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材料力学实验多媒体教案,第一部分机测实验作者:任伟杰,实验一拉伸与压缩试验,实验一拉伸与压缩试验,实验目的:1掌握金属机械性能概念及其特征指标s、b、的工程物理意义2掌握微机自动测试系统的构成和工作原理，建立测试系统概念。3掌握位移计（应变式传感器）的工作原理。4了解A/D转换方法及工作原理。,实验重点：掌握低碳钢屈服极限的物理意义及测定方法，掌握低碳钢（塑性材料）和灰铸铁（脆性材料）的断裂特点。掌握应变式传感器的工作原理以及物理学电学原理在微机自动测试系统中的应用。实验要求：学生在掌握试验机操作的基础上，以小组为单位独立完成低碳钢s、b、值的测定，通过讨论题根据实验结果，分析、论述低碳钢拉伸和灰铸铁压缩实验的断裂原因。,p,L,0,Ps,Pb,低碳钢拉伸曲线,P,P,机械性能:材料承受外力的能力及其在破坏、变形方面的宏观表现刚度:强度:,材料抵抗变形的能力,材料抵抗破坏的能力,低碳钢拉伸破坏宏观过程及其微观解理机制,3-强化应变,4-颈缩断裂,2-屈服阶段,1-弹性阶段,二实验设备：WES-600D液压屏显万能试验或WDS-100电子万能试验机、游标卡尺。三、仪器设备工作原理1WDS-100电子万能试验机的构造（测试系统与执行机构见图3-1）测试系统主要由输入、放大、转换、处理、显示、输出构成。输入部分用来感知被测量的变化形成输入信号，放大部分将信号放大提供必要的起动电压。转换部分将模拟量转换成处理器能够识别的二进制数字量送给处理器进行计算、存储，显示与输出部分用来显示测试信号、打印测试结果。,输入,放大,A/D模数转换,处理器,显示,输出,测试系统构成框图,图3-1WDS-100电子万能试验机的实际构造,计算机,打印机,回油阀,送油阀,油泵开关,控制柜开关,放大器开关,图3-3WES-600D液压屏显万能试验测试系统的构成,12.系统工作原理微机自动测试系统是在传统机械性能测试方法的基础上逐渐发展、完善的，是电子技术与基础物理知识的综合应用。该测试系统，用位移传感器和力传感器取代了老式万能试验机用线传动和测力油缸来反映试件的变形与受力大小的方法。用计算机代替了人工计算，并用显示器、打印机取代了示力盘和绘图仪。工作原理见图3-4。当试件受力发生变形时，力和位移传感器将力与位移（变形）信号输入放大器，放大器将信号放大，以达到A/D转换和计算机能够工作的最低启动电压，使其进入工作状态。由于力与位移信号是连续变化的模拟量，而计算机只能识别非连续变化的二进制数字量，因此，信号在进入计算机之前必须经A/D转换将模拟量信号转换成二进制数字量。转换后计算机以二进制数的形式存储、计算、描绘曲线等，并以十进制的形式反映在显示器上。试验结束后计算机根据程序的指令将计算结果与试验曲线打印输出。,位移传感器（引伸计）工作原理夹式引伸计是传递变形信号的传感器，其结构见图3-4。引伸计由钢臂、刀口、弓片、电阻应变片组成。将引伸计安装在试件上，刀口与试件接触并会随试件的伸长或缩短而张开或闭合。当试件受拉力而伸长时，上、下刀口间的距离增大，上、下钢臂相对发生转动，弓片向内弯曲（见图3-4），同时贴于弓片两面三刀侧的电阻应变片会因物理效应导致R1阻值减小、R2阻值增大。由于是以电桥方式联接（见图3-5），那么根据惠斯登电桥的原理，当R1与R2的比值发生变化时A、B两点间就会有电流流过。将A、B两点直接引入放大器就形成位移（变形）信号。,4.A/D转换工作原理A/D转换是将模拟量转换成数字量。由集成A/D转换电路来完成。模拟量，即自然界中的真实量，也就连续量。其转换方法之一是逐次逼近法。A/D电路的主要部件见图3-6。隔离器的主要任务是从放大器采取信号，并使电压信号UI在短时间内,保持不变送给比较器。在比较器里，比较器要是将要转换的电压信号与来自逼近器的参考电压进行比较，用比较的结果来决定处理器里要转换的二进制数的每一位的位状态。决定的次序是从高位到低位。逼近器的主要任务是逐个的提供参考电压U0。