动态应力的测量实验
应力测量方法
应力测量方法有多种，其中包括电阻应变测量法。
此外，还有光弹性方法、X射线衍射法、中子衍射法、超声法、脆性涂层法、压痕法、磁测法、云纹干涉法、莫尔条纹法等方法。
电阻应变测量法：这种方法利用电阻应变计测量技术，不仅可以用于模型实验，也可以在线进行应变、应力、压力等力学的测量。
其实际应用效果较好，还可以进行远距离应变遥测，利用此技术可制成相应的传感器和测力装置。
光弹性方法：这是光测法的一种，通过光弹性效应来测量应力。
它适用于解决扭转和轴对称的问题，还可以研究应力传播和热应力的动态过程。
X射线衍射法：利用X射线的衍射现象来测量应力。
通过测量衍射角的变化，可以推断出材料内部的应力状态。
超声法：通过超声波在材料中的传播特性来推断应力状态。
不同应力状态下的材料，超声波传播速度会有所变化，从而可以反演出应力状态。
以上各种方法各有特点，电阻应变测量法操作简单，适用于各种环境和条件；光弹性方法直观性强，适用于透明材料；X射线衍射法和超声法非接触、无损，但设备复杂，数据处理难度较高。
请根据具体需求和条件选择合适的方法。
应力与应变测量方法及应用
应力与应变测量方法及应用应力与应变测量是工程学中非常重要的分析方法，能够帮助工程师评估材料和结构在外部力作用下的性能表现。
本文将介绍一些常用的应力与应变测量方法及其应用。
一、应力与应变测量方法1. 电阻应变计法电阻应变计是最常用的应变测量方法之一。
应变计的基本原理是应变导致电阻变化，通过测量电阻变化来间接测量应变。
常见的电阻应变计有金属应变计和半导体应变计。
金属应变计主要适用于动态应变测量，而半导体应变计适用于静态及高温应变测量。
电阻应变计的优点是精度高、灵敏度高，但也有一些限制，比如灵敏度容易受到温度的影响。
2. 光弹性法光弹性法是一种通过利用光的干涉原理来测量应力和应变的方法。
光弹性法常用的设备有两种，一种是维尔贝克(Disc-more)干涉条纹法，另一种是技巧干涉条纹法。
这两种方法都是基于光束的干涉现象，通过观察并记录干涉条纹的变化来推算出应力和应变的分布情况。
光弹性法的优点是非接触性，适用于复杂形状和高温等特殊条件下的应变测量。
3. 应变片法应变片是利用压电效应材料制成的一种应变测量器件，常用的应变片有金属应变片和陶瓷应变片。
应变片通过自身形变来实现应变的测量，通过测量应变片的电荷输出或形变量的变化来推算应变。
应变片法的优点是响应速度快、测量范围广，适用于各种应变测量场景。
二、应力与应变测量的应用1. 材料性能评估与选择应力与应变测量可以帮助工程师评估材料的力学性能，并为材料的选择提供依据。
通过测量应力和应变，可以计算出弹性模量、屈服强度、断裂韧性等重要参数，从而判断材料是否满足工程设计要求。
2. 结构设计与优化在结构设计中，应力与应变测量可以帮助工程师评估结构的稳定性和安全性。
通过测量结构内部的应力分布和应变变化，可以发现潜在的结构问题，并进行必要的优化和改进，从而提高结构的可靠性和性能。
3. 动态加载分析应力与应变测量在动态加载分析中也有广泛的应用，可以用于研究冲击、爆炸、振动等动力载荷下的材料和结构响应。
实验方法：应力与应变曲线的测定
真实应力-真实应变曲线的测定一、实验目的1、学会真实应力-真实应变曲线的实验测定和绘制2、加深对真实应力-真实应变曲线的物理意义的认识二、实验内容真实应力-真实应变曲线反映了试样随塑性变形程度增加而流动应力不断上升，因而它又称为硬化曲线。
主要与材料的化学成份、组织结构、变形温度、变形速度等因素有关。
现在我们把一些影响因素固定下来，既定室温条件下拉伸退火的中碳钢材料标准试样，由拉力传感器行程仪及有关仪器记录下拉力-行程曲线。
