工程力学实验指导

1、工程力学实验指导书班级： 学号： 姓名： 绪 言工程力学是一门研究结构或构件承载能力的科学，如果没有原始的实验数据，强度、刚度、稳定性三大基本问题便无从谈起。 工程力学的发展也同样离不开实验。现有的理论并不能解决全部实际问题，而借助实验方法来进行应力分析，常常是解决问题的有效手段，通过实验应力分析的方法解决了工程中的难题同时，又促进了工程力学理论的发展。 工程力学实验可分为如下三个方面：1、测定材料的力学性质 对一些材料常用的、基本的力学性能指标进行实验测定。例如，通过拉伸、压缩、扭转、冲击、疲劳等试验来测定材料的弹性模量、强度极限、冲击韧度、持久极限等力学参数。在完成这类实验后，应能够通过对

2、变形、破坏现象的观察及断口的分析达到对材料的力学性质有一个透彻的了解。2、验证理论公式 工程力学理论都是建立在一些简化和假定基础上的。对于某一真实受力结构，理论能否正确地反映实际规律，是一个必须要加以验证的问题。尤其可以经过对理论解与实测结果的比较对理论的适用范围及近似解的精度建立一个正确的概念。3、应力分析实验 工程中许多实际受力问题是复杂多变的，是无法用工程力学甚至更高等的固体力学理论来直接解决的。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析的方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得到的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。工程力学实验条件以常温、静载

3、为主。主要测量作用在试件上的载荷和试件的变形。载荷有的要求较大，由几千牛顿到几百千牛顿，故加力设备有的较大；而变形则很小，绝对变形可以小到千分之一毫米，相对变形（应变）可以小到10-510-6，因而变形测量设备必须精密。进行试验，力与变形要同时测量，一般需数人共同完成。这就要求严密地组织协作，形成有机的整体，以便有效地完成实验。实验程序为：1、准备明确实验目的、原理和步骤，数据处理方法。实验用的试件（或模型）是实验的对象，要了解它的原材料的质量，加工精度，并细心地测量试件的尺寸。同时要对试件加载量值进行估算、并拟出加载方案。此外，应备齐记录表格以供实验时记录数据。实验小组成员，分工明确，操作互

4、助协调，有统一指挥，不可各行其是。2、实验开始实验前，要检查试验机测力度盘指针是否对准零点、试件安装是否正确、变形仪是否安装稳妥等。最后请指导教师检查，确认无误后方可开动机器。第一次加载可不作记录（不允许重复加载的试验除外），观察各部分变化是否正常。如果正常、再正式加载并开始记录。记录者及操作者均须严肃认真、一丝不苟地进行工作。实验完毕，要检查数据是否齐全，并注意清理设备。3、实验报告实验报告是实验者最后的成果，是实验资料的总结。报告包括下列内容：（1）实验名称，实验日期，实验人员姓名，同组成员名单。（2）实验目的及原理。（3）使用的机器、仪表应注明名称、型号、精度（或放大倍数）等，其它用具也

5、应写清。（4）实验数据及处理数据要正确填入记录表格内，注明测量单位，如厘米或毫米，牛顿或千牛顿。此外，还要注意仪器的精度。在正常状况下，仪器所给出的最小读数，应当在允许误差范围之内。换言之，仪器的最小刻度应当代表仪器的精度。如：百分表的最小刻度是0.01mm，其精度即百分之一毫米。应按误差分析理论对数据进行处理。表格均应整洁，书写清晰，使人容易看出全部测量结果的变化情况和它们的单位及准确度。实验中所用仪器的度盘若是用工程单位制标定的，数据整理时一律使用国际单位制。（5）在工程力学实验中，用计算器计算，精度足够。但须注意有效数字的运算法则。工程上一般取34位有效数字。（6）除根据测得的数据整理并

6、计算出实验结果外，一般还要采用图表或曲线来表达实验的结果。先建立坐标系，并注明坐标轴所代表的物理量及比例尺。将试验的坐标点用记号“。”或“.”、“”、“×”表示出来。当连接曲线时，不要用直线逐点连成折线，应该根据多数点的所在位置，描绘出光滑的曲线。（7）对实验的结果进行分析，说明其优缺点之所在、精度是否满足要求等。对误差加以分析，并回答教师指定的思考题。实验一 金属材料的拉伸试验一、实验目的与要求1观察低碳钢和铸铁在拉伸试验中的变形及破坏现象。2测绘低碳钢和铸铁试件的载荷变形曲线（曲线）。3测定低碳钢的屈服极限、强度极限、延伸率、断面收缩率和铸铁的强度极限。4比较低碳钢(塑性材料)和

