最新船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗

1、船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)實驗船舶與海洋工程實驗教學(xué)中心實驗項目板的彎曲與穩(wěn)定實驗(2學(xué)時)等強(qiáng)度梁實驗 (以下三項實驗為2學(xué)時)彎扭組合實驗 矩形截面梁的純彎曲實驗 一、板的彎曲與穩(wěn)定實驗（一）實驗?zāi)康模ǘ嶒炘?（三）實驗儀器、裝置及工具 （四）實驗方法與步驟 （五）注意事項 （六）預(yù)習(xí)要求 （七）問題討論 （一）實驗?zāi)康?1、對平板筒形彎曲現(xiàn)象有一感性認(rèn)識和比較明確和清晰的概念，為理論學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2、使對船舶結(jié)構(gòu)模型實驗概念初步了解。3、通過對圓柱殼進(jìn)行抽真空，驗證其殼板局部失穩(wěn)形式，觀察失穩(wěn)波形；4、學(xué)習(xí)掌握實驗的技能 、儀器操作方法、測量方法。（二）實驗原理 1、板的彎曲部分 2、

2、板及板架失穩(wěn)、圓柱殼失穩(wěn) 3、測試部分 4、應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5、電阻應(yīng)變儀的測量電路1、板的彎曲部分1）討論的對象為承受各種垂直于板面載荷的，具有不同邊界條件的矩形平板彎曲的應(yīng)力與變形問題。其中應(yīng)力主要是彎曲應(yīng)力，變形在實驗中主要是看撓度。2）板在彎曲時，一般在x和y方向均有曲率，因此問題要比梁的彎曲復(fù)雜。但是在最簡單的情況下板只有一個方向有曲率，這時板的彎曲與梁的彎曲有許多類似的地方，并可應(yīng)用梁的彎曲公式求解，這種情況叫做板發(fā)生筒形彎曲。當(dāng)板的邊長比小于（2.53）時，會發(fā)生對稱彎曲。3）討論板的筒形彎曲和板的一般彎曲及邊界條件對板的影響。（1）板發(fā)生筒形彎曲的條件是什么？假定板的邊長比相當(dāng)

3、大（2.53），并且外載荷沿板的長邊不變化。在這種情況通過實驗表明板除了短邊支界相鄰的一小部分外，中間大部分的彎曲變形為筒形，即沿短邊有曲率，沿長邊無曲率，故名筒形彎曲（板的筒形彎曲是單向彎曲，因此與梁的彎曲有基本共同之處）。當(dāng)板的邊長比小于（2.53）時，會發(fā)生對稱彎曲。（2）板條梁與普通梁的彎曲變形是一致的差別，差別僅在于板條梁兩個側(cè)面受到相鄰板的約束而不能自由變形，而普通梁的側(cè)面是自由的，這種側(cè)面約束的差別使得板條梁在變形后的截面仍為矩形，而普通梁彎曲后截面不再保持矩形。由以上分析可知，板條梁的彎曲與普通梁的彎曲完全相同，因此板條梁的計算可直接套用普通梁結(jié)果。 （3）筒形板的復(fù)雜彎曲：在

4、船體結(jié)構(gòu)中橫骨架式的甲板板和船底板，它們的邊長比足夠大，并且除了橫載荷外還在長邊受到作用于板平面內(nèi)的均布的總彎曲應(yīng)力（中面應(yīng)力），在這種情況下板仍將發(fā)生筒形彎曲，在板中取出的板條梁將處于如圖所示的復(fù)雜彎曲狀態(tài)，因此板條梁的求解就要用到復(fù)雜曲梁的結(jié)果。 根據(jù)前面同樣的分析，不難得到板條梁復(fù)雜彎曲的微分方程式及基本關(guān)系為 ：1、板的彎曲部分ntwdwmdwqtwdwiv 式中為筒形剛度，為板條梁所受的軸向力，若總彎曲應(yīng)力為 ，則 ，前面的負(fù)號用于拉力，正號用于壓力。000tt 我們在梁的復(fù)雜彎曲中曾經(jīng)指出，船體中的梁因為剛度較大，故而參數(shù)u的值很小（一般u0.5），從而輔助函數(shù)接近于1，因此在實驗

