自由組合疊合梁實驗創(chuàng)新課程設(shè)計

1、創(chuàng)新課程設(shè)計（組合梁彎曲應(yīng)力的應(yīng)變片粘貼及測試）學 校： 班 級： 10機41 學 號： 姓 名： 指導老師： 自2012年12月24日至2013年1月4日目錄前言3第一章 設(shè)計目的4第二章 主要內(nèi)容5第三章 理論知識63.1簡支梁63.2 純彎曲63.3兩梁疊合7第四章 實驗內(nèi)容84.1主要設(shè)備84.2應(yīng)變片工作原理84.3實驗原理94.4實驗步驟12第五章 結(jié)果分析225.1 試件尺寸及材料屬性225.2 理論知識235.3實驗數(shù)據(jù)245.4 誤差分析26第六章 設(shè)計小結(jié)28第七章 參考文獻29前言創(chuàng)新課程設(shè)計是每個大學生檢驗自己理論知識的一種能力測試，是一種能力的拓展。通過創(chuàng)新課程設(shè)計，

2、我們可以將各種理論知識融會貫通，也可以在原先的基礎(chǔ)上彌補自己知識的殘缺，更可以掌握更先進的理論知識?？傊_展創(chuàng)新課程設(shè)計對于我們是十分有利的。我們這兩個星期的課程設(shè)計是通過實驗的方式來檢驗疊合梁理論結(jié)果與實驗結(jié)果的差距，同時分析疊合梁與整體梁在受同樣大小力時各個點應(yīng)力的不同。本課題主要是利用材料力學知識對組合梁的理論計算公式的推導，通過1/4橋進行應(yīng)力的測試?？傊?，本課題對提高學生的理論知識與工程實踐相結(jié)合的能力以及分析、解決工程問題的能力、動手能力有很大的幫助和重要意義。第一章 設(shè)計目的在工程實際中，梁是一種常見的構(gòu)件，有時為了加固梁，采用上下疊合的方式，從而形成疊合梁或稱為組合梁或者復合

3、梁，準確的說，由兩種或兩種以上的材料所構(gòu)成的梁，稱為組合梁（復合梁）。梁的疊合方式不同對梁的應(yīng)力和抗裂性有很大的影響，因此疊合方式的恰當選擇顯得尤為重要。在工程結(jié)構(gòu)或機械中，為保證其正常工作，構(gòu)件應(yīng)有足夠的能力負擔起應(yīng)當承受的載荷。因此應(yīng)當滿足一下要求：（1）強度要求 在規(guī)定載荷作用下的構(gòu)件不應(yīng)破壞。（2）剛度要求 在載荷作用下，構(gòu)件即使有足夠的強度，但若變形過大，仍不能正常工作。（3）穩(wěn)定性要求 構(gòu)件應(yīng)有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。材料力學的任務(wù)就是在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設(shè)計既經(jīng)濟又安全的構(gòu)件，提供必要的理論基礎(chǔ)和計算方法。由于材料力學知識研究變形固體時常要以下列假設(shè)為基本前

4、提：1.連續(xù)性假設(shè) 假設(shè)物體內(nèi)部充滿了物質(zhì)，沒有任何空隙。2.均勻性假設(shè) 假設(shè)物體內(nèi)各處的力學性質(zhì)是完全相同的。3.各向同性假設(shè) 假設(shè)材料在各個方向的力學性質(zhì)均相同。所以理論結(jié)果與實際結(jié)果會存在差距，需要由試驗來驗證，還有一些尚無理論結(jié)果的問題，須借助試驗方法來解決。通過兩種方式的比較來獲得與實際結(jié)果更接近的值，為工程實際問題的解決提供了方便。第二章 主要內(nèi)容1.在材料力學多功能實驗臺上測定單梁的純彎曲正應(yīng)力實驗；2.對疊合梁清洗，貼應(yīng)變片，焊接線路；3. 在材料力學多功能實驗臺上測定疊合梁的純彎曲正應(yīng)力實驗。第三章 理論知識3.1 簡支梁簡支梁就是梁的兩端搭在兩個支撐物上，梁端和支撐物鉸接，

