卞世元科技之星 固体材料法向应力形变一体机论文.doc

固体材料正应力形变一体机固体材料正应力形变一体机摘要： 目前中学阶段的结构制作比赛的日益增多，大部分参赛者仅考虑了结构而对于所使用的材料物理特性并无具体了解。这是由于中学中并无专门研究材料物理特性的装置。但是大学中却有专门的装置万能试验机对此进行研究。万能机的昂贵与上手需要培训等，不可能在中学进行推广。因此本文针对这一情况，设计了一套价格低廉，操作容易的装置，以供今后中学生可自行在学校完成对于各种固体材料其受正应力后应变的情况等。整个装置不仅只是纸上谈兵，而是已经实体化了。而且整体装置的大部分都运用了废弃材料。经过计算标准材料（铜丝）的正应力形变情况的实验，初步表明该装置的构想是可行的，而所得的结果也是可信的。（是否可论及塑性材料）关键词：固体材料 应力与形变 一体化 废弃物再利用1.引言：1.1课题由来： 随着中学生对于科学比赛的兴趣日益增多，其中不乏结构制作的比赛（如“未来工程师”等）。然而在亲身经历比赛过程中，不难发现大部分在结构设计上的确下了许多的苦功夫，然而对于整个材料的特性却一无所知，这也是造成结果与设想并不一致的原因。亲身经历过这样的事情，因而变想要去研究材料受力后的形变情况。但苦于学校并无专门的装置。通过查找与询问，得知大学中所使用的装置为万能试验机。万能试验机纵使很精确，但是其价格相当昂贵（一套好的万能机需要上万元），并无在中学推广的可能。而且使用它之前，必须要经过专门的复杂培训。为何不自己研究一个中学阶段可用、可推广的装置呢？就这个问题指引我引发了深度思考。1.2课题意义： 此装置操作容易，价格便宜（大部分都使用废弃材料），结果可信。填补了目前材料物理在中学阶段的空缺。能够指引学生习得一些初步的材料的物理特性。而且本装置还可以测量一些日常生活用品，如笔杆、筷子等，可激发同学自主研究的兴趣。2.固体材料正应力与应变一体机介绍：2.1装置特点：l 该装置能够直接测得压力的大小。l 该装置能够将材料的微笑形变放大。l 通过本装置将压力机的压力巧妙的化作压力。l 成品的成本并不是太高。l 使用大量的废弃材料，环保。l 设计出的装置操作容易，能够在中学阶段推广。2.2测量原理: 螺旋放大原理： 通过计算在实验过程中，转盘转过的角度数，因而测得整个材料的形变量。使本身难以测得的微小形变容易计算。 2.3研究方法: 2.3.1文献法： 通过查阅已有的文献，得到对于材料物理特性的一个初步认识。以及根据现有的一些测量材料应力应变的方法，得到一些可行的灵感。 2.3.2实验法： 先通过构思设计出理想的装置。再利用装置测试一些标准材料，以便能够验证装置的科学性以及结果的准确性。 （是否要讨论一下装置的形变和测量形变的方法） 2.4装置介绍: 2.4.1制作所需材料: 压力机、厚铝板、螺丝、废弃塑料板、废弃量角器、模型胶水、冲钻床、虎台钳、螺丝刀、锯子、锉刀、沙皮、细木条、黑色胶带等。 2.4.2测量范围： 受力范围：0100kg，最小量度0.02Kg被测物体长度范围：23.5cm26cm（最小量度可调）被测物体外接圆最大直径：0.5cm 2.5.2施力装置： 电子秤：该电子秤的量程为0100kg，最小量度为0.02Kg。且使用螺旋式的转盘以供施压。作用是测得所施加的压力大小。压力拉力转换装置： 可自由滑动的铝板，压力施加在活动铝板上端。装置卡在凹槽中、无承压接触故摩擦小。作用是将电子秤所提供的压力转化成对于被测物体的拉力。可调卡扣针对不同横截面的物体都可以将其夹住，并卡在压力拉力装换装置的凹槽上（下），以固定被测物体。2.5.3测量装置:螺旋结构:d=20mm通过测量螺纹间距，从而计算得出转盘每转过1以后压力拉力转换装置中活动铝板产生的位移。量角器及其支架读取转盘转过的角度数，从而计算得出压力拉力转换装置中活动铝板产生的位移。2.6装置的拼搭2.6.1安装量角器2.6.2安装量角器支架 2.6.3拼接量角器以及支架2.6.4放置压力拉力转换装置装置拼搭完成，随后开机并进行操作即可。 2.7装置操作 2.7.1旋转转盘，使电子秤度数稳定在你想要的值（不推荐0kg），并记录初读数。 2.7.2旋转转盘2.7.3旋转至你想要的度数，并记录末度数2.7.4随后可利用电脑或手工进行数据处理即可3.验证试验3.1实验目的：验证固体材料纵向应力应变一体机所得数据的可信性。3.2实验原理：螺旋放大法 杨氏模量3.3实验材料：固体材料纵向应力应变一体机铜丝4根(来自于废旧网线，长度不一)，半径为0.11cm3.4实验步骤：1）组装固体材料纵向应力应变一体机。2）将被测材料用固体卡扣固定在压力拉力转换装置上。3）转动压力机转盘，使电子秤示数为5kg。4）记录初始角度数。5）转动电子秤，使示数增加1kg。6）记录末角度数。7）重复46的步骤，并记录4组数据。8）计算得到铜丝的杨氏模量。3.5数据计算3.5.1计算公式3.5.2实验图像：铜丝应力应变曲线（平均数值）压力机示数（kg）量角器读数（）读数差（）对应形变量（mm）5kg0-6kg29290.161247kg59300.16688kg86280.16124平均每增加一千克示数的力，则整个装置的形变量为0.16124mm。3.5.3系统误差曲线（可以论述一下如何得到系统误差曲线的代数表达式） 计算空载情况下，整个系统受力以后的压缩量。 根据多组数据多次求的数据得到的关于系统的误差情况为：每增加一千克示数的力，则整个系统产生的形变量为0.03336mm。 3.6误差分析 3.6.1由于角度计算所造成的绝对误差：2.7710-3 3.6.2由于压力示数造成的绝对误差为：0.02 3.7实验结论：3.7.1通过计算得到的铜丝的杨氏模量为1140.76GPa，符合标准材料的数值。3.7.2证明本装置得到的数据真实可信。4.本装置的在中学推广的相对优势 4.1本装置成本较低，根据压力机的一般价格而言，只需要220250元便可得到。而所采用的量角器等均使用废旧材料，若使用新材料则整套装置的成本价大约为275325元左右。因此一个实验教室可同时购置足够让一个班级同学使用的份额。 4.2本装置的制作原理相当简单，因此在给同学做实验的时候可同时让同学们学习一些关于该装置原理的有关知识，同时巩固学校中所学习的关于测量等情况的知识。 4.3本装置在安全方面毫无忧虑。在实验阶段，曾让小学生参与过实验过程，并无困难。参考资料1维基百科不同固体的杨氏模量约数 /zh/%E6%9D%A8%E6%B0%8F%E6%A8%A1%E9%87%8F2百度百科杨氏模量/view/266526.htm3百度百科螺旋测微器/view/153357.ht