构件原型或构件模型上特定 测点的校核，构件原型测点或模型试样的设计要依靠数值仿真实验结果的指导。
图 1.2 实验力学的任务、性质与相互关糸 无论那种实验方法都是人通过特定的工具实现对运动与静止客体的认识。 由于 实际构件原型复杂（如，几何、约束、载荷等条件复杂），因此各类实验测量对构 件原型力学变化所反映的真实程度必定有一定距离，这个距离便是误差，它由材料 分散性、测量工具精度、环境的变化、人为造成及测试方法等因素引起。误差越小 则实验所反映的构件原型的力学规律越真实。
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传统观念认为构件原型的直接测量更能反映实际，力学试样模型实验次之， 数值仿真模型（如有限元模型）实验更次之。这种认识有偏颇。事实上三类实验 的重要性应根据各自的特点和相互关系视具体情况而论。 实验的内涵可表述为如图 1.3 所示的框图，本质上就是测量加分析。实验力 学的任务就是利用电测、光侧等工具将测试对象的力、位移、应变等力学物理量
P 转化为模拟量 V，并将模拟量（如电压）数字化送给计算机处理后得到具有一 定误差带±e。的测试对象物理量的固有规律：P'=P(x1,...,xn,t)±e。x1,...,xn为影响 物理量P 响应规律的制约因素，t 表示时相关量。
分析工具
P→测量工具→ v →P'
人与知识 图 1.3 实验过程框图 1.1.3 实验中人的主观作用
P'=P(x1,...,xn,t)±e
在学习与应用实验技术与方法时， 人的主观因素对实验结论真实性认识起到 决定作用，树立正确实验观，有利于培养正确的科学观，对指导实验者的科研实 践有深远意义。实验者应注意： (1) 实验涉及知识广泛，应密切注意和不断吸收相关学科的发展与知识; (2) 实事求是，切忌人为臆造（主观造数和习惯性思维），但也要考虑实验 误差的因素力求去伪存真（通过分析消除误差和伪现象）； (3) 在科技发展中，“理论”与“实验”相互依存、相互促进， 割裂之间的 相互联系，孤立强调任何一方面的作用都不可取； (4) 物理概念与定量分析相结合, 注重从构件原型系统中抽象出力学模型和 数值模型，注重以正确物理概念与理论指导实验设计、实施与分析； (5) 重视实验过程中影响测试精度的各个环节， 进行充分而规范的实验准备， 严谨的实验准备与数据分析是实验成功、结论正确的首要保证； (6) 重视提高计算机的应用能力，有能力实现实验任务的计算机辅助设计与 实验控制，有效应用计算机辅助测试软件高效率地提取实验规律； (7) 在实验过程中注意锻炼创造性思维能力， 学会创造条件完成创造性实验。 理论、实验都是获取客观规律的方式，源于实验获取假设并根据力学基本方 程和数学工具 （包括解数理方程组的有限元工具） 获得力学规律认识的间接方式， 实验是根据设备信号测试直接获取现象认识的直接方式， 两类方式或混合方式都 是认识论的基础，不可割裂，不能论轻重，对于科研工作者，应创造条件，努力 提高理论与实验的科研综合能力。 现代科技中，实验和理论难以独立认识规律，刻意轻视理论或轻视实验都不
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正确。 实验设备、测试精度与过程、实验方法是客观提取规律的关键，不能重复的 实验或经不起再实验检验的实验，不能被理性解释的实验，不了解误差范围的实 验与理论的结果是存在问题的。“只要是理论的就是可信的”或“只要是实验的 就是正确的”，都是错误理念。 通过实验认识规律，切忌：创伪（无中生有、扭曲作直）和片面（挂一漏万、 盲人摸象）。可以根据反映客观规律的最小二乘原理进行数据回归、光滑化，可 以根据实验数据获得理论方程参量，不可无根据的增添数据和改造数据，必须坚 持正确的科研态度。 1.1.4 实验力学课程性质与任务 实验力学是固体力学专业的一门主要专业技术课， 它的任务是在已学过的物 理学、计算机学、电学、力学等相关课程的基础上，学习通过实验方法获得零构 件和模型试样中应力、应变、位移及外延力学量的技术和知识。