5、計算中可以不計軸向力對彎曲要素的影響。對于船體板，因板的厚度不大，板條梁的剛度較小，使得板條梁在復(fù)雜彎曲時的參數(shù)u相當(dāng)大（一般u0.5）。對于一般的海船，數(shù)字計算表明，板條梁的u值約比梁的u值大10倍左右，輔助函數(shù)于1相差很大，因此中面力對板的彎曲要素影響很大，不可不計。這一現(xiàn)象說明板的中面力的作用十分敏感。因此，若板受到中面拉力，它將減少板的彎曲應(yīng)力，是有利的，反之若是受到中面壓力，它將增大板的彎曲應(yīng)力，是不利的。2、板及板架失穩(wěn)、圓柱殼失穩(wěn) 板架因其中一根桿受壓失穩(wěn)而導(dǎo)致整個板架變形，叫做板架失去了穩(wěn)定性。 在均勻外力作用下，圓柱殼失穩(wěn)的形狀有若干種可能，取決于它的結(jié)構(gòu)型式與結(jié)構(gòu)尺寸。我們

6、以具有肋骨的圓柱殼為例來討論殼板局部失穩(wěn)和失穩(wěn)肋骨。 1）殼板局部失穩(wěn) 當(dāng)肋骨的剛度足夠大，即使超過它們的臨界剛度時，在均勻壓力p增大時可能首先出現(xiàn)這種失穩(wěn)形狀。這時主肋骨保持它們自身的正圓形不變，成為殼板的剛性支座周界，殼板在肋骨之間形成一個半波，在許多間距內(nèi)形成若干連續(xù)的凹凸交替半波，切開橫剖面看，則在整個圓周上形成許多凹凸交替半波。 2）肋骨失穩(wěn) 當(dāng)肋骨剛度小于其臨界剛度，壓力p超過其臨界壓力時，肋骨將連同殼板一起在艙段內(nèi)失穩(wěn)。這時，僅艙段的兩端艙壁保持正圓形不變，成為殼板的剛性支座周界。殼體在母線方向上，整個艙段只形成一個半波，在切開橫剖面看，則在整個圓周上形成兩個、三個或四個整波。

7、3、測試部分1、應(yīng)變電測法 電測法以電阻應(yīng)變儀量測為主。電測法的基本原理是：將一種特制的電阻應(yīng)變片作為傳感元件，粘貼在被測試件上，當(dāng)試件由于受到外荷載的作用而發(fā)生變形時，電阻應(yīng)變片也隨之變形，并發(fā)生電阻的變化。在一定的工作范圍內(nèi)，電阻應(yīng)變片的電阻變化與試件發(fā)生的應(yīng)變成比例關(guān)系。根據(jù)測得的電阻變化，通過應(yīng)變儀可獲得試件上被測點(diǎn)的應(yīng)變值。在彈性范圍內(nèi)，通過虎克定律又可將該點(diǎn)的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為該點(diǎn)的應(yīng)力值。圖1-為應(yīng)變電測法的簡單流程圖。 圖1 應(yīng)變電測法流程圖 3、測試部分2、電阻應(yīng)變片的原理及構(gòu)造 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻絲具有應(yīng)變效應(yīng)，即電阻絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變。由物理學(xué)知道，金屬絲的

8、電阻r及與長度l量和截面積a有如右關(guān)系： （1）電阻應(yīng)變片的原理 (2)電阻應(yīng)變片的構(gòu)造 圖2 應(yīng)變片的構(gòu)造 1一敏感柵2一上線3一粘合劑； 4一蓋層；5一基底 圖3 敏感柵的尺寸 圖4 絲式應(yīng)變片(3)電阻應(yīng)變片的分類4、應(yīng)變片的粘貼技術(shù) 試件的應(yīng)變是通過粘結(jié)劑將應(yīng)變傳遞給電阻應(yīng)變片的絲柵，因而應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量將直接影響應(yīng)變的測量結(jié)果。 應(yīng)變片的粘貼技術(shù)包括選片、選粘結(jié)劑、粘貼和防水防潮處理等，具體要求如下。1)1)應(yīng)變片檢查分選應(yīng)變片檢查分選 分選應(yīng)變片時，應(yīng) 逐片進(jìn)行外觀檢查，應(yīng)變片絲柵應(yīng)平直，片內(nèi)元?dú)馀?、霉斑、銹點(diǎn)等缺陷，不合格的應(yīng)變片應(yīng)剔除，然后用萬用電表檢查，應(yīng)元短路或斷路。2)2

