实验指导-工程力学要点

实验一 电阻应变片的粘贴技术

一、实验目的

1.了解电阻应变片粘贴工艺的全过程 2. 初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术。

二、实验设备和器材

1.常温用电阻应变片。 2.数字式万用表。 3.502粘结剂。

4.电烙铁、镊子、铁沙纸等工具。 5.矩形截面梁试件，温度补偿块。 6.丙酮、药棉等清洗器材。 7.防潮用硅胶。 8.测量导线若干。

三、实验方法和步骤

1.选片：在确定采用那种类型的应变片后，用肉眼或放大镜检查丝栅是否平行，有否霉点、锈点、用数字式万用表测量各应变片电阻值，选择电阻值差在土0．5欧姆内的8~10枚应变片供粘贴用。

2.测点表面的清洁处理：为使应变片与被测试件贴得牢,对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂轮，锉刀或砂纸打磨；使测点表面平整并使表面光洁度达6。然后用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。然后用划针在测片位置处划出应变片的座标线。打磨好的表面，如暂时不贴片，可涂以凡士林等防止氧化。

3.贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，一手捏住应变片引出线，把应变片轴线对准座标线,上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变片的长度方向滚压，挤出片下汽泡和多余的胶水，直到应变片与被测物紧密粘合为止。手指保持不动约1分钟后再放开，注意按住时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。注意粘结剂不要用得过多或过少，过多则胶层太厚影响应变片性能，过少则粘结不牢不能准确传递应变。

4.干燥处理：应变片粘贴好后应有足够的粘结强度以保证与试件共同变形。此外，应变

片和试件间应有一定的绝缘度，以保证应变读数的稳定。为此，在贴好片后就需要进行干燥处理，处理方法可以是自然干燥或人工干燥。如气温在20℃以上，相对湿度在55％左右时用502胶水粘贴，采用自然干燥即可。人工干燥可用红外线灯或电吹风进行加热干燥，烘烤时应适当控制距离，注意应变片的温度不得超过其允许的最高工作温度,以防应变片底基烘焦损坏。

5.接线：应变片和应变仪之间用导线连接。需根据环境与试验的要求选用导线。通常静应变测定用双蕊多股平行线。在有强电磁干扰及动应变测量时，需用屏蔽线。焊接导线前，先用万用电表检查导线有否断路，然后在每根导线的两端贴上同样的号码标签，避免测点多时造成差错。在应变片引出线下，贴上胶带纸，以免应变片引出线与被测试件(如被测试件是导电体的话)接触造成短路。然后把导线与应变片引线焊接在一起，焊接时注意防止假焊。焊完后用万用电表在导线另一端检查是否接通。

为防止在导线被拉动时应变片引出线被拉坏，可使用接线端子,接线端子相当于接线柱，使用时先用胶水把它粘在应变片引出线前端,然后把应变片引出线及导线分别焊于接线端子的两端，以保护应变片，如图1-1所示。

图1-1 应变片的保护

6.防潮处理，为避免胶层吸收空气中的水份而降低绝缘电阻值，应在应变片接好线并且绝缘电阻达到要求后，立即对应变片进行防潮处理。防潮处理应根据试验的要求和环境采用不同的防潮材料。常用的简易的防潮剂可用703、704硅胶。

四.实验报告

1.简述贴片、接线、检查等主要实验步骤。

实验二 矩形截面梁弯曲正应力电测实验

一、实验目的

1.用电测法测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力的大小及分布规律，并与理论计算值相比较，以验证弯曲正应力理论公式。 2.掌握电测法原理和电阻应变仪的使用方法。 二、实验设备、器材及试样 1.静态电阻应变仪 2.游标卡尺、钢尺。

3.纯弯曲梁装置(或悬臂梁装置)一套。

4.贴有电阻应变片的矩形截面梁和温度补偿块。 三、实验原理

在如图 (a)所示的矩形截面梁纯弯曲段AA截面上或如图 (b)所示的悬臂梁的邻近固定端AA截面上,沿梁高度方向且平行于轴线粘贴5片电阻应变片，每片间距为h/4（h为梁的高度），如图 (c)所示。当梁受载后，电阻应变片随梁的弯曲变形而产生伸长或缩短,使自身的电阻改变。通过力学量的电测法原理，利用电阻应变仪即可测出梁横截面上各测点的应变值与。再依据虎克定律即可求出相应各测点的应力值，即σ =Eε实。