课程在认识论上 涵盖了图 1.1 所示的Ａ、B、Ｃ三范畴。要求通过课程学习，了解应力、应变和 位移的一些常用的计算机辅助测试(CAT)的方法和原理，并具有一定的运用现代 CAT 技术的动手能力、分析解决问题的能力，树立创新意识。 学习实验力学应理解力学实验技术在应用上的目标与意义： (1) 测定力学模型的力学量，测试数据和结论可用于设计构件的合理尺寸、改 进材料工艺、优化结构设计； (2) 测定构件原型和力学模型的真实应力、应变状态，确定发生最大应力、最 大变形的位置与数值，评估构件的安全可靠性，为提高构件承载能力和确 定剩余服役期提供科学依据； (3) 对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措施，防止再次出现破坏或失效 现象； (4) 探索材料与构件的力学响应规律，有利于发现新现象、新规律，有利于理 论验证和理论创新。 广义来说，实验力学提供了对物理模型或构件原型通过力学参量测试与数值 仿真而完成构件原型强度分析的方法。广义实验力学的技术与方法涉及广泛，包 括： (1) 结构与零构件原型与力学模型的 CAT 测试技术（包括虚拟仪器测试技术） 与应用； (2) 固体与流体的力学实验技术与应用 (3) 材料与结构的强度与振动测试技术与应用，包括电测技术与应用，断裂与疲 劳力学测试技术与应用，结构模态测试技术与应用； (4) 力学光测技术与应用，包括光弹性法、云纹法、焦散法及激光全息技术和应 用；
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(5) 远程测试技术与应用； (6) 微纳米测试技术与应用； (7) 基于有限元分析的数值模型仿真实验。 广义实验力学是力学、材料学、计算机学、电学、光学、机械学等学科的 交叉学，是 CAT 测试技术与有限元数值仿真技术的交叉学。实验力学的广义力学 模型包括：①结构模型：结构构形与几何尺寸、制造工艺有一定程度变动的实际 结构样品；②试样模型：为强调特定力学参量与应用而特殊设计的试样；③相似 物理模型：按量纲相似规则将结构原型比例缩小的模型；④有限元模型：有特定 几何尺寸、边界约束条件和加载条件的数值试样；⑤参量数值模型：根据数学、 力学原理将力学参量的实验数据进行趋势回归得到的数值方程；⑥理论模型：具 有物理背景的反映力学规律的数学导出方程。 传统意义上的实验力学即实验应力分析，包含电阻应变测试技术和光弹性测 试技术。 曾在二十世纪七十至八十年代较为盛行的光弹性力学因具有完善的理论 体系而在实验力学中占有十分重要的地位， 它通过采用光弹材料模型来相似模拟 实际构件的弹性应力场和位移场，并通过光学原理获取应力和位移信息。由于九 十年代以来弹性有限元前后处理技术的发展已经达到了极为完善的程度， 使得数 值力学模型对实际构件的模拟可以达到十分真实的程度，且分析价格低廉、分析 周期极短，因此近二十年光弹性力学在较大程度上已经失去了应用价值。但是作 为现代测试技术代表的光测技术在力学应变与位移量的测试中以及在材料的微、 纳米测试中越来越起到不可替代的作用。 实验力学的内容广泛，作为工科力学专业的主干课程应选择与不同高校实验设 备条件配套的适宜内容制定课程教学计划。本教材基于 CAT 测试技术理论框架，介 绍物理单位制、误差分析方法、数据表达方法、数值模型方法、数据分析工具技术、 数据采集技术、传感器技术、材料试验机技术和虚拟仪器技术等内容，重点介绍应 变电测技术与应用和断裂与疲劳力学测试技术与应用。 1.2 力学ＣＡＴ体系 1.2.1 力学实验技术发展三个阶段 随着生产和科学的发展， 现代实验技术经历了三个发展阶段， 即人的动、 感、 思维等器官主要参与测试的人工测试阶段，电阻应变式传感器、伺服驱动装置、 电信号调节器、简单逻辑单板机等构成测试系统的自动测试阶段，以及以测试软 件主导先进仪器测试的计算机辅助测试阶段。 (1)人工测试 在早期人工测试中，人的动作器官、感觉器官、思维器官主要参与了测试过 程，由于人具有主观能动性，因而人工测试具有一定程度灵活性和适应牲，且物 质投资小。但人体存在生理限制和个体差异，手眼反应的精度、灵敏度和耐久度 均较差。人工测试不适于高速度、高精度、高数量和高复杂度的测试，也难完成 多数据的实时记录与实时分析。直到八十年代初，人工测试仍占主导地位。比如