5、支撐物只能給梁端提供水平和豎直方向的約束，不能提供轉(zhuǎn)動約束的梁。 現(xiàn)實看是只有兩端支撐在柱子上的梁，主要承受正彎矩，一般為靜定結(jié)構(gòu)。體系溫變、混凝土收縮徐變、張拉預應(yīng)力、支座移動等都不會在梁中產(chǎn)生附加內(nèi)力，受力簡單，簡支梁為力學簡化模型。   簡支梁3.2純彎曲梁的橫截面上同時存在剪力和彎矩時，這種彎曲稱為橫彎曲。剪力是橫截面切向分布內(nèi)力的合力；彎矩M是橫截面法向分布內(nèi)力的合力偶矩。所以橫彎梁橫截面上將同時存在剪應(yīng)力和正應(yīng)力。實踐和理論都證明，其中彎矩是影響梁的強度和變形的主要因素。因此，討論Q = 0，M = 常數(shù)的彎曲問題，這種彎曲稱為純彎曲。與扭轉(zhuǎn)相似，分析純彎梁橫截

6、面上的正應(yīng)力，同樣需要綜合考慮變形、物理和靜力三方面的關(guān)系。3.3兩梁疊合由兩種相同或不同材料的梁直接疊合或通過螺栓連接在一起組成疊合梁。假設(shè)在彎曲時兩梁界面產(chǎn)生了相同的曲率發(fā)生相同變形時，界面固定時所承擔的彎矩值為界面自由時的4倍，單根梁的8倍。第四章 實驗內(nèi)容4.1主要設(shè)備：1.材料力學多功能實驗臺、純彎曲試驗裝置一套，XL2118A型應(yīng)力、應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀一臺；2.溫度補償塊、螺絲刀等。4.2 應(yīng)變片工作原理：電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造： 一般的應(yīng)變片是在成為基底的塑料薄膜（15-16m）上貼上由非常薄的金屬箔片制成敏 感柵（3-6m） ，然后再在金屬敏感柵上再覆蓋一層絕緣膜（迭層薄膜）。具

7、體結(jié)構(gòu)如圖： 工作原理： 把應(yīng)變片粘貼或者焊接在被測物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變的一起伸縮，應(yīng)變片的金 屬箔材就隨被測物的應(yīng)變變化伸縮變化，其電阻值也隨伸縮開始變化，由于電阻值變化與箔 材的伸縮長度成正比，通過測量應(yīng)變電阻值的變化，可以測量出被測物應(yīng)變的變化。一般通過： 1、用膠水粘貼在被測物上；2、焊接在被測物上。 本實驗采用膠水粘貼在被測物上。 4.3 實驗原理實驗時，通過轉(zhuǎn)動手輪給梁施加載荷，各測點的應(yīng)變值可由數(shù)字式電阻應(yīng)變儀測量。根據(jù)單向胡克定律即可求得i實=E·i實(i=0，1, 2, 3, 4，5，6, 7，8)為了驗證彎曲正應(yīng)力公式=或=的正確性，首先要驗證兩個線性關(guān)系

8、，即y和P是否成立:1、檢查每級載荷下實測的應(yīng)力分布曲線，如果正應(yīng)力沿梁截面高度的分布是呈直線的，則說明y成立；2、由于實驗采用增量法加載，且載荷按等量逐級增加。因此，每增加一級載荷，測量各測點相應(yīng)的應(yīng)變一次，并計算其應(yīng)變增量，如果各測點的應(yīng)變增量也大致相等，則說明P成立。最后，將實測值與理論值相比較，進一步可驗證公式的正確性。純彎曲梁實驗裝置如圖3.1所示，試樣簡支于A、B兩點，在對稱的C、D兩點通過拉桿和橫桿螺旋加載使梁產(chǎn)生彎曲變形，CD梁受純彎曲作用。采用轉(zhuǎn)動手輪使螺旋下移加載，總荷載的大小由壓力傳感器來測量。試樣的受力如圖1.2所示。梁的材料為低碳鋼，彈性模量為E200GPa。B支座加

9、載手輪拉桿機架橫桿試件A支座力值顯示窗口拉桿載荷傳感器圖1.2 純彎曲梁實驗裝置螺栓中性層試 件12345678應(yīng)變片圖3.3 測點位置2h為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，應(yīng)變片的粘貼位置如圖3.3所示。在梁的純彎曲段沿梁的側(cè)面不同高度，平行于軸線貼上8片應(yīng)變片。其中2#距上表面h/4，3# 、4#分別相距h/4。7#距下表面h/4，5#、6#分別相距h/4。此外，在梁的上、下表面沿橫向粘貼1#、8# 應(yīng)變片。實驗采用1/4橋單臂、公共補償、多點測量的方法。由材料力學可知，矩形截面梁受純彎時正應(yīng)力公式為 式中：M為彎距；y為中性軸至欲求應(yīng)力點的距離；為橫截面對z軸的慣性距。本實驗