实验采用等增量法。即每增加等量的载荷ΔF,测定一次各测点相应的应变增量,并观察各测点应变值的线性程度。载荷分为3~5级,最大载荷Fmax的选取,应依据梁的最大应力σmax<(0.7~0.8Ms以为材料的屈服点)来确定。当加载至最后一级,测取各测点应变值后,即卸载。本实验重复三次，最后取三次应变测量值的平均值来计算各测点实验应力值。然后再与应力

的理论值进行比较,以期检验理论公式σ理=My/I的正确性(M为AA截面上弯矩,y为测点离中性轴的距离,I为AA截面对中性轴的惯性矩)。 五、实验步骤

1. 测量矩形梁的截面尺寸(宽度b、高度h,载荷作用点至支座距离a、载荷作用点至测量截面的距离b)，以及粘贴电阻应变片的位置尺寸等。

2.根据梁的截面尺寸及支座条件、材料的σs值，确定分级加载时每级的大小和级次以及最大载荷值。

3.实验采用多点半桥公共补偿测量法，将5个应变测量片和公共温度补偿片分别接到预调平衡箱上。根据电阻应变片所给出的灵敏系数K值调好电阻应变仪的灵敏系数。

4.依照静态电阻应变仪的操作使用方法,利用给定的标准电阻对应变仪进行检验并调平衡，然后再对诸测点预调平衡。实验时应变仪采用零读数法。

5.按照所拟定的加载方案逐级加载。每加一级载荷,相应测读一次各点的应变增量，直至加到预计的最大载荷为止。然后，全部卸载，应变仪回到初始平衡状态。重复上述测试步骤三次,取其实测值的平均值。

6.实验结束,卸载。关闭应变仪，清理现场。 六、实验数据处理

1.根据实验记录，将载荷、各测点相应的应变读数及读数增量填写在报告记录表中。 2.计算各测点的应变增量平均值ε实及应力增量平均值σ实，梁的弹性模量E为210 GPa。 3.根据理论公式求出在弯矩增量M=1/2Fa作用下的应力增量σ理。

4.将不同点的σ实与理论公式求出的σ理分别画在坐标纸上（纵坐标为点的位移，横坐标为应力值）进行比较。

实验五 电阻应变片横向效应系数的测定

一、实验目的

1.学会一种测定电阻应变片横向效应系数的方法。 2.练习使用静态电阻应变仪。 二、实验仪器和设备

1.贴有应变片的等强度梁，补偿块及加载装置。 2.静态电阻应变仪。 三、实验原理和方法

图5-1 等强度梁贴片图

在等强度梁表面上轴向和横向贴有两个应变片(见图5-1) R1和R2，当等强度梁受力而弯曲时应变片1受拉应变1，应变片2因泊松效应受压应变21，用电阻应变仪分别测量

RR其相对电阻变化和有下列公式：

RR12（5-1）

其中K仪为电阻应变仪灵敏系数设定值（一般令K仪=2.0），假设测量两个应变片的

R时RK仪放在相同位置。

KL为应变片纵向灵敏系数。

KB为应变片横向灵敏系数。

为梁材料的泊松比，已知=0.285 (钢材) 。

应变片的横向效应系数H=KB，式（5-1）的两式相除，得下式： KL（5-2）

由此可解得：

（5-3）

其中，若1仪为正，则2仪为负。

四、实验步骤

1、等强度梁正反面各贴有一对应变片R1和R2、R3和R4 , 补偿块上有应变片R5和R6, 将R1-R4与R5或R6半桥接法分别接入电阻应变仪，预调零点。

2、加载10公斤, 用应变仪测出1仪、2仪、3仪、4仪记录在表5-1中，加卸载三次，取三次应变读值的平均值 。

3 、 按公式（5-3）计算横向效系数H, 将正反面两对应变片所算得的H ,取平均值。

表5-1 测定横向效应系数实验数据 K仪=2.0

五、实验报告要求

1、讨论实验结果和实验误差。 2、简述实验方法。

实验六 低碳钢弹性常数E、的测定

一、实验目的

1.在比例极限内验证虎克定律并测定材料的弹性模量E及泊松比μ。 2.熟练使用电阻应变仪。 二、实验设备 1.电阻应变仪。 2.组合试验台。 3.钢尺。

三、实验原理及装置

测定材料的弹性常数时，一般采用在比例极限内的拉伸试验。采用矩形截面试件(GB228—76规定选取)，在试件中央部分两侧沿纵向和横向各贴二片电阻应变片（如图5-1），温度补偿片贴在不受力的与试件相同的材料上，一般取两侧读数的平均值作为测量结果。