7、铸铁(脆性材料)的拉伸力学性能。二、实验设备和仪器1、游标卡尺2、钢尺3、WE系列电液式万能试验机三、实验原理与方法金属材料拉伸时的屈服极限、强度极限、伸长率、和断面收缩率是由拉伸试验测定的。试验采用的圆截面短比例试样、长比例试件按国家标准制成，如图1-1所示。这样可以避免因试样尺寸和形状的影响而产生的差异，便于各种材料的力学性能相互比较。图中：d0为试样直径，l0为试样的标距，并且短比例试样要求l0=5d0，长比例试件要求l0=10d0。国家标准中还规定了其他形状截面的试样，可适用于从不同的型材和构件上制备试样。图 1-1 金属拉伸试验应遵照国家标准在万能试验机上进行，在实验过程中，万能试验

8、机的显示屏上实时绘出试样的拉伸曲线(也称为Fl曲线)，如图1-2所示。图 1-2 低碳钢试样的拉伸曲线(图1-2a)分为四个阶段弹性、屈服、强化、颈缩阶段。如果在强化阶段卸载，Fl曲线会从卸载点开始向下绘出平行于初始加载弹性阶段直线的一条斜直线，表明它服从弹性规律。如若重新加载，Fl曲线将沿此斜直线重新回到卸载点，并从卸载点接续原强化阶段曲线继续向前绘制。此种经过冷拉伸使弹性阶段加长、弹性极限提高，塑性下降的现象，工程中称为冷作硬化现象。 铸铁试样的拉伸曲线(图1-2b)比较简单，没有屈服阶段，变形很小时试样就突然断裂，断口与横截面重合，断口形貌粗糙。抗拉强度b较低，无明显塑性变形。取下试样测

9、量试样断后最小直径d1和断后标距l1，由下述公式 ， ， ，可计算低碳钢的拉伸屈服点、抗拉强度、延伸率、断面收缩率和铸铁的抗拉强度。如若实验前将试样的初始直径d0，初始标距长度l0等数据输入微型计算机，微型计算机可绘出应力-应变(-)曲线，并在实验结束后给出该材料的屈服点和抗拉强度。四、实验步骤1、试件准备：在低碳钢和铸铁试件上划出长度为l0的标距线，在试样标距段的两端和中间三处测量试样直径，每处直径取两个相互垂直方向的平均值，做好记录。三处直径的最小值取作试样的初始直径d0。2、试验机准备：熟悉WE系列电液式万能试验机的操作方法，开启控制器电源。3、安装夹具：根据试件情况准备好夹具，并安装在

10、夹具座上。若夹具已经安装好，对夹具进行检查。4、设置试验条件：在测试应用程序界面中设置实验条件，主要有试验形式、试样编号、尺寸、材料等。5、夹持试件：将试件的一端夹于上钳口中，启动升降电机调整位置，使下钳口夹紧试件另一端，注意保持试件垂直。6、开始试验：点击主机小键盘上的力值清零，消除加持力；位移清零；按照试验要求的加力速度，缓慢的拧开送油阀进行加力试验。试件断裂后关闭送油阀，取下断裂后的试样，然后打开回油阀卸力。7、记录数据：取下试件，将断裂试件的两端对齐、靠紧，测出试件断后最小直径d1，断后标距长度l1。8、重复实验步骤47，进行铸铁试样拉伸实验。9、读取实验数据，打印曲线。10、经实验指

11、导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验数据及处理1、试件尺寸记录表材料标距l0（mm）直径d0（mm）横载面面积A0（mm2）低碳钢铸铁2、实验数据记录表材料屈服载荷Fs（kN）最大载荷Fb（kN）断后标距l1（mm）断口直径d1（mm）断口横载面A1（mm2）低碳钢铸铁3、实验资料整理结果低碳钢铸铁屈服极限 = MPa/强度极限 = MPa强度极限 = MPa延伸率/断面收缩率=/实验二 金属材料的压缩试验一、实验目的与要求1观察低碳钢和铸铁在压缩试验中的变形及破坏现象。2测定压缩时低碳钢的屈服极限和铸铁的强度极限。3观察铸铁试样的破坏断口，分析破坏原因。4分析比较两种材料拉