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早期的油压式万能材料试验机直到现在还在一些要求不高的场合应用。 在如图 1.4 所示的早期油压试验机材料拉伸实验中， 以人体器官为主体参与 了测试全过程。眼、脑、手等人体器官在实验中的扮演了重要角色，其中，眼充 当重要的传感器件，用于向大脑反馈反映压力程度的压力表指针转角信号θ；脑 充当逻辑器件，用于根据反馈信号θ和指令信号θ0(目标压力)判断测试进程，确 定是否继续旋转压力阀给试件施压， 若判断为θ?θ0<0， 则脑指挥充当伺服驱动器 的手旋转压力阀施加增压动作，若判断为θ?θ0 =0，则指令手停止旋转压力阀以 保持当前目标状态或结束实验，若判断θ?θ0>0，则指令手施以减压动作。 在测试中如果只用脑和手或只用眼参与测试，则测试过程为开环式，当眼、 脑、手同时参与测试，则测试过程就具备及时可调性和可控性，这时的测试过程 为闭环式。闭环原理就是将指令信号施加于测试对象，对象受指令驱动后其响应 通过传感器形成反馈信号并传入逻辑器实现指令信号与传感响应信号的比较， 随 即逻辑器将两者之差作为新指令施加于测试对象上。 如此反复直至指令与响应协 调稳定（偏差为零）。所谓开环测试就是上述过程中指令与响应信号不经历逻辑 比较过程。此外，在测试过程中，眼、脑、手等器官还可充当信息存储器(记忆、 记录)功能，肤、口、鼻、耳等感官还可充当温度、材料成分、声音传感器件。
目标θ 0
眼观察θ 信号传感器
θ-θ 0<0
脑力判断 θ-θ 0
θ-θ 0=0
θ-θ 0>0
手驱动增压 手驱动减压 结束
a) 测试情景图片
b) 测试过程框图
图 1.4 人工手动测试 当人的动作器官、感觉器官和思维器官被具有简单逻辑功能的程序单扳机、 力学传感器、信号调节装置、伺服式液压或电机驱动装置以及笔式 x-y 记录仪所 取代来完成力学测试，则力学实验技术的发展进入到自动测试阶段。 (2)自动测试 在上世纪六十～八十年代间，在闭环系统中广泛采用的程序单板机、电信号 自动调节装置、电信号发生装置、电液伺服驱动装置、各类传感器以及笔式记录 仪均得到了很大发展， 由电子测试装置组成的各种测试系统大大降低了测试对人
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工的依赖性。人们只需完成设备初始化，即对设备开关、旋钮、按键完成初始调 节或作简单指令初始录入，则后继测试均可自动完成。 自动测试的特点是，在自动调节装置或程控装置的控制下，由力、位移、应 变传感器将被测物理量自动转换为电量， 并广泛采用数字表和 x-y 记录仪进行自 动显示和记录。自动测试系统的测试器件与逻辑程序取代了人体器官的作用，在 各类简单重复性测试工作场合大大提高了实验的准确性、可靠性和效率。当然， 早期自动测试装置中的逻辑程序运算简单、功能单调、通用性差，ROM、RAM 寄 存器和磁盘存储器允许的数据容量十分有限(数十至数百 kB)，远不能满足智能 测试需要。 早期以单板机作控制器的材料电子拉力试验机以及目前正在大量应用 的低价位数控机床就是自动测试的典型例子。 (3)计算机辅助测试 二十世纪八十年代以来，计算机的迅速发展促进了 CAT(Computer Aided Testing)技术的广泛应用，引起了测试领域的巨大变革。在 CAT 阶段，伴随着计 算机硬件的飞速发展，视窗系统软件、各类可视化视窗测试应用软件成为测试中 的主体(图 1.5)。 