9、)選擇粘合劑選擇粘合劑 粘合劑分為水劑和膠劑兩類。3)3)測點(diǎn)表面清理測點(diǎn)表面清理 為使應(yīng)變片能牢固地貼在試件表面，應(yīng)對測點(diǎn)表面進(jìn)行加工。4)4)應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼 選擇合適的膠粘劑，在試件上畫出測點(diǎn)的縱橫中心線，縱線應(yīng)與應(yīng)變方向一致。5)5)焊接導(dǎo)線焊接導(dǎo)線 先在應(yīng)變計引出線底下貼膠布或膠紙，以保證引出線不與試件形成短路；然后用膠固定端子或用膠布固定電線，要保證電線輕微拉動時引出線不斷；最后用電烙鐵把測量導(dǎo)線的一端與引出線焊接，焊點(diǎn)應(yīng)圓滑、豐滿，無虛焊，測量導(dǎo)線的另一端與應(yīng)變儀測量橋聯(lián)接。6)6)應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量檢查應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量檢查 首先是借助放大鏡用肉眼進(jìn)行外觀檢查，應(yīng)變片應(yīng)元?dú)?/p>

10、泡，粘貼牢固，方位準(zhǔn)確。7)7)防潮和防水處理防潮和防水處理5、電阻應(yīng)變儀的測量電路 由電阻應(yīng)變片的工作原理可知，當(dāng)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k為2.0、被測量的機(jī)械應(yīng)變?yōu)?0e-310e-6時，電阻變化率為rr210e-3210e-6。這是個非常微弱的電信號，用量電器檢測是很困難的，所以必須借助放大器將微弱信號放大，才能推動量電器工作。而電阻應(yīng)變儀就是電阻應(yīng)變片的專用放大器及量電器。(1)全橋電路 ； 全橋電路就是在測量橋的四個臂上全部接人工作應(yīng)變片，如圖5(a)所示。其中相鄰臂上的工作片兼作溫度補(bǔ)償用。路橋輸出電壓。圖5 標(biāo)準(zhǔn)實用電路(2)半橋電路 半橋電路由兩個工作片和兩個固定電阻組成。工作片

11、接在ab和bc臂上，另一半橋上的固定電阻設(shè)在應(yīng)變儀內(nèi)部。利用輸出公式可得 即電橋輸出靈敏度提高了兩倍，溫度補(bǔ)償也由這兩個工作片自動完成。(3)l4橋電路 l4橋電路常用于測量應(yīng)力場里的單個應(yīng)變，這種接線方式對輸出信號沒有放大作用。橋路輸出靈敏度取決于應(yīng)變片在受力試件上的貼片位置和方向以及它在橋路中的接線方式。 （三）實驗儀器、裝置及工具 圖中： 真空泵 蓄壓器 真空表 閥門 模型 千分表 應(yīng)變儀1、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、測厚儀、真空泵；2、蓄壓器、實驗?zāi)Ｐ停?、卷尺、鋼板尺、電烙鐵、剪刀、測試線。（四）實驗方法與步驟 （一）、筒形彎曲模型1、測量筒形彎曲模型的厚度t、長 度l、寬度b，測量三次取其平

12、均值；2、確定筒形彎曲模型的布片位置、 粘貼應(yīng)變片、焊接導(dǎo)線；3、連接應(yīng)變儀、蓄壓器、真空泵、 實驗?zāi)Ｐ停?、加載過程：關(guān)閉閥門，啟動真空泵，將蓄壓器抽到740mm汞柱，關(guān)閉真空泵。緩慢打開閥門給模型加載。觀察平板材料模型變形狀態(tài)，讀真空表、千分表和應(yīng)變儀。5、確定加載方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三級加載；6、記錄實驗數(shù)據(jù)，測畢，取下模型，整理現(xiàn)場。（四）實驗方法與步驟（二）板及板架模型1、連接蓄壓器、真空泵、實驗?zāi)Ｐ停?、確定加載方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三級加載；3、對板及板架模型分別進(jìn)行逐級加載，記錄實驗數(shù)據(jù)；4、測畢，取下模型，整理現(xiàn)場。（四）實驗

13、方法與步驟（三）圓柱殼模型1、連接蓄壓器、真空泵、實驗?zāi)Ｐ停?、分別對兩種不同直徑模型進(jìn)行逐級加載，直至出現(xiàn)失穩(wěn)波形；3、測畢，取下模型，整理現(xiàn)場。（五）注意事項 1、由于模型易損，對板及板架模型要按照要求進(jìn)行加載，對圓柱殼模型進(jìn)行逐級加載，速度要慢；2、對實驗儀器要按照說明書進(jìn)行操作，電源、電烙鐵安全使用；3、實驗分組進(jìn)行，并選組長一人。實驗時應(yīng)該有嚴(yán)格組織紀(jì)律性，注意培養(yǎng)良好的實驗作風(fēng)。4、 實驗報告要在仔細(xì)觀察，深入思考理解的基礎(chǔ)上認(rèn)真分析比較，以便獲得明確而清晰的概念。 （六）預(yù)習(xí)要求1、復(fù)習(xí)有關(guān)理論，了解應(yīng)變片的原理、焊接方法、使用方法，了解測試方法；2、實驗中記錄那些數(shù)據(jù)？數(shù)據(jù)如何