实测瞬间时载荷下试验的瞬间直径。
特别注意缩颈开始的载荷及形成，缩颈后断面瞬时直径的测量，然后计算真实应力-真实应变曲线。
σ真＝f（ε）＝B·εn三、试样器材及设备1、60吨万能材料试验机2、拉力传感器3、位移传感器4、Y6D-2动态应变仪5、X-Y函数记录仪6、游标卡尺、千分卡尺7、中碳钢试样四、推荐的原始数据记录表格五、实验报告内容除了通常的要求（目的，过程……）外，还要求以下内容：1、硬化曲线的绘制(1)从实测的P瞬、d瞬作出第一类硬化曲线（σ-ε）(2)由工程应力应变曲线换算出真实应力-真实应变曲线(3) 求出材料常数B 值和n 值，根据B 值作出真实应力-真实应变近似理论硬化曲线。
2、把真实应力-真实应变曲线与近似理论曲线比较，求出最大误差值。
3、实验体会六、实验预习思考题1、 什么是硬化曲线？硬化曲线有何用途？2、 真实应力-真实应变曲线和工程应力应变曲线的相互换算。
3、 怎样测定硬化曲线？测量中的主要误差是什么？怎样尽量减少误差？附：真实应力-真实应变曲线的计算机数据处理一、 目的初步掌握实验数据的线性回归方法，进一步熟悉计算机的操作和应用。
二、 内容一般材料的真实应力-真实应变都是呈指数型，即σ=B εn 。
如把方程的二边取对数：ln σ＝lnB+nln ε，令 y ＝ln σ；a ＝lnB ；x ＝ln ε 则上式可写成y ＝a+bx成为一线性方程。
在真实应力-真实应变曲线试验过程中，一般可得到许多σ和ε的数据，经换算后，既有许多的y 和x 值，在众多的数值中如何合理的确定a 和b 值使大多数实验数据都在线上，这可用最小二乘法来处理。
动应变测量实验报告
一、实验目的1. 掌握动应变测量的基本原理和方法。
2. 熟悉动应变仪器的操作和数据处理。
3. 通过实验，了解动应变在工程中的应用及其重要性。
二、实验原理动应变测量是通过测量物体在动态载荷作用下的形变来评估其应力状态的一种方法。
本实验采用惠斯登电桥原理，利用应变片和应变仪进行测量。
当物体受到动态载荷时，应变片将产生相应的应变，通过电桥电路将应变转换为电压信号，再由应变仪进行放大和数据处理。
三、实验仪器1. 微型计算机2. 动应变仪3. 桥盒4. 应变片及其附件5. 动态载荷发生器四、实验内容1. 应变片粘贴：- 选择与桥盒内置电阻相匹配的应变片。
- 用砂纸打磨钢片表面测点，使测点表面平整、光洁，并做清洁处理。
- 用胶水把应变片和转接片贴到测点上，尽量使应变片与被测物紧密贴合。
2. 电桥联线：- 将应变片接入电桥电路中，按照惠斯登电桥原理进行联线。
- 确保电路连接正确，无短路或开路现象。
3. 动态载荷施加：- 启动动态载荷发生器，施加动态载荷于被测物体。
- 通过应变仪实时监测应变信号。
4. 数据采集与处理：- 打开应变数据采集程序，设置应变量程、滤波频率等参数。
- 进行数据采集，记录应变信号。
- 对采集到的数据进行处理，包括滤波、放大、积分等。
5. 结果分析：- 分析应变信号，计算应变值。
- 结合被测物体的材料性能和结构特点，评估其应力状态。
五、实验结果本次实验成功采集到了被测物体在动态载荷作用下的应变信号，并对其进行了分析。
实验结果表明，应变值与载荷成正比，符合惠斯登电桥原理。
六、思考题1. 如何提高动应变测量的精度？2. 动应变测量在工程中的应用有哪些？3. 如何根据应变信号判断被测物体的应力状态？七、实验总结本次实验成功实现了动应变测量，掌握了动应变测量的基本原理和方法。
通过实验，加深了对应变信号分析的理解，为今后在工程中应用动应变测量技术奠定了基础。
八、注意事项1. 在粘贴应变片时，要注意使其与被测物体紧密贴合，避免出现气泡或翘曲现象。