视窗化测试软件的智能性、自动性、可扩充性、通用性、环保性以及计算机 对测试数据的分析复杂性与存储巨容性， 使得测试链中的电子仪器仪表等硬件结 构设计大大得到简化并促使一些自动仪器被淘汰（如单板机，X-Y 记录仪），软 件给测试提供了更安全的操作、更迅速和复杂的测试运算、更灵活的数字与数据 曲线视窗显示、 更人性化的虚 拟设备视窗面板。 计算机在测试中的主要 作用包括： à 设计测试参数， 初始化测 试装置； à 设计与控制激励信号， 程 控不同复杂程度的测试 过程； à 对测试响应信号进行数 据的实时采集、 实时显示 和实时存储， 在测试中完 图 1.5 计算机辅助测试 成复杂逻辑运算与判断和并在测试后辅助完成实验规律分析等后处理任务； à 在软件中设计大量逻辑阀， 应用于对测试进程、 软件的功能模块、 测试数据、 测试硬件进行协调管理及对测试硬件链和软件模块链各环节进行安全自陷 处理； à 利用计算机网络，完成实验数据、实验图象远距离实时传输与实验控制以及 完成异地协同测试。
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信息网络化正迅速深入到人类活动的方方面面，CAT 的计算机系统也必然将 朝着利用网络通讯输入输出实验信息的方向发展。 应用因特网与局域网可实现对 视频、音频、测试通道数值信息的远距离、多点、实时传输与控制。网络的特点 是远程通讯和资源共享，因此 CAT 在实时远程测试、实验会诊、特殊条件测试、 实验数据共享等协同测试领域将大有发展前途。 计算机辅助测试的突出优点是用软件控制实验： à 应用软件资源提高了实验的准确性、 高效性、 可靠性、 经济性， 而且投资小、 收效大，性能价格比好; à 测试软件由内存程序和固化程序（硬件 CPU）组成，具有很强的测试适应性 和灵活性，可以满足多种变化的实验设计、控制、数据分析； à 通过设备的接口设计、软驱动设计、视窗面板设计使传统自动仪器蜕化为称 作虚拟仪器 VI(Virtual Instrument)的模块化视窗设备。 力学 CAT 是力学、电测技术、力学测试应用技术、计算机技术交叉发展的必 然结果。力学 CAT 在力学实验中的应用是多方面的，下节将简要介绍三种典型 CAT 应用。 1.2.2 典型力学 CAT 系统 (1)用于材料试验的 CAT 系统 为了对材料产品进行质量与强度检测、结构设计，常常需要按照规范得到材 料的单轴力学参数、判据，如：屈服、抗拉强度、断裂韧性、疲劳强度、泊松比 与弹性模量等,也需要得到参量的变化规律，如：单轴疲劳曲线、裂纹扩展规律、 循环本构关系等。为了利用有限元软件进行结构的弹塑性应力应变场分析，还需 要得到单轴拉伸条件下结构材料的单调本构关系。所以完成材料单轴实验的 CAT 系统有广泛的工程应用。 如图 1.6 所示，用于材料单轴性 能测试和疲劳行为实验的典型 CAT 材 料试验系统包括： (1)加力机架（Load frame） à 载荷传感器 P/A（Load cell）、 à 变形传感器 P/A(Deformation transducer) à 材料试样夹具(Grips) à 环境装置(Environmental devices） (2)控制器（Controller） à 信号调节器 A/A (AC、DC conditioner) à 数据采集器 A/D 和函数发生器 D/A，也称为模数和数模转换器(Analog to digital or digital to analog)
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图1.6
电液伺服材料试验系统