比较的原则是，若U0UI则，认为U0是无效值，所要确定的那一位的位状态是“0”。U0不进入累加器。然后逼近器再给出1/2U0与累加器里的有效值相加，用相加结果与UI进行第二次比较以确定次高位的位状态是“0”或“1”，以此类推，逐个进行比较、逐次逼近，直到将二进制所有位的位状态都确定完毕，则该二进制的数就代表了位移输入信号UI。,最高位次高位最低位00000000,以8位二进制转换为例：设处理器是8位二进制工作。试件在某一受拉状态所受拉力为15KN，力传感器将15KN力变成电流信号送给放大器，放大器输出的电压信号为UI=145mv，并将该电压信号送给A/D转换板，被隔离器获得。隔离器将电压信号UI送给比较器与逼近器所给的参考电压U0=128mv（该值是A/D转换板特殊设定值）进行比较，来确定逼近器8位二进制最高位的位状态。因为U0UI故所给的参考电压为无效值，U0也不能进入累加器，次高位的上的数为“0”。以此类推将8位逐个逼近、比较，最后确定出代表15KN力的二进制数字量为“10010001”，并将该数送给计算机即完成A/D转换过程。,存储器累加器隔离器逼近器比较器UiU0=Ui+1/2U1UI=145mvU0=U1=128mvUI与U0,000000000012812810000000UIU0128128+6410000000UIU0144144+810010000UIU0145mv10010001,在桌面上点击操作系统快捷键按钮“”，进入试验操作界面,三、选择加载速度,四、进入数据处理、输入断后数据,五、进入报告预览导入实验数据，打印实验报告,一、测量原始数据、安装试件,二、选择实验方案、输入实验信息,实验步骤：,回到实验操作控制界面,40,50,60,0.02,游标卡尺的使用,二、试样信息输入试样信息输入采用数据库格式。其中“序号”“试样编号”“试样组号”“试样面积”“尺寸1”“尺寸2”6个自段为固定字段，若某些字段无用用户可不必理会。其余字段可由用户自行定义，最多可输入18项内容。试样信息中的所有内容在数据处理中可应用。若做拉伸试验，请保留“原始标距”字段。试样截面形状在试验方案中的“试样形状”中设置。试样面积根据试样形状自动计算。也可直接输入试样面积。,结果分析页,报告预览页,作业题（必作）1用理论公式说明A3钢拉伸破坏是在何种应力作用下产生的。2.名词解释:模-数(A/D)转换和数模(D/A)转换的意义,能否举例说明?3.简述：逐次逼近法A/D转换的工作原理。,实验地点：综合楼002、003。时间：听学委通知,实验报告的要求:1.有原始数据、曲线、断裂外貌*2.测试系统工作原理及图示*3.位移传感器的工作原理及图示*,实验报告要求:,(第一页)预习报告一、实验目的二、基本原理（自动测试系统及图示）三、位移传感器工作原理及图示四、实验步骤,(第二页)原始数据拉伸试件试实验前数据：d1=d1=d1=d2=d2=d2=d3=d3=d3=直径取值d0=原始标距（长度）L0=实验后数据d=d=d0=断后标距（长度）L0=断裂外貌压缩试件实验前数据：d1=d1=d1=d2=d2=d2=实验后数据d=d=d0=断裂外貌,(第三页)实验报告1用理论公式说明A3钢拉伸破坏是在何种应力作用下产生的。2.名词解释:模-数(A/D)转换和数模(D/A)转换的意义,能否举例说明?3.简述：逐次逼近法A/D转换的工作原理。,材料力学仿真实验课件,拉伸试验,压缩试验,弯曲试验,剪切试验,KIC值测定,动应力测定,扭转试验,疲劳裂纹预制,实验目的：测定碳钢的条件比例极限P实验设备：WDS-100电子万能试验机与WES-600D屏幕显示液压万能试验机实验原理：对于金属材料,单向虎克定律成立时的最大应力称为比例极限。但我国标准（国家标准GB228-76）规定，测定对虎克定律有一定偏离的应力来表示比例极限，称为条件比例极限P。在拉伸曲线（PL图）上某点的切线与荷载轴间夹角的正切值比其弹性直线部分的正切值大50%时，此点所对应的应力即为条件比例极限。测定方法有：1、作图法2、引伸仪法（这里我们暂不介绍。）