薄壁圆筒实验论文

薄壁圆筒受内压、弯、扭组合载荷时内力素及主应力的测定实验的研究与创新拓展作者：金宇晖单位：热动0808班学号：U200811448薄壁圆筒受内压、弯、扭组合载荷时内力素及主应力的测定实验的研究与创新拓展作者：单位：学号：摘要：工程实际中的构件往往是几种基本变形的组合，处于复杂应力状态下。要确定这些构件上某点的主应力大小和方向，也就比较复杂，甚至有些复杂的工程结构尚无准确的理论公式可供计算，在这种情况下，常常要借助实验的方法解决，如电测法。我们在对薄壁圆筒受内压、弯、扭组合载荷时内力素及主应力的分析测定中，使用电测法，通过应变片以及静态电阻应变仪来测定局部应变。由于在电桥种类以及应变片的选择方式上的多样，使我们在不同的需要时，都能够找到相对合适的方法来测定所需物理量。本实验是对各种电测方法的综合测试，既展示了不同的桥路的使用方式与应用环境，又提供了一个让我们自主探究新方法的机会。关键词：薄壁圆筒内压弯扭内力素主应力应变电桥本实验需要测定的是薄壁圆筒受内压、弯、扭组合载荷时油液的压强以及指定截面上的弯矩、扭矩、剪力和轴力，同时还有指定点的主应力和主方向，并与理论值进行比较。实验的装置如图所示，左端固定，籍固定在圆筒右端的水平杆加载。圆筒两头封闭，左端面有注油接头，可用手动泵从此处向圆筒内腔注入压力油。注油接头上方设有放气栓。当通过固定在圆筒右端的水平杆加载时，可实现薄璧圆筒受弯、扭组合载荷作用；当同时注入内压时，可实现薄璧圆筒受内压、弯、扭组合载荷作用。薄壁圆筒用不锈钢1Cr18Ni9Ti制造，材料弹性模量E=202GPa，泊松比μ=0.28，圆筒外径D=40mm，内径d=36.40mm。下面我们来简述一下实验的相关原理，实际的实验将按照下面说的要求来进行。对于电桥及应变片等实验基础，这里将不在详细论述。实验使用程控静态应变仪进行应变的测定。参数设定为：0#K=2.72实验理论与计算篇：弯矩的测定为测定弯矩，可选用应变片m和n，他们均感受到弯矩和内压所引起的应变，且按图组桥，依据电桥的加减特性，则仪器读数，继而可以算出弯矩M。扭矩测定为测定扭矩，可选用应变片a、b、c、d。按图组桥，依据电桥的加减特性，则仪器读数，说明仪器读数是扭转主应变的4倍，就可以算出扭矩T。弯曲剪力测定为测定弯曲剪力，可选用应变片e和f，他们均处于弯曲变形中性层位置，该处弯曲正应力为零，弯曲切应力达最大值。将e和f按图组桥，则仪器读数说明仪器读数是最大弯曲切应力产生的主应变的2倍，就可以计算出剪力。主应力及主方向测试薄壁圆筒受内压、弯、扭组合载荷时其径向应力可忽略不计，因此测点的应力状态可视为平面应力状态。测量某点的主应力和主方向时，必须在测点布置三枚应变片。我们采用的是三敏感栅轴线互成120度角的等角应变花。由应变分析和应力分析理论知，我们可以按以下公式计算主应力和主方向：内力素测定的相关实验情况如下表所示测量对象量系数α加载级数读数应 i∆F变增量 (N)εdu(ε)123读数应变增量平均值(ε)300300300εM2εduM（ε）325324326325εduM（ε）--1+2εT4εduT（ε）545544546545∆εduT（ε）--1+2ε2εdu（ε）35323233εdu（ε）--30主应力、主方向测定的相关实验情况如下表所示加载级数iF(N)读数应变增量εdu(ε)123数应增量均值ε300300300300o o120 0oεu (ε)205204204204.3∆εdu(ε)--1012o 60o00oεu (ε)-121-122-122-121.7∆εdu(ε)--102o 60o00oεdu(ε)133131131131.7∆εdu(ε)--20下面我们根据实验的相关数据进行计算。