à 伺服驱动器 A/P (Electromotor or servo valve controller) (3)电动或液压伺服装置(Servo apparatus) (4)计算机系统（Computer system: hardware and software） à 计算机外设（打印机、光刻机、网络等） à 软件（操作系统软件：Os/2、Win9x/NT/2000/xp 等，应用软件：硬件管理 平台软件、专项单轴性能测试软件，分析处理软件：MS Excel、MS Word, MATLAB 等） 事实上， CAT 材料试验系统属于闭环系统。图 1.7 给出了用于材料单轴性 能测试的 CAT 系统的闭环测试原理简图。图中反馈通道包括了 P/A、A/A、A/D 器件，激励通道包括了 D/A、A/A、A/P 器件，逻辑比较器及函数发生器通常由固 化于控制器 CPU 插件的程序模块和计算机应用程序的逻辑模块构成。实验过程 中， 函数发生器发生的数字波形指令信号与反馈信号通过逻辑比较器得到比较误 差 error,该差值经由激励通道中的 D/A 器件转换为模拟电信号，经过 A/A 调节 器将信号转换为可以驱动 A/P 伺服器的电信号；伴随 A/P 驱使材料试样受载，反 馈通道中的 P/A 传感器将感应到的材料变形或载荷信号经过 A/A 信号调节放大、 滤波后被 A/D 转换器变换为计算机可以识别的数字反馈信号， 这个信号由计算机 加以实时显示、存储和分析。应用指令信号与反馈信号的比较误差来控制试验是 CAT 闭环控制系统的重要属性。 目前国际上较为知名的材料试验系统包括美国 MTS、英国 Instron 和德国 Zwick/Roell 等公司的系列材料试验机，其新机型可通过局域网实现单基站多台 试验机试验控制或带有自动制备试样、机器人装卸试样、全自动流水试验的试验 能力，其 CAT 发展水平领先于国际同行材料试验设备。
反馈通道
传感器 信号
反馈 信号 函数 发生器
指令信号 时间
闭环控制 逻辑比较 伺服阀 控制
程序 指令信号
激励通道
信号输出
图 1.7 用于材料单轴性能测试的 CAT 闭环控制
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(2) CAT 应变动态测试系统 在工程结构制造过程中、完工交付前、运行期中与期满的各个阶段，常常根 据不同的安全目的需要对结构件进行力学测试相关的安全检测与监测报警， 以及 为制定现有结构的检修规程及其优化设计需对现有结构原型或实验模型在现有 工作环境下进行多点载荷谱、应力与应变响应的测定，为此用于动、静态应变数 据采集的如图 1.8 所示 CAT 应变动态测试系统被广泛应用于工程中。
测试通道 0
计 算 机
接 口
A/D … A/D
A/A … A/A
应变电桥 … 应变电桥
P/A … P/A
电阻 应变计
测试通道 15
构 件 变 形
多通道 数据采集器
应变仪
图 1.8
CAT 应变动态测试系统
CAT 应变动态测试系统属于开环控制系统，具有多点反馈测量通道，P/A 器 件多采用电阻应变计(Strain gage)，CAT 应变测试系统包括： (1)电阻应变计 (2)多通道 A/D 转换器(A/D converter)与数字接口 (3)动态应变仪(电信号放大器)与连接电阻应变计的电桥盒 (4)屏蔽测试导线 (5)计算机系统 □ 便携式或台式计算机 □ 外设(打印机、网络等) □ 软件(操作系统软件：DOS、Os/2、Win95 等，应用软件：数据采集软件、 分析处理软件等) (3)超声疲劳的 CAT 系统 疲劳破坏是材料构件最常见的形式。以频率划分疲劳试验类型通常可分为低 5 周疲劳、 高周疲劳和超声疲劳。 低周疲劳实验循环次数低于 10 次， 频率低于 20Hz， 试样变形的塑性分量对疲劳损伤有较大的贡献，这类实验通常采用如 MTS、 Instron、岛津、新三思等公司制造的各型电液伺服材料试验系统。对于试样塑性 变形可以忽略不计的高周疲劳实验，实验频率通常为 100Hz 左右，这类实验主要 通过电磁式高频疲劳试验机控制应力幅来完成。当实验应力较小时，材料疲劳破 坏的寿命常常超过 107 次， 如果用普通的高频疲劳试验机则因实验耗时太长而不可 能完成实验研究。超声疲劳试验系统从 1950 年 Mason 疲劳机开始发展了几十年， 只是八十年代以来由于采用高性能计算机与数据采集器的辅助控制，超高周疲劳 研究才得以展开。超声疲劳 CAT 系统的进步使得低应力、高达 1010 次的超高周疲 劳研究与应用开始展现出可喜的应用前景。 超声疲劳 CAT 系统的结构与原理如图 1.9 所示。 典型的超声疲劳 CAT 系统具
