组合变形实验和压杆实验
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组 合 变 形 实 验
一.实验目的:
1.学习组合变形情况下的应力测定方法。
2. 熟悉应变仪全桥测量原理及接桥方法
3. 对在弯扭组合受力状态下的薄壁圆管,分别测定其弯曲正应力和扭转剪应力,并与理论值比较。
二.实验设备:
多功能实验台、程控静态电阻应变仪、数字测力仪。
三.试验原理:
1)参阅材料力学、工程力学课程的教材及其他相关材料。
2)组合变形实验装置如图:
测试的试样为薄壁圆管,其长度为l ,一端固定在铸铁框架上,另一端通过扇形加力臂上的钢丝绳对薄壁圆管试样施加载荷。在钢丝绳与加载手柄之间连接一个力传感器,通过数字测力计把传感器的信号显示出来。在试样的上下边缘对称位置,粘贴互相垂直的鱼尾应变花2片,如图所示。当试样受到F 力作用时,薄壁圆管试样上的应变片均受到弯曲与扭转应变,即W N εε±±。在比例极限内,应力与应变之间存在着正比关系,即σ=E ·ε通过测得的应变值便可计算出该点的应力数值。
在理论课中已经学习了强度理论,也了解受弯扭组合变形的应力状态,因此也就可以分析出各应变片感受的应变关系,我们利用电桥输出特性,通过巧妙的全桥接桥方式,就可以只测出由扭矩产生的应变或由弯矩产生的应变,即ε
读
=4ε
弯
或ε
读
=4ε
扭
,
在测量由弯矩产生的应变时,根据应力状态理论可知
04521εμ
ε⋅-=
o
,所以对于由弯
矩产生的0o
方向的应变即为
45012
εμε-=
o
,由虎克定律得到弯曲正应力0εσ⋅=E 。
在测量由扭矩产生的应变时,取薄壁圆管试样上测点处单元体,如下图所示的应力状态
其中有:
R dy tg dx γ∆=
,在比例极限内,近似地dx dy
R ∆=
γ
同时
αcos dx
dl =
,αsin dy dl ∆=∆ 所以 α
αααα2sin 21cos sin cos sin dx dy
dx dy dx dy dl dl ∆=∆=∆=∆
故αγ2sin 21R dl dl =∆,由于dl dl ∆=αε,所以αγεα2sin 21
⋅=R 。
在弯扭组合变形实验中,使用的是互相垂直的鱼尾应变花,其贴片方向且与轴线成±450,
故α=45o ,则
R
o
γε2
1
45=, 即γR =2ε
45
o 。
由剪切虎克定律得到扭转剪应力R G γτ⋅=。
四.实验步骤
1.量取试样相关尺寸,加载力臂,
2.根据电测原理、电桥输出特性,通过讨论分析弯曲正应变和扭转剪应变的全桥接桥方式。
3.按照第二步分析的结果,将应变片接入应变仪。
4.打开电源开关,当程序结束后,用通道切换键,找到你所接入的通道,按下“自动平衡”键使应变仪通道清零。
5. 打开测力计电源开关,确定档位(SCL Y-2数字测力计选20KN 档,XL2116A 测力仪选N 档)。在确认没有给薄壁圆管试样梁加力的情况下,按下“清零”键。
6.逐级加载,每增加0.1KN 记录一次应变仪的读数,载荷加至0.4KN 后,卸载。
7.在完成弯曲应变测量后,从第三步重复,测量扭转应变。
五.实验记录
1.试样及装置的相关数据: 内径d= 外径D=
弯矩力臂R W = 扭矩力臂R N = 弹性模量E= 泊松比μ=
六.数据处理
七.实验结论
八.分析思考题
1.如果再给你2个电阻,2个温度补偿片,阻值均为R ,你还可以采用什么接桥方式,来完成本次实验测量?请详细阐述其中一种方法?
2.对于本次实验,你有什么体会?你有什么建议?
九.实验报告要求
请在实验报告中阐述你设计的接桥方式,画出示意图,详细推导其原理。
压 杆 稳 定 实 验
一.实验目的:
1. 观察压杆丧失稳定的现象。
2. 用绘图法测定两端铰支压杆的临界荷载cr F ,并与理论值进行比较。
二.实验设备及工具:
电子万能试验机、程控电阻应变仪
三.试验原理:
对于两端铰支受轴向压力的细长杆,根据欧拉公式,其临界荷载为
2
min
2l EI F cr π=
式中min I 为最小惯性矩,l 为压杆长度。当cr F F <时压杆保持直线形式,处于稳定平衡。当crj F F ≥时,压杆即丧失稳定而弯曲。
对于中柔度压杆,其临界应力公式为
λσb a cr -=
式中a 、b 为常数。
由于试样的初曲率往往很难避免,所以加载时压力比较容易产生偏心,实验过程中,即使压力很小时,杆件也发生弯曲,其挠度也随着荷载的增加而不断增加。
本实验采用由碳钢制成的矩形截面的细长试件,表面经过磨光,试件两端制成刀刃形,如图a 所示:
实验前先在试样中间截面的左右两侧各贴一个应变片1和2,以便测量其应变,见图b ,假设压杆受力后向左弯曲,以1ε和2ε分别表示压杆中间截面左、右两点的压应变,则2ε除了包括由轴向力产生的压应变外,还附加一部分由弯曲产生的压应变,而1ε则等于轴向力产生的压应变减去由弯曲产生的拉应变,故1ε略小于2ε。随着弯曲变形的增加,1ε与2ε差异愈来愈显著。当cr F F <时,这种差异尚小,当F 接近cr F 时,2ε迅速增加,1ε迅速减小,两者相差极大。如以载荷F 为横坐标,压应变为纵坐标,可绘出1ε-F 和2ε-F 曲线(见下图所示)。由图中可以看出,当1ε达到某一最大值后,随着弯曲变形的继续发生而迅速减小,朝着与2ε曲线相反的方向变化。显然,根据此两曲线作出的同一垂直渐近线AB ,即可确定临界荷载cr F 的大小。