14、分析？3、板的對稱彎曲與筒形彎曲現(xiàn)象是如何發(fā)生的？對稱彎曲與筒形彎曲發(fā)生的條件是什么？4、板架失穩(wěn)是如何發(fā)生的？5、圓柱殼板局部失穩(wěn)是如何發(fā)生的？圓柱殼失穩(wěn)有幾種形式？圓柱殼端部與中部失穩(wěn)是否一致？ （七）問題討論 1、 平板筒形彎曲有何條件、特點(diǎn)？簡化成什么樣的力學(xué)模型？筒形彎曲的實質(zhì)是什么？2、 筒形彎曲板的長邊相對移動與不移動有何差別？3、 本實驗裝置與理想情況有何不同？4、 板及板架的應(yīng)變結(jié)果說明了什么？5、 實驗誤差分析。 二、等強(qiáng)度梁實驗 （一）實驗?zāi)康模?、學(xué)習(xí)電橋的接法，練習(xí)1/4橋、半橋、全橋接法2、測定等強(qiáng)度梁的應(yīng)變，驗證等強(qiáng)度梁各橫截面上應(yīng)變相等3、驗證互等定理（ ）20

15、6egpa（二）實驗儀器： 應(yīng)變片若干、等強(qiáng)度梁、砝碼、應(yīng)變儀（三）實驗方法與步驟：1、設(shè)置應(yīng)變儀的靈敏度2、將一個軸向應(yīng)變片按1/4橋連接3、調(diào)電橋平衡4、每次加2個砝碼，并記錄數(shù)據(jù)5、將一個軸向片、一個橫向片按半橋連接，重復(fù)3、46、將上或者下面兩個軸向片全部按半橋連接，重復(fù)3、47、將上下四個軸向片按全橋接，重復(fù)3、48、砝碼數(shù)量增加至四個，重復(fù)27（四）實驗數(shù)據(jù)記錄 （五）實驗數(shù)據(jù)分析 （六）問題討論 1、比較本實驗所用的三種測量電橋方法的優(yōu)缺點(diǎn)（1/4橋與全橋）2、測定等強(qiáng)度梁的應(yīng)變、驗證互等定律三、彎扭組合實驗 一、實驗?zāi)康模簭澟そM合實驗是為船舶力學(xué)實驗教學(xué)制作的。它可以完成船舶力

16、學(xué)教學(xué)實驗中的復(fù)合抗力下應(yīng)變的測量、主應(yīng)力和主應(yīng)力方向的測定、加載彎矩和剪力時應(yīng)變的測定。二、實驗儀器、裝置：裝置操作簡單，手輪加載，數(shù)字顯示載荷，便于保管使用三、實驗方法與步驟：1、將數(shù)字測力儀開關(guān)打開，預(yù)熱10分鐘，并檢查該裝置是否處于正常實驗狀態(tài)2、將應(yīng)變片按實驗要求接至應(yīng)變儀3、逆時針旋轉(zhuǎn)手輪，預(yù)置50n初載荷4、對每片應(yīng)變片用零度法，預(yù)調(diào)平衡或記錄下各應(yīng)變片的初始值5、分級加載，以每級100n，200n，300n，400n記錄各級載荷下各應(yīng)變片的應(yīng)變值6、實驗完畢，卸去載荷，將測力儀開關(guān)置關(guān)7、根據(jù)實驗要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（四）實驗數(shù)據(jù)記錄（五）計算出主應(yīng)力大小和方向（六）注意事項： 每

17、次實驗時，必須先打開測力儀，方可旋轉(zhuǎn)手輪，以免損壞實驗裝置 每次實驗完，必須卸載，即測力儀顯示為零或出現(xiàn)“”號，再將測力儀開關(guān)置關(guān) 該裝置只允許加450n載荷，超載會損壞實驗裝置。 本裝置貼片方式如圖，連接方法是：四、矩形截面梁的純彎曲實驗 一、實驗?zāi)康模?、熟悉電測法的基本原理和靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的使用方法2、測量矩形截面梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力分布規(guī)律3、比較正應(yīng)力的實驗測量值與理論計算值的差別二、實驗設(shè)備和儀器：1、多用電測實驗臺2、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀3、載荷顯示儀三、實驗原理： 將五個工作片和溫度補(bǔ)償片分別接入電阻應(yīng)變儀面板上的五個通道中組成五個電橋，當(dāng)梁在載荷作用下發(fā)生彎曲變形時，工作片的電阻值將隨著梁的變形發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變儀可以分別測量出對應(yīng)位