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有如下特点： à 试验频率(Frequency)保持 20kHz； à 采数速度：采样间隔 sampling interval =200～300μs（Basic 环境，A/D 转换器转换速度并不十分高） à 试样的应力由试样的振动位移幅值折算得出；
Converter
Power G
A/D D/A
PC Specim
图 1.9 超声疲劳系统 à 试样尺寸通过有限元算出。 超声疲劳 CAT 系统的测试部件包括： (1)A/D 和 D/A 转换器； (2)位移放大器(Horn)； (3)高频信号发生器(产生 20khz 高频电压信号)； (4)压电式磁伸缩传感器(可将 20kHz 正弦电压信号转化为具有 20kHz 的振动位 移)； (5)计算机及软件(给定试验参数，设计试样形状，实时调整试验位移幅值，采 集实验数据)。 1.2.3 CAT 系统的基本体系 (1) CAT 系统的一般构造 已从前述获知，力学 CAT 系统在运作方式上有闭环系统和开环系统之分，它 们都离不开 4 大基本系统：计算机系统、传感反馈系统、伺服激励系统、对象系 统，7 种基本硬件 PC、D/A、A/P、A/A、P/A、A/D 和 P(受测物理量)。力学 CAT 的基本体系流程图如图 1.10 所示，图中 CAT 系统的传感输入系统、指令输出系 统均为单通道， 事实上， 存在多通道的 CAT 系统， 如欲采集材料试样的力和位移， 则输入系统具有双通道；欲对轴扭薄壁试样进行轴扭控制和力学响应测试则 CAT 体系的传感输入系统可有 4 个通道 （轴力、 扭矩、 轴向标称应变、 扭向标称扭角） ，
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k1
计算机系统
D/A
A/A
A/P
对象系统
Computer
数字接口 A/D
驱动(激励)系统
A/A P/A
k3
P k2
k4 k5
传感(反馈)系统 I O CAT 基本体系
图 1.10
指令输出系统共有 2 个通道（4 通道输入系统的任意两个通道）；对于模拟道路 工况的汽车试验 CAT 系统，CAT 通道将更多，控制将更复杂。 (1)传感反馈子系统（Feedback system） 它的功能是将所测试的力学参数 P 输入到计算机， 参数 P 一般为非电模拟量， 而目前计算机所用的中央处理器绝大多数是数字电子计算装置， 只能接受电数字 量，因此需对参数 P 进行变换。 P/A 为传感器， 将非电模拟量 P 转换为电模拟量 VP （力学 CAT 中常为电压） 。 传感反馈子系统通过 P/A 传感器感应被测力学量，以实现信号的采集、实时监视 与报警。常用 P/A 传感器分为电阻式和非电阻式。电阻式传感器包括电阻应变计 和以电阻应变计为基本感应元件的载荷传感器、 位移计、 应变计、 加速度传感器； 非电阻式传感器包括半导体应变计以及压电式、电容式、电感式等位移传感器。 A/A 是电模拟变换装置，它可以将传感装置送来的模拟电压信号 VP 通过整 流、放大、滤波变为规则的、符合一定量程的电模拟量 VV。A/A 装置见于材料与 结构实验用成套试验系统中的各类信号调节器， 也常见于应变测试用的动态应变 仪和静态应变仪。 A/D 是模/数转换装置，就是通常称为的数据采集装置，它可以将电模拟量 VV 转换为计算机可识别的电数字量 PD。 (2)伺服激励子系统(Servo-control system) 它的任务是由中央处理器向测试对象及装置发出各种控制信号、 应急处理命 令、激励信号等。由于计算机输出的是数字量，而测试对象一般为非电模拟量， 因此也需经过变换。 D/A 是数/模转换装置，可将电数字量 PD 转换为电模拟量 VV； A/A 对电模拟量进行变换， 将 CAT 系统的标准量程电压 VV 转换为伺服装置可 以接受的电信号 VP（如电磁液压伺服阀的输入电压信号）； A/P 将电模拟量变换为非电物理量 P，此环节实质上是通过电信号 VV 使执行 机构 （如电磁离合器、 伺服电机、 电液伺服阀等） 对受测对象施加力或位移行为。