图5-1 矩形截面试件

为了验证虎克定律和消除测量中的可能产生的误差，本试验采用增量法逐级加载，每增加相同的载荷增量P，测量相应的纵向应变应变之差1,3算出其纵向应变增量

1,3及横向应变2,4。再由两次载荷的纵向

132。同理算出其横向应变增量

纵

横242，其中1、2、3和4分别为应变片R1、R2、R3和R4的应变增量。

然后取纵向应变增量的平均值纵代人虎克定律计算出弹性模量

P纵0，由横向应变

增量的平均值横与纵向应变增量的平均值纵的比值计算出泊松比横截面面积A0=a × b。

横纵，其中试件

在实验前要拟订加载方案。拟订加载方案时根据上述要求，一般考虑以下几点： 1.由于在比例极限内进行试验，故最大应力值不能超过比例极限，碳钢一般取屈服极限的70—80％。

2.初载荷可按屈服载荷的10％来选定。 3.至少应有4—5级加载。 四、实验步骤 1.测量试件尺寸。

2.将工作应变片接在仪器的A、B接线柱上，补偿片接在B，C接线柱上。然后按仪器使用方法将仪器调整好。

3.先加初载荷P。．然后每增加相同载荷△P，记录相应的应变值。 4.重复以上试验三次。 5.请教师检查试验数据。 五、实验结果的处理

1.取几次实验数据最好的一组列表计算，表格形式自拟。

纵向应变平均值

纵横132

22 横向应变平均值

2.根据载荷计算应力值

P31A0为纵坐标,纵向应变值2为横坐标，画出其应力-应变曲

线。观察各点是否近似在一直线，以验证虎克定律。

实验七 用应变花测悬臂管的应力状态

一、 概述

在工程实际中,许多构件和零件在外力作用下,往往同时发生两种或两种以上的基本变形。经力学简化后,这些杆件表面一般处于平面应力状态,测定其表面的主应力大小和方向,对它们的强度分析有着重要的意义。 二、 实验目的

1.测量薄壁圆管在弯曲和扭转组合变形下,其表面A点处的主应力大小和方向。 2.掌握用应变花测量某一点主应力大小及方向的方法。 3.将测点主应力大小与该点主应力的理论值进行比较分析。 三、实验装置及仪器

1.弯扭组合变形实验装置如图 (a)所示，装置上的薄壁圆铝管试样一端固定，,另一端自由。在自由端装有与圆管轴线垂直的加力杆，该杆呈水平状态。载荷F作用于加力杆的自由端。此时，薄壁圆管受到弯矩和扭矩联合作用。在距其自由端为L1的表面A点处，贴有一个45º应变花(或60º应变花)，如图 (b)所示。设圆管的外径为D，内径为d，载荷作用点至圆管轴线的距离为Lz。 2.静态电阻应变仪。 3.游标卡尺、钢尺等。

四、 实验原理

在平面应力状态下某一点的主应力及主方向可借助于贴在该点处的应变花来测定。本实验采用45°应变花,设其中R0应变片沿圆管的轴向方位。由平面应变和应力分析得主应变和主应力分别为

其中材料弹性模量E和泊松比μ为给定值; 的应变测量值。

和

分别为

和

为

应变片(即应变片轴线和圆管轴线平行)

的应变测量值。

应变片的轴线方向)的夹角为

设最大主应力σ1的方向与圆管轴线(亦即

这里应注意,σ1的方向判断原则是:它距最大应变值最近。 五、 实验步骤

1. 测量薄壁圆管试样的有关尺寸〈L1,L2,D,d〉并记录。材料常数E和μ由实验室给出。 2.采用多点半桥公共补偿法测量。将应变花的3个应变片和温度补偿片接到预调平衡箱的电桥上。

3.检查接线无误后,按应变仪的使用方法调整各测点电桥,使之处于平衡。

4.采用等增量法加载,级次为5级。用砖码加载,读取各测量片的应变值。当达到最大载荷并记录相应应变值后,立即卸载,应变仪应当回到初始平衡状态。

5.重复三次实验,直至取得三次测量数据,并取其算术平均值或者用最小二乘法处理数据。

实验十 光弹性实验方法观察实验

一、概述

工程实际中有很多构件，例如工业中的各种机器零件，它们的形状很不规则，载荷情况也很复杂，对这些构件的应力进行理论分析有时非常困难，往往需要实验的方法来解决，光弹性试验就是其中之一，这里我们仅就光弹性试验作一简单的介绍。