应力应变测量PPT课件
Ⅳ
66.6 59.7 -55.4 -55.0 26.6 23.2 -49.5 -47.7
/ -1.3 -0.5 -1.2 -48.2 -34.4 81.6 89.5 155.2 136.2 48.4 48.5 -22.9 -20.8 -60.8 -64.8 10.2 3.9
Ⅴ
-8.5 -7.7 -2.8 -2.9 -10.6 -10.0 -3.8 -1.2 -1.3 -1.1 -33.1 -32.8 71.7 70.8 -9.4 -7.8 -15.2 -15.8 -6.7 -8.4 3.8 3.7 -18.3 -19.5 4.0 14.3
扭（转）矩作用下，正应力分布如图7-10所示
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其测点1，2，3，4的正应力分别为：
然3后根4、据
测
量
得
到
的
1
N
，求1 得 2获 得3
4
2 、 断 面4 内
力
：
My
1 2
3
4
4
Mz
1
2
3
4
4
1
2
3
4
4
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（3）结论： 断面角点处没有剪应力存在，属单向应力状态，该 正应
仅有较大的正应力，而且 有 较 M大y 2的 3剪 2应力。 四、应力合成与强度校核（略讲） 通常用第四强度理论进行校核
第19页/共29页
§7-4 起重机金属结构应力测量
一、金属结构应力测量的任务 应力、应变测量应用任务：（测量目的和任务） 1．校核性测量：验证结构强度（刚度）是否满足理
论计算要求。例如，新产品鉴定性检测。 2．改进性测量（节约化）：产品改进，确定安全储
土木工程应力应变量测技术
土木工程应力应变量测技术一般是指在建构筑物施工过程中，如钢结构安装、卸载、改造、加固，混凝土浇筑等过程，采用监测仪器对受力结构的应力变化进行监测的技术手段，在监测值接近控制值时发出报警，用来保证施工的安全性，也可用于检查施工过程是否合理。
常见的应力测试方法应力仪或者应变仪是来测定物体由于内应力的仪器。
一般通过采集应变片的信号，而转化为电信号进行分析和测量。
应力测试一般的方法是将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。
很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。
应变片其实就是应用了这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。
一般应变片的敏感栅所使用的是铜铬合金材料，这种材料其电阻变化率为常数，它与应变成正比例关系。
我们通过惠斯通电桥，便可以将这种电阻的比例关系转化为电压。
然后不同的仪器，可以将这种电压的变化转化成可以测量的数据。
对于应力仪或者应变仪，关键的指标有：测试精度，采样速度，测试可以支持的通道数，动态范围，支持的应变片型号等。
并且，应力仪所配套的软件也至关重要，需要能够实时显示，实时分析，实时记录等各种功能，高端的软件还具有各种信号处理能力。
应力应变测试目前常用的仪器就是盲孔法、磁测法，一个有损，一个无损。
盲孔法是目前应用较为广范的一种高精度的应力检测方法如华云HK21A或HK21B,无论是实验室中使用，还是现场施工，盲孔法都能准确测量应力的大小，从而推进实验进程或者进行工艺改进。
磁测法适用于对应力值检测比较严苛，精密工件或高价值工件不允许做破坏性检测的情况。
比如科研、军工航天等行业。
目前还有更先进的动态应力应变检测仪，全自动梯度应力检测仪等。