,实验二条件比例极限的测定,作图法：在具有电子万能试验机的及应变仪的条件下，可以自动记录拉伸曲线的开始部分，然后由PL图直接确定材料的条件比例极限。如图所示，在图中PL曲线的直线段上任取一荷载，作一水平直线ab交直线段于b点，然后在ab的延长线上截取ac=1.5ab，过原点O连直线Oc。然后在拉伸曲线上寻求一点h,使h点处曲线的切线ht恰好与Oc平行，则h点在力值座标上所对应的荷载PP就是比例极限荷载，它所对应的应力值即为条件比例极限。,1.在弹性阶段取点b2.作ac=1.5ab3.连直线Oc4.平移直线Oc交曲线于h,实验报告的要求:1.有原始数据、曲线*2.测试原理及图示*3.作图解与计算,PPP=A0式中A0为试件原始截面面积。,参考文献1.潘金生,仝健民,田民波.材料科学基础.清华大学出版社.20022.潘信吉,何蕴增.材料力学实验原理及方法.哈尔滨工业大学出版.19983.贾有权.材料力学实验.高等教育出版社.1984,第二部分电测实验,应变电测原理适用范围：结构构件金属、非金属材料表面应力测量；静、动态（含冲击）应变应力测量；高速旋转构件应力测量；结构高压液下；高低温条件下的应力测量原理,电阻应变仪,应变计,变形固体,F1,F2,Fn,F3,广义虎克定律,应变分析,1、金属电阻丝的“应变效应”,Ks称为金属电阻丝的灵敏系数,F,F,l,图为康铜丝的曲线，镍铬丝在小应变条件下关系亦为直线,2、电阻应变计的工作原理,（1）电阻应变计（片）构造。利用金属电阻丝应变效应制成用于构件应变测量的敏感元件,b,l,敏感栅（丝绕或箔栅）,引出线,基底（纸基或胶基）,（2）使用用特制的胶水粘贴于构件表面，丝栅长度平行于待测应变方向。（3）原理K应变计灵敏系数，与Ks有区别K通过实验标定。,（4）主要技术指标a，初始电阻值R（）测量必须数据，工程应变测量选R120。b，应变计灵敏系数K由厂方提供，测量必须数据。c，应变计标距l(或敏感栅尺寸bl)根据测试对象目的而定。,（5）应变计类型：按构造分纸基浸胶丝绕式；胶基箔式；半导体应变计；金属底基焊接式等，其他按测量应变范围，按用途分，按使用温度分已不下数千种。,3、应变电桥及其输出,测量电阻变化一般用惠斯登电桥（即4臂电桥），电源E1称为桥压。,I1,I4,当R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3时UBD0称为电桥的平衡条件。实测时，随着构件的受力变形R1R4发生变化为R1R1R1，R2R2R2，R3R3R3，R4R4R4代入（2）式,可见,或,略去分子当中的高阶微量，分母当中的R项，经整理得,（3）,说明电桥输出电压的变化与四个桥臂电阻变化的总和成正比或与测点应变总和成正比。,其次，对角桥臂电阻变化率或应变相加，邻臂的电阻变化率或应变相减。这种规律称为电桥输出的加减特性。,（3）式简化结果产生的误差不会超过5，根据其原理可以制成专门用于测量的电阻应变仪。,4、数字电阻应变仪,（1）电原理框图,（2）YE2538程控应变仪面板结构及其使用方法,使用方法（1）组桥a，1/4桥接法（静态多点应变测量常用的接法），桥路形式bR-1，所有测量片均接AB，连接片连于BB。共用一枚补偿片。b，半桥接法AB,BC接应变片，桥路bR-2,c，全桥接法四个桥臂均接应变片，多用于传感器电路，桥路bR-4,（2）K，R设定（3）平衡、测量,(有关详细的使用方法由实验室多媒体室介绍，或见网上资料),该仪器特点是各通道可以独立选择不同的测量桥路形式、使用不同K的应变计和不同R的应变计。,5、有关应变电测法的若干问题,（a）温度变化会产生电阻变化（b）应变计线膨胀系数与被测工件线膨胀系数不同，温度变化会产生附加电阻变化，必须设法消除,（1），温度补偿,温度补偿方法a，补偿块补偿法,F,F,(补偿块必须与被测工件同材料且置于被测工件旁),温度补偿方法b，工作片补偿法不允许单独设置补偿块的构件应变测量用工作片补偿法,c，补偿应变片必需接于测量应变片的邻臂,（2）应变计的串连及其应用,串连的2枚应变片所测的应变自动取平均,（3）