现代固体实验技术实验3实验3动荷因子的计算

实实验验报报告告 一 实验目的和要求一 实验目的和要求 1 用实验的方法测定冲击应力及动荷系数 同时了解和掌握动应力的电测原理 方法及仪器 动 态应变仪和计算机大容量数据自动采集等 2 利用测试分析软件 测量梁的冲击振动固有频率 3 分析梁在冲击载荷作用下 梁的动应变形式和冲击高度之间的关系 二 实验内容和原理二 实验内容和原理 1 悬臂梁冲击动菏系数 假设不计冲击物的变形 冲击物与构件 被冲击物 接触后无回弹 二者合为一个运动 系统构件 的质量 惯性 与冲击物相比很小 不考虑被冲击构件内应力波的传播 冲击应力瞬时传遍整个构件 材料服从虎克定律 冲击过程中 声 热等能量损耗很小 可略去不计 实验表明 在静载荷下服从虎克定律的材料 只要应力不超过比例极限 并且应变速率较低或者材 料对应变速率不敏感时 在动载荷下虎克定律仍成立且 E静 E动 根据能量守恒 可以获得自由落体在高度 h 时的冲击动荷系数理论解 ststst 2 11 dd d H K 下标 st 将冲击锤重量当作静载加到冲击点引起的冲击点位移或者应力 下标 d 冲击引起的冲击点位移或者应力 H为落锤高度 P 为落锤重量 对于悬臂梁受冲击载荷 相应的静态位移与应力为 3 st 3 Pc EI st MPc WW 实测动应力为 课程名称 现代固体实验技术指导老师 成绩 实验名称 实验三 冲击动应变的自动采集 学生姓名学号 令狐烈 2 0 A dd E K E 仪 仪 其中 A 为 2 半桥 或者 4 全桥 图 1 受冲击载荷的悬臂梁 2 悬臂梁受冲击后的振动衰减 悬臂梁在冲击载荷的作用下产生自由振动 并逐渐衰减 其振动的第一阶固有频率理论解为 5 0 3 2 EI f mL 0 356 其中 E 为材料弹性模量 对于钢材 2 12 1011N m2 I 为梁截面惯性矩 m 为悬臂梁伸出部分的 质量 由记录曲线可得实验解 0 1 n f ttn 三 主要仪器设备 必填 三 主要仪器设备 必填 1 悬臂梁 2 悬臂梁冲击实验装置 应变片使用 BX120 5AA 3 XL2102A 动态应变仪 XL3402C 动态数据采集分析仪 装有数据采集和测试分析软件的计算机 4 游标卡尺 卷尺 接线盒等 四 操作方法和实验步骤四 操作方法和实验步骤 1 测量和记录悬臂梁长 L 宽 b 厚 h 落锤质量 m 落锤下落高度 H 应变片到落锤落点的距离 a 采用全桥接线连接电桥 2 动态测试操作过程 1 仪器预热 待系统稳定后进行相应操作 2 采用触发采样或者随机采样功能 按 采样 键 进行冲击实验 并调整冲击高度 3 通过时间域波形图测读出振动周期换算出频率 通过软件的分析功能在 谱分析 功能下 测 读出振动频率 3 实验结果处理 五 实验数据记录和处理五 实验数据记录和处理 1 应变片布片与梁几何参数 应变片灵敏度系数 K 2 02 1 阻值 R 120 2 0 1 梁的杨氏模量取 E 212GPa 密度 7 85g cm 图 2 应变片布片方案 2 器件参数 悬臂梁长 L mm 横截面宽度 b mm横截面高度 h mm落锤质量 m g 61450 406 00435 5 表 1 器件参数 3 冲击实验 实验序号落锤高度 mm落点位置 mm4 最大应变10 周期 13135600 0026633130 84668 21525580 0016746800 83728 32105460 0020989310 84548 表 2 三次冲击实验数据记录 波形图见附录 4 冲击实验数据处理 实验序号静应力 MPa实验动应力 MPa实验动荷系数理论动荷系数误差 17 90146 80218 5722 9719 15 27 8892 308411 7216 4128 58 37 71115 69315 0119 7023 80 实验序号理论频率 Hz测得频率 Hz误差 111 81111 53 211 94310 55 3 13 41 11 82811 41 表 3 三次冲击实验数据处理 七 讨论七 讨论 1 1 频率与动荷系数实验解与理论解之间的误差分析频率与动荷系数实验解与理论解之间的误差分析 频率误差 1 实际振动为欠阻尼振动 由振动力学可知有阻尼振动的周期大于无阻尼振动的周期 因此实测频率 小于理论频率 2 使用的杨氏模量为 212GPa 该值很可能比实际值偏高 3 悬臂梁固定端的固定情况会影响到梁的频率 如果夹板固定不牢增加了悬臂梁的有效长度 由于固 有频率与有效长度的平方成反比 这同样会使得测得的固有频率偏低 缩小频率误差可以从加固固定端 减小环境干扰的角度入手 动荷系数误差 1 动荷系数的理论解基于这样的假设 重物落在物体上后不反弹 下落后重物永久失去的所有机械能 转变为对物体做的功 但是在实验中的情况是落锤砸在梁上反弹一次后就收回落锤 目的是避免对梁的 固有频率测量产生影响 这是实验得到的动荷系数比理论值低的主要原因 2 为清楚地判断落锤的落点 在梁的自由端涂了粉笔 如果落锤下落后与笔粉接触打滑同样会造成测 得的动应力偏低 3 电阻变化具有滞后性 电压峰值可能因此偏低 减小动荷系数误差可以采用刚度大的材料制梁 或者用小质量高粘性的重物在高处落下模拟大质量重物 在低处落下 2 2 梁固有频率和振动波形后期衰减振动振动频率有什么区别 梁固有频率和振动波形后期衰减振动振动频率有什么区别 振动波形的频率是梁所有模态的叠加 而固有频率是相对于模态而言的 但在后期衰减振动中 由于高 频振型幅值小 衰减快 因此后期衰减振动的振动频率比前期受低频振型的主导更大 3 3 动应力测试与静应力测试有何异同 应注意什么问题 动应力测试与静应力测试有何异同 应注意什么问题 动应力测试依赖于数据采集系统 得到的是连续变化的值 只能采用全桥接法 测量误差较大 静应力 测试得到的是静止稳