目前应力测量水平多半受限于表层测量，SCGS20这样的仪器可以实现材料深度方向的梯度应力精准测量及工件整体的应力分析，全自动编程控制钻孔装置，梯度方向自动进给，高精显微定位，更加精准。
在当今土木工程行业中,应力应变测量广泛地应用于建筑、铁路、桥梁、交通、大坝等结构上。
应力应变曲曲线和动态力学性能测试课
在实际拉伸过程中，试样的截面积A的变化更为复杂多
样。有的试样会均匀地逐渐变细，而有些则突然变细成 颈。以后截面积A基本保持不变。只是细颈进一步伸长， 直到被拉伸为止。这就是被称为“冷拉”现象。
3．实验原材料和仪器设备
原材料 聚丙烯（PP），聚苯乙烯（PS） 仪器设备 万能电子拉力机(日本岛津AG-10KNA)、游标卡尺、 直尺。 万能电子拉力机测试主体结构示意图，如图１-１所 示。
0 sin t
0 sin(t )
E 0和 0分别为应力和应变的幅值，将应力表达式展 式中 开：
0 cos sin(t ) 0 sin cost
应力波可分解为两部分，一部分与应力同相位，峰 值为 0 cos ，与储存的弹性能有关，另一部分与应变有 90°的相位差，峰值为 0 sin ，与能量的损耗有关。定 义储能模量（ E ），损耗模量（ E ）和力学损耗（ tan ）：
图１-１ 万能电子拉力机测试主体结构示意图 1－传感器；2－主架；3－横梁控制器；4－夹具；5－横梁；6－记录仪； 7－控制台开关；8－控制面板；9－显示屏
4. 实验步骤
试样制备 调换和安装拉伸试验用夹具 设定试验条件 键入样品参数
5. 问题讨论
(1) 改变试样的拉伸速率会对试验产生什么影响？ (2) 在试验过程中，试样的截面积变化会对最终谱图 产生什么影响？你认为在现有的试验条件下能否 真实地获得或通过计算获得瞬时的截面积？
E ( 0 / 0 )sin sin E tan cos E
E ( 0 / 0 )cos
复数模量可表示为： E* E iE E E E 其绝对值为： 在交变应力作用下，样品在每一周期内所损耗的机 械能可通过下式计算： W (t )d (t ) 3 E 02
实验应力分析
第 2 章 电阻应变计的原理及使用
2.1 电阻应变计的工作原理
电阻应变计习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片。出现于第二次世界大战结束的
前后，已经有六十多年的历史。电阻应变计的应用范围十分广泛，适用的结构包括航空、航
天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等；适用的材料包括钢
当进行多次重复测量时，输入量由小到大或由大到小重复变化，而对应于同一输入量其 输出量亦不相同，这种偏差称为重复性误差。常用全量程中的最大重复性误差与满量程的百 分数来表示测量系统的重复性指标。 1.2.6 零漂与温漂
当测量系统的输入量和环境温度不变时，输出量随时间变化，称为零漂。由外界环境温 度的变化引起的输出量变化，称为温漂。
2
图 1-2 测量系统的滞后
1.2.4 灵敏限与分辨率 当输入量由零逐渐加大时，存在着某个最小值，在该值以下，系统不能检测到输出，但
这个最小值一般不易确定，为此规定一个最小输出值，而与它相应的输入值即为系统能够检 测到输出的最小输入值，称为灵敏限。
如果输入量从任意非零值缓慢地变化，将会发现在输入量变化值没有超过某一数值之 前，系统不能检测到输出量变化，因此存在一个最小输入变化量。为了便于确定，规定了一 个最小输出变化量，而与它相应的输入变化量即为系统能够检测到输出量变化的最小输入变 化量，称为分辨率。一般指针式仪表的分辨率规定为最小刻度分格值的一半，数字式仪表的 分辨率是最后一位的一个“字”。 1.2.5 重复性