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(3)计算机系统(Computer system) a.计算机系统的硬件 目前计算机基本硬件仍以冯.诺依曼机为主，包括：运算器、控制器、存储 器、输入和输出部分。一台相对完善的现代多媒体 PC 计算机应包括： □ 运算器与控制器[CPU、Main board]； □ 存储器[RAM Memory、Hard disk、Floppy disk、CD-R/RW or DVD-RW Disk， Flash Memory：USB disk、CF(Compact Flash)Card、SD(Secure Digital)Card]； □ 输入设备[Keyboard、 Mouse、 Scanner、 camera、 Microphone、 Pen、 MPEG card、 SCSI card、A/D card、Net card]； □ 输出设备[CRT(cathode-ray tube)、Display card、Sound card、Printer、 Ploter、MPEG card、D/A card、Modem]； □ 接口[数据总线接口：ISA、PCI，加速图形接口：AGP，并行接口：RS232 与串行接口：Com、USB、IEEE1394 以及网络集线接口：NET Card、HUB]。 输出设备用于输出各种软信息，如测试结果、报警信号、图形等；输入设备 用以向计算机输入各种软信息， 如程序、 原始数据、 操作员命令、 图形与图象等， 多媒体语音输入、 红外输入等遥控信号输入装置在 CAT 系统中将有广泛的应用前 景；RS232 并行接口、COM 串行接口以及 USB 通用串行接口等常见接口用来在计 算机、传感反馈系统和伺服激励系统之间完成数字信号的交接通讯。 b.计算机系统的软件 计算机系统的软件包括计算机操作系统软件和 CAT 系统的应用软件。 软件的 早期概念是程序和数据的有序集合， 但是经过长期的软件开发与资源积累以及面 向对象的视窗软件编程工具的发展，软件已经发展成有复杂层次结构的、具有数 字软接口的大量功能程序模块和视窗可视对象的智能集成体。现今，哪怕是一个 十分简单的视窗测试软件，其内部程序和数据结构具有相当的复杂性，但是并不 困难的是， 微软等大型专业软件公司以及测试设备制造公司提供了大量封装的软 件模块与集成体，使得测试用户进行测试应用、软件维护或二次开发十分简单、 方便和高效。 CAT 应用软件的程序由充当任务管理的主控程序和具有各种执行功能子程 序模块集组成，CAT 软件中模块化的程序包括： □ 任务管理主程序（仪器的主软件平台）； □ 实验设计参数输入子程序； □ 实时程序：对实验数据完成实时采集、实时数字与曲线显示、实时存储，完 成实验控制，以及执行应急报警与容错处理处置等； □ 数据处理程序：用于数据管理、计算分析、结果显示与输出； □ 软件安装与设备自检子程序。 CAT 系统的应用软件常见数据类型有： □ 实验设计参数数据： 实时实验所用到的材料、 试件、 设备、 开闭环路径参数、
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数据分析用原始数据（如自动修正数据、系数对照表、各种常数等）。 □ 实验数据： 实验状态档案数据、 实验采集数据、 中间处理数据、 分析结果数据。 (2) CAT 基本任务模型 CAT 有多种测试任务，在典型系统框图的基础上可演变出多种多样的 CAT 系 统。如果以 P 表示受测对象状态、X 表示激励系统与信号、Y 表示响应系统与信 号、Z 表示计算机系统、e 表示误差影响因素、p 为人的因素、P′ 表示试验结果， 则 CAT 系统任务的一般数学模型可表为 P、X、Y、Z、p 的函数：