弯矩：εM=0.5Xεdu均=162.5ε而实验中：δ=0.5X（40-36.4）mm=1.8mmR=19.1mm则M=EεpπR3δ/y=67.72N.m理论上：M0=FpXl4=72N.mσ=M0y/πR2δ=34.90MPa相对误差α=|(M-M0)/M0|X100%=5.9%扭转：εT=εdu均/4=136.25ετ=GεT=21.49MPaτ=T/2πR2ε∴T=88.68N.m理论上：T0=FpXh=90N.m相对误差α=|(T0-T)/T0|X100%=1.5%剪切：εFs=εdu均/2=16.5ετFs=E/2(1+μ)XεFs=1.30MPaτFs=Fs/πRδ∴Fs=140.41N理论上：Fs=300N可以看出，实验值几乎为理论值的一半，而根据相关实际情况证明，很有可能是其中一个应变片出现故障，造成读出的应变只有一个应变片的值。主应力、主应力方向：σ1==51.23MPaσ2==-11.15MPa=-1.1α0=-23.88°理论：σ=M/(Wδ)=34.90MPaτ=T/(Wp)=21.81MPaσ1=45.38MPaσ2=-10.48MPaα0=-28.47°相对误差：ασ1=12.9%ασ2=6.39%αα0=16.1%本实验的相关计算就是如上的信息。除了剪切力的实验值存在一定的问题，很有可能是其中一个应变片出现了故障，其他的都充分验证了理论，实验的结果还是准确可靠地。实验的主要误差还是来自于实验线路的接触电阻以及实验仪器的损坏或者老化。实验拓展篇：考虑到电测实验的可拓展性，我们可以采用不同的电桥设计来测相同的量。下面就是我们设计的创新电路。现在将理论电路进行说明。实际上，由于实验电路的性能有所差异，我们测的量的性质也不同，所以实验中我们发现，创新方案的效果还是不怎么好，有着较大的误差。拓展1：半桥测扭矩εdu=εa-εb=2εT拓展2：全桥侧弯曲剪力εdu=εe-εf+εg-εh=4εFs实验心得感悟篇：本学期一系列的工程力学实验结束了。其实留给我们很多的思考。实验前，老师对我们的预习有着较高的要求，在我们进行实验时就充分明白预习的重要性。当我们良好地预习完实验后，我们就对实验有了大致的了解，知道我们需要得到什么，需要注意什么。在老师为我们讲解实验中需要注意的内容时，我们就能比较清晰地明白。工程力学实验是我们对力学课程很好的补充。对于我们来说，今后需要面对太多实际的力学问题需要考虑，那绝对不是看看书就能知道的。力学构件对于工程安全与稳定起着几乎是决定性的作用，我们在选取材料的时候要十分慎重，要充分考虑各种可能的情况。不同金属的不同属性只有亲眼看了才知道。而电测系列实验对我的启发性是很大的。电桥的特殊性质可以让我们自由设计合理的情况来测出我们需要的东西。应变的值可以很直接从实验仪器上面读出，而对于我们，整个中间环节我们都不用太在意，我们需要在意的是电桥、应变以及结果之间的关系。在这次的论文设计之中，我们使用了不同的组桥方式来测量相应的值。我们也尝试了自己设计电桥，但是我们发现，不同的方法测同样的值有很大差别。显然，方法有好有坏。这就提醒我们，在今后设计实验的时候，要充分依靠理论分析实验的方法，选出最准确最简洁的方法来进行。在我们的实验过程中，很多时候，实验的结果实在不那么准确，经常出现大于5%的误差。我可以说，我们的操作在绝大部分情况下是规范的，实验的大误差也确实来自于整套实验设备存在的系统误差，例如接触电阻或者装置损坏。当然，在我们现有的条件下，我们的实验主要还是辅助理论认识的，并没有足够的条件进行更加细致的理论分析，尤其是对力学中某些假设的精确认证。在有限的时间与条件下，我们基本上实现了