光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值。尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。

二、实验目的

1.了解光弹性仪的构造及光弹性试验的原理和方法。 2.了解应力光图及计算条纹序数n的方法。

三、实验设备与工具

1. 数码光弹仪。 2. 环氧树脂光弹模型。

四、实验基本原理

光弹性试验是应用光学方法研究受力构件中应力分布情况的试验，在光测弹性仪上进行，先用具有双折射性能的透明材料制成和实际构件形状相似的模型，受力后，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的映象，根据它即可推算出构件内的应力分布情况，所以这种方法对形状复杂的构件尤为适用。

图10-1 光弹性试验的光学效应示意图

如图10-1，自然光通过偏振器成为平面偏振光（在AA1平面中），平面偏振光垂直地射在模型上某一O点，如果模型未受力，则光线通过后并无改变，但如果O点有应力，这时将出现暂时双折射现象，如果图10-1中O点的二个主应力1及2方向已知，则平面偏振光通过受力模型O点后，分解成二个与1及

2方向一致的平面偏振光，二者之间产生一光程差δ，光程差与主应力差（1-2）及模型厚度t成正比，

即： δ=kt（1-2）

式中k为光学常数，与模型材料及光的性质有关。分解了的二束光线通过分析器后重新在BB平面内振动，这样就产生光的于涉现象。

我们知道由分析器出来的光线强度

 I=Isin2(2α)sin2()

其中λ为光的波长，I为偏振器与模型间偏振光的强度，α为偏振平面AA1与主应力1的夹角。由上式可见，光强I为零时有以下四种情况：

① I=0，这与实际情况不符，因为只有在无光源时I才会是零。

②δ=0，由公式δ=kt（1-2）可知1-2=0，即1=2，符合这些条件的点称为各向同性点。如果1=2=0则称为零应力点，这种点在模型上皆为黑点（因为光强等于零），例如纯弯曲梁上中性轴上各点1=2=0，故模型中性层处为一条黑线。

n2③sin(2α)=0，即α=(n=0,1,2,3……)这说明模型上某点主应力方向与偏振镜光轴重合，模型上也呈

黑点，这类黑点构成的连续黑线称为等倾线，等倾线上各点的主应力方向都相同，而且偏振镜光轴的方向也就是主应力的方向。

④sin=0，以公式δ=kt（1-2）代人，则sinkt (1-2) =0，于是可得

n 1-2=kt (n=0,1,2,3……)

图10-2 圆偏振光场示意图

令f =/k为材料条纹值，该值可用实验方法测定。所以

nf 1-2=t( n=0,1,2,3……..)

上式表明，当模型中某点的主应力差值为f/t的整数倍时，则此点在模型上呈黑点，当主应力差为f/t的某同一整数倍的各个暗点，构成连续的黑线称为等差线（在此线上各点的主应力差均相等）。

由于应力分布的连续性，等差线不仅是连续的，而且它们之间还按一定的次序排列，对应于n=l的等差线称为一级等差线或称一级条纹，对应于n=2的等差线称为二级等差线或二级条纹，依次类推，其中n称为条纹序数，以上是根据光源用单色光讲的。如果光源用白光，则模型上具有相同主应力差的各点则形成颜色相同的光带，所以这时的等差线又称为等色线。

由以上讨论可知，根据模型中出现的各向同性点、零应力点、等倾线、等差线（等色线），借助于一些分析计算，就能求出模型中各点应力的大小和方向。

从上述基本原理可知，在使用单色光源时，等倾线与等差线都呈黑色，不易辨认，为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在光弹性仪两偏振镜之间装上二块1／4波长片，形成圆偏振光场，可把等倾线消除，只剩下等差线，圆偏振光场如图10-2所示。

图10-3 对径受压圆盘等差线图

五、光弹实验演示

观察对径受压圆盘的等差线，如图10-3。 六、实验报告

简述圆偏振光场的形成步骤。

实验十四 综合性实验

本实验主要是考查学生对于本课程的掌握程度，要求学生针对现实生活中的某一种力学现象，根据所学的相关知识，利用实验室现有的实验设备，做出一个实验方案。

实验方案包括以下内容： 1、 实验目的 2、 实验设备 3、 实验原理 4、 实验操作步骤