滞后表示当测量系统的输入量由小增加到某一值和由大减小到某一值的两种情况下，对
于同一输入量其输出量不相同，如图 1-2 所示，同一输入量时的输出量偏差 yd − yc ，称
为滞后偏差。最大滞后偏差 yd − yc max 与全量程输出范围 ymax 比值的百分数，称为测量
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三、动态应力测量的目的 三、动态应力测量的目的
1、认识动态应力对被测构件的强度及使用壽命的影响。 2、 通过对动应力的测量，对被测构件的强度和刚度有所了 解和掌控，从而确保被测构件能安全、合理正常地工作。 3、在今后的机械设计工作中可以帮助我们校核构件的强度 及使用寿命。 4、通过对动应力的测量实验，初步了解，掌握其测量的原 理，方法。
输出轴
电机
变速箱
集流环
制动器
应变片
出轴便产生了一对动态剪应变。 出轴便产生了一对动态剪应变。
图1 集流环式的加载装置
二）、
实验的测量装置
根据“材料力学”中扭转理论， 根据“材料力学”中扭转理论，在纯扭矩载荷 作用下，与轴线成±450方向上的剪切力值为最大 作用下，与轴线成± 值。再根据桥路联接基本关系式的特性，选择使用 再根据桥路联接基本关系式的特性，
铜环 旋转环
固定环罩
输出轴
二）、使用扭矩传感器的实验装置
变 速 电机 箱 扭矩传感 器 器 动 制
器 输出
使用扭矩传感器的实验
置
1、输入能源的耦合器 2、稳压器 3 、应变测量桥 4、应变信号放大器 5、V / F变换器 (电压/ 频率变换器) 6、输出信号的耦合器 7、 F / V变换器 (频率/电压变换器) 扭矩传感器的 : 电源 耦合器 1） 能源 传感器 的 稳压器 2） 变 稳 电压 传感器 应变测量桥 3） 传感器 测 的 变 量 换 应变电压信号 放大器 4） 应变信号放大 V/F 变换器 5） V/F变换器 5） 电 压 信号 变 频率信号 频率信号耦合 器 6） 输出 F / V变换器 7）
3、周期性变化的动应力
发动机工作时，连杆构件上 发动机工作时， 的应力值是作周期性变化的动应力。 的应力值是作周期性变化的动应力。
4、随机变化的动应力
它是随时间变化而作无周期性无规律性 变化的随机动应力。 变化的随机动应力。
本实验装置是用来测量变速箱输出轴在扭矩载荷作用 下的随机动应力。 下的随机动应力。
B
图 2 应变片的粘贴布置 R2
-450
根据桥路联接的基本关系式：
R1
A
ε仪＝ε1－ε2+ε3－ε4
则半桥自补偿的联接式： 则半桥自补偿的联接式：ε仪＝ε1－ε2
R2
C
R4
D
R3
图3 测量电桥的示意图
集流环（或称引电器）
集流环是把旋转轴上应变片所 感应的应变信号传递到动态测 量系统的电桥盒上的部件。避 免导线被缠在输出轴上。 本款集流器是最简单的款式之 一。 固定环罩是固定在变速箱的箱 体上。 旋转环是固接在输出轴上，并 随输出轴一起转动。 铜环是固接在旋转环上，可活 动地套在固定环罩内，随旋转 环一起转动，通过短导线把应 变片上的应变信号引到铜环上。
四、实验装置的介绍
本实验选用的实验装置是圆截面传动轴上的动态剪应变的测量装置。 本实验选用的实验装置是圆截面传动轴上的动态剪应变的测量装置。
1、实验加载和测量装置的介绍
一）、集流环式的加载和测量装置 ）、集流环式的加载和测量装置
图1 中的电机是该实验装置的主动力源， 中的电机是该实验装置的主动力源， 变速箱使输出轴转动并输出纯扭矩的载荷， 变速箱使输出轴转动并输出纯扭矩的载荷， 而制动器则是阻止输出 转动，相当于给变速 转动， 箱输出轴一个反向扭矩载荷作用 ，这样输