12、伸和压缩性质的异同。二、实验设备和仪器1、游标卡尺2、钢尺3、WE系列电液式万能试验机三、实验原理与方法金属材料的屈服极限和强度极限，由压缩试验测定。按试验规范要求，压缩试样应制成短圆柱形(参看图2-1)。 图 2-1图 2-2分析和实验均表明，压缩试验时，试样的上、下端面与试验机支承垫之间会产生很大的摩擦力(参看图2-2)，这些摩擦力将阻碍试样上部和下部产生横向变形，致使测量得到的抗压强度偏高。因而应采取措施(磨光或加润滑剂)减少上述摩擦力。注意到试样的高度也会影响实验结果，当试样高度h0增加时，摩擦力对试样中段的影响减少，对测试结果影响较小。此外，如若试样高度直径比(h0d0)较大，极易发

13、生压弯现象，抗压强度测量值也不会准确。所以压缩试样的高度与直径的比值(h0d0)一般规定为1h0d03。此外，还须设法消除压缩载荷偏心的影响。进行低碳钢压缩试验时，为测取材料的屈服极限，应缓慢加载，同时仔细观察Fl曲线的发展情况，曲线由直线变为曲线的拐点处所对应的载荷即为屈服载荷Fs。材料屈服之后开始强化，由于压缩变形使试样的横截面积不断增大，尽管载荷不断增大，但是，直至将试样压成饼形也不会发生断裂破坏，如图2-3所示。因此无法测量低碳钢的抗压强度Fb，压缩试验载荷变形曲线如图2-3所示。图 2-3图 2-4铸铁压缩试验时，由压缩试验载荷变形曲线(图2-4)可看出，随着载荷的增加，破坏前试样也

14、会产生较大的变形，直至被压成“微鼓形”之后才发生断裂破坏，破坏的最大载荷即为断裂载荷。破坏断口与试样加载轴线约成45º角(如图2-4)。由于单向拉伸、压缩时的最大切应力作用面与最大正应力作用面约成45º角，因此，可知上述破坏是由最大切应力引起的。仔细观察试样断口的表面，可以清晰地看到材料受剪切错动的痕迹。四、实验步骤1、测量试样尺寸：用游标卡尺测量试样高度h0，测量试样两端及中部三处截面的直径，每处直径为相互垂直方向直径的平均值，取三处直径中的最小值为初始直径d0，并用其计算截面初始面积A0。2、试验机准备：熟悉WE系列电液式万能试验机的操作方法，开启控制器电源。3、设置试

15、验条件：在测试应用程序界面中设置实验条件，主要有试验形式、试样编号、尺寸、材料等。4、安装试件：将试件准确地放在试验机活动平台承垫的中心位置上。5、开始实验：缓慢均匀地加载，注意观察载荷变形(F-l)曲线，找出压缩屈服点，进入强化阶段后，观察试样变形，由于试样为塑性材料，试样压成饼形也不会发生断裂破坏，因此无法测量低碳钢的抗压强度，试样发生较明显变形后，可以卸载。6、铸铁压缩试验的步骤与低碳钢压缩相同。但因铸铁破坏是脆断，试样发生一定变后，会发生断裂破坏，为防止试样压断时可能有碎屑崩出，试验前应在试样周围加设有机玻璃防护罩。铸铁压缩试验只能测得试样的断裂载荷Fb。注意观察试样断裂后的变形和断口

16、的表面形貌。7、读取实验数据，打印曲线。8、经实验指导教师检查实验结果后，结束实验并整理实验现场。五、实验数据及处理1、实验数据记录表材料直径d0（mm）横载面面积A0（mm2）屈服载荷Fs（kN）最大载荷Fb（kN）低碳钢铸铁2、实验资料整理结果低碳钢铸铁屈服极限 = MPa/强度极限 = MPa实验三 等强度梁实验一、实验目的1、学习应用应变片组桥，检测应力的方法2、验证变截面等强度实验3、掌握用等强度梁标定灵敏度的方法4、学习静态电阻应变仪的使用方法二、实验装置及实验梁的安装实验装置为BZ8001多功能力学实验台（如图3-1所示） 图3-1 多功能力学实验台该实验台采用蜗杆机构以螺旋千斤