P′=f(P,X,Y,Z)LG+e(X,Y,Z,p)
1.1
上式中自变量 P、X、Y、Z、e 受到相关学科发展程度以及 CAT 自身发展程度的制 约, 下标 LG 表示逻辑比较器，LG=1 表示闭环控制。因而要获得符合实际的试验 结果，P、X、Y、Z 应当设计精良使得 e 尽量小。假设 e 可忽略，则可根据 CAT 系统试验的具体任务，由上式得到三类基本数学模型： I 类：
P′=f(P,X,Z)
1.2
即半自动试验系统，根据计算机系统和激励系统对受测对象加载。该系统用于对 实物或模型进行可编程激励控制和质量检测。该模型对应着图 2.8 中的开关 k1=1、k2、3=0 的状态。 II 类：
P′=f(P,Y,Z)
1.3
上式表示根据传感响应系统 Y 和计算机系统 Z 确定被测状态 P。该系统用于对实 物或模型进行力学量数据采集、产品质量检测、参数监测、报警等。该模型对应 着图 2.8 中的开关 k1=0、k2=1 的状态。 III 类：
? P ′ = f ( P, X , Y , Z ) ? ? P ′ = f ( P, X , Y , Z ) LG =1
1.4
上式根据激励系统 X、传感响应系统 Y 和计算机系统 Z 确定被测状态 P。当逻辑 比较器发挥作用时，CAT 系统为闭环控制，对应着图 1.10 中的 k1 和 k2 均闭合的 状态。该系统可用于对结构或材料的模型进行测试过程控制、可编程激励控制、 质量检测、参数测量等等。 控制输入 xout xI 根据图 1.10 引伸出的模型 I、 II 属 xinp I 激励子系统 于 CAT 的开环系统，而模型 III 因开关 xII K1、K2 均闭合，故属于闭环系统。闭环系 II 反馈子系统 统可以进一步简化为图 1.11 所示的框图, 叉形符号为比较器（软逻辑或硬逻辑）。 图 1.11 简化闭环并联系统
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练习题 习题1：请画出力学 CAT 系统的基本构造框图，写出四种子系统及其所含部件的 名称与基本作用。 习题2：根据力学 CAT 系统的基本构造框图，说出力学测试中可能涉及到的技术 知识和力学知识。 习题3：根据实验内涵框图，总结实验力学的特点（任务、手段、方法等）。 习题4：请从网上查询几个闭环测试系统或根据生活经验举出闭环系统实例，按 CAT 典型系统框图标出图中部件与所举例子中的功能件的对应关系， 并仿 图 1.4b)的框图格式给出所举例的闭环原理流程框图。 习题5：简述虚拟仪器基本原理； 说出计算机系统在力学 CAT 实验中的基本作用。 习题6：叙述闭环与开环测试系统的区别。 习题7：画出应变电测和材料疲劳试验测试系统的 CAT 流程图。 习题8：现有 CAT 部件：载荷传感器 a、伺服控制器 b、薄壁圆筒试样的剪切应变 c、液压伺服阀 d、电阻应变片 e、电阻应变仪 f、MTS 信号调节器 g、测 试结构局部应变 h、数据采集器 i、数模转换器 j、数字式函数发生器 k、 电阻应变片 l、计算机 m、压电式传感器 n，请问哪些部件可归于 ,P/A ,A/P , A/A ？ P 习题9：力学 CAT 开环测试方法之一是通过 CAT 测量系统的 器件将物理量 P 转变为 信号，通过 器件将该信号放大、滤波，然后通过 器 件和计算机完成数据采集。为获得采集信号与物理量 P 之间的关系，必 须事先对 CAT 通道进行 实验得到 CAT 系统的灵敏度。 习题10：力学 CAT 的闭环测试原理是通过 CAT 系统的逻辑器实现比较分析， 进而 将测试环路中的 信号和 信号之间的差值通过 器件变为信 器件,从而控制对力学对象的加载。 号并经过 A/A 信号调节器送给
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