正应变之间的关系： 正应= 2(1− µ )
γ ＝ 2ε 实 ＝ ε 仪
根据金属材料的三个常数G 根据金属材料的三个常数G、E、µ之间，有一个关系式： 之间，有一个关系式：
所以剪切虎克定律可写成： 所以剪切虎克定律可写成： τ ＝ G x γ = G xε仪＝ ε仪
动态应力的测量实验
（旋转轴上的剪应力测量） 旋转轴上的剪应力测量）
机械工程学院基础实验中心
一、现实生活和工作中的动态应力的现象
一）、 现实生活工作中的某些动态应力现象 1、 发动机中的连杆构件。工作时的连杆构件的应力值作出不停的变化。 2、 汽车中车轮轴，在平坦路面上行驶时轮轴根部的应力值作出不停变化。 3、 打桩时桩柱上所承受的应力，其值也是一直持续不断地变化着。 4、 发动机工作时其壳体上振动的应力。其值也是不停地变化着。 5、 汽车在凹凸不平的路面上行驶时，车轮轴根部的应力，其值也是一刻 不停地在变化着。 这些构件在工作时都受到这类应力的影响，如果这些影响因素过大往 往是导致构件损坏，是产生事故的根源。汽车，压路机的轮轴断裂，飞 机主发动机输出轴的断裂事故，往往会造成人员伤亡和重大财产损失， 所以对这类应力的测量是电阻应变测量中的很重要的一部分内容。
Ε 2(1− µ)
式中： E=206 GN/m2 µ =0.28 式中： 最后由所测得的 τ值大小来判 断其构件能否正常工作和所 选 材料是否合理。 材料是否合理。
四、测量、控制设备
一）、DH5935型动态测量系统 一）、DH5935型动态测量系统 （亦动态应变仪） 1、电脑 2、扭矩传感器 3、应变计（亦称应变片） 4、稳流器 二）、问题讨论 1、 本实验为何要采用半桥自 补偿的联接形式? 补偿的联接形式? 2、本实验的应变幅值应是亦个 常量，而实际上却不是，怎样 解释？
2 1 1
3
4
5 6 6 7 7
扭矩传感器的
经过DH5935型动态应变测系统（即动态应变仪）输入到电脑后， 由电脑内的相关软件对数据进行采集和处理，最后得到我们要测的动 态剪应变值。
3、 传感器轴上应变片的布片
根据“材料力学”中的扭转理论，在纯扭矩载荷作用下，与轴线 成±450方向的剪应变绝对值最大，所以在该两方向上分别贴了R1、R2、 应变片。
动态载荷 —— 它是随着时间变化而变化的载荷。 亦称动载荷。 动态应力 —— 被测构件上的随着动载荷（或时间）变化而
变化的应力，称为动态应力亦称动应力）。
二）、动应力的分类
1、瞬态动应力
冲击，爆破对构件产生的动应力，其动应力值的变化速度极快。 冲击，爆破对构件产生的动应力，其动应力值的变化速度极快。 2、振动动应力 它是随时间变化而作周期性的有规律性变化， 它是随时间变化而作周期性的有规律性变化，且变化过程非常 快 。
采用半桥自补偿的桥路联接方式： 采用半桥自补偿的桥路联接方式：
本实验的两种测量装置采用的都是半桥自补偿的形式。
半桥自补偿的联接式：ε仪＝ε1－ε2 半桥自补偿的联接式：
其中 2ε 这样 ε仪＝（ε实＋εt) — (－ε实＋εt）= 2ε实 ＝（ε
ε 1= ε 实 ＋ ε t ε2 =－ ε实＋εt
由材料力学中的强度理论得出在纯扭转载荷作用下， 剪应变与 由材料力学中的强度理论得出在纯扭转载荷作用下，
R1 450
半桥自补偿的联接形式，在这两方向上分别布置贴 半桥自补偿的联接形式， 上R1、 R2应变片，亦称工作片（或测量片），如图 应变片，亦称工作片（或测量片）， ），如图 2所示。 所示。 在图3 中的R 在图3 中的R3 、R4联接在测量电桥上的标准电阻， 联接在测量电桥上的标准电阻， 安装在应变仪内部，不参与测量工作。 安装在应变仪内部，不参与测量工作。