17、方式加载，经传感器由数字式测力仪测试出力的读数；各试件受力变形，通过应变片由电阻应变仪显示，实验数据可由计算机处理。 技术参数： 试件最大作用载荷 8KN 加载机构作用行程 55mm 手轮加载转矩 02.6N·m 加载速度 0.13mm/转（手轮） BZ8001多功能力学实验台主要零部件如图3-2 图3-2 多功能力学实验台及其附件图1、等强度梁的正应力的分布规律实验装置，其装置如图3-3所示。图3-3 等强度梁安装图2、等强度梁的安装与调整：在如图3-3所示位置处，将6.拉压力传感器安装在5.蜗杆升降机构上拧紧，顶部装上7.压头。摇动4.手轮使之降到适当位置，以便不妨碍等强度梁的安

18、装。将等强度梁如图放置，调整梁的位置使其端部与2.紧固盖板对齐，转动手轮使6.压头与梁的接触点落在实验梁的对称中心线上。调整完毕，将1.紧固螺钉（共四个）用扳手全部拧紧。注意：实验梁端部未对齐或压头接触点不在实验梁的对称中心线上，将导致实验结果有误差，甚至错误。3、等强度梁的贴片：等强度梁实物如图3-4图3-4等强度梁实物1、2、3片分别位于梁水平上平面的纵向轴对称中心线上，1、3片关于2片成左右对称分布，如图3-5所示图3-5 等强度梁贴片图三、实验原理1、电阻应变测量原理电阻应变测试方法是用电阻应变片测定构件的表面应变，再根据应变应力关系（即电阻-应变效应）确定构件表面应力状态的一种实验应

19、力分析方法。这种方法是以粘贴在被测构件表面上的电阻应变片作为传感元件，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，利用电阻应变仪将此电阻值的变化测定出来，并换算成应变值或输出与此应变值成正比的电压（或电流）信号，由记录仪记录下来，就可得到所测定的应变或应力。2、电阻应变片 电阻应变片一般由敏感栅、引线、基底、覆盖层和粘结剂组成，图3-6所示为其构造简图。图3-6 电阻应变片基本构造示意图3、测量电路原理 通过在试件上粘贴电阻应变片，可以将试件的应变转换为应变片的电阻变化，但是通常这种电阻变化是很小的。为了便于测量，需将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号，再通过电子放大器将信号放大，

20、然后由指示仪或记录仪指示出应变值。这一任务是由电阻应变仪来完成的。而电阻应变仪中电桥的作用是将应变片的电阻变化转换成电压（或电流）信号。电桥根据其供电电源的类型可分为直流电桥和交流电桥，下面以直流电桥为例来说明其电路原理。31 电桥的平衡 直流电桥如图3-7所示，电桥各臂、可以全部是应变片（全桥式接法），也可以部分是应变片，其余为固定电阻，如当、为应变片，、接精密无感固定电阻时，称为半桥式接法。 桥路AC端的供桥电压为E，则在桥路BD端的输出电压为：图3-7 测量电桥由上式可知，当桥臂电阻满足: 时，电桥输出电压U=0 ，称为电桥平衡。32 电桥输出电压 设起始处于平衡状态的电桥各桥臂（应变片）的电阻值都发生了变化，即：, , , 此时电桥输出电压的变化量为：可进一步整理为：对以下常用的测量电路，该输出电压的变化可作进一步简化：a) 全等臂电桥 在上述电桥中，各桥臂上的应变片的起始电阻值全相等，灵敏系数也相同，于是以代入上式，得b) 半等臂电桥 当、为起始电阻值和灵敏系数都相同的应变片，、接精密无感固定电阻，此时c) 1/4电桥 当、起始电阻值相同，为灵敏系数的应变片，、接精密无感固定电阻，此时33 电桥电路的基本特性 a）在一定的应变范围内，电桥的输出电压与各桥臂电阻的变化率或