10、采用逐級等量加載的方法加載，每次增加等量的載荷,測定各點相應(yīng)的應(yīng)變增量一次，即：初載荷為零，最大載荷為5kN，等量增加的載荷為1 kN。分別取應(yīng)變增量的平均值（修正后的值），求出各點應(yīng)力增量的平均值。 （3.1） （3.2）把測量得到的應(yīng)力增量與理論計算出的應(yīng)力增量加以比較，從而可以驗證公式的正確性，上述理論公式中的按下式求出： （3.3）4.4、實驗步驟1：應(yīng)變片的粘貼1）.設(shè)計布片方案。2）.選片：首先檢查應(yīng)變片的外觀，剔除敏感柵有形狀缺陷，片內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點的應(yīng)變片，再用電橋測量應(yīng)變片的電阻值，并進行阻值選配。3）.打磨：選擇的構(gòu)件表面待測點需經(jīng)打磨，打磨后表面應(yīng)平整光滑，無銹點。4

11、）.畫線：被測點精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位。5）.清洗：用浸有酒精的藥棉清洗欲測部位表面，清除油垢灰塵，保持清潔干凈。6）.粘貼：將選好的應(yīng)變片背面均勻地涂上一層粘結(jié)劑，膠層厚度要適中，然后將應(yīng)變片的十字線對問候語構(gòu)件欲測部位的十字交叉線，輕輕校正方向，然后蓋上一張玻璃紙，用手指朝一個方向滾壓應(yīng)變片，擠出氣泡和過量的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻，再用同樣的膠粘貼引線端子。7）.固化：貼片后最好自然干燥幾小時，必要時可以加熱烘干。8）.檢查：包括上觀檢查和變應(yīng)片電阻及絕緣電阻的測量。9）.固定導線：將應(yīng)變片的兩根導線引出線焊在接線端子上，再將導線由接線端子引出。10）.放置24小時后，對

12、貼片構(gòu)件進行測試。2：彎曲應(yīng)力的測量1）、試件準備用游標卡尺測量梁的截面尺寸（一般由實驗室老師預先完成），記錄其數(shù)值大小；將梁正確地放置在實驗架上，保證其受力僅發(fā)生平面彎曲，注意將傳感器下部的加力壓桿對準加力點的缺口，然后打開實驗架上測力儀背面的電源開關(guān)；2）.測量電橋的預調(diào)平衡：接通應(yīng)變儀前面板上的電源開關(guān)，將“測點選擇”開關(guān)按到連接好測量電橋所對應(yīng)通道編號位置，檢查應(yīng)變儀顯示窗上的數(shù)據(jù)是否正常，然后用專用螺絲刀旋轉(zhuǎn)應(yīng)變儀前面板右側(cè)上部對應(yīng)編號的調(diào)零螺絲孔，調(diào)節(jié)電位器，使讀數(shù)為相對穩(wěn)定的“±0000”，測量電橋達到電阻平衡。改變“測點選擇”開關(guān)的位置，依次調(diào)節(jié)好其他通道的電阻平衡。

13、記錄下各通道預調(diào)平衡的結(jié)果。3）測量矩形截面梁的各個尺寸，開電源預熱電阻應(yīng)變儀約20分鐘。4）將各種儀器連接好，各應(yīng)變片按半橋接法接到電阻應(yīng)變儀的所選通道上。檢查整個測試系統(tǒng)是否正常工作。5）將溫度補償片接到應(yīng)變儀的公共補償點上，逐一調(diào)節(jié)各通道為零。6）擬定加載方案。先選取適當?shù)某踺dP0，本實驗最大載荷4.0 kN，分46級加載。7）加載。均勻慢速加載至初載荷P，記下各點應(yīng)變儀的初讀數(shù)。然后逐層加載，并依次記錄各點應(yīng)變片的應(yīng)變讀數(shù)，（包括正負號，負號表示壓應(yīng)變，正號不顯示）。直到最終載荷。實驗至少兩次。8)注意：載荷最大加至4.0 kN，不能超載；在測量過程中，盡量避免連接導線的晃動。9)完成

14、全部實驗內(nèi)容后，卸掉載荷，關(guān)閉電源，整理所用儀器、設(shè)備，并恢復原狀。3、實驗注意事項1)、預調(diào)平衡時，若發(fā)現(xiàn)調(diào)零困難、調(diào)零數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等現(xiàn)象應(yīng)首先從接線是否有誤、接線孔螺絲是否擰緊、導線裸露線頭是否伸入太短或太長等方面檢查接線質(zhì)量，并排除故障，不要盲目使勁旋轉(zhuǎn)電位器螺絲，以免損壞儀器；2)、加載前應(yīng)檢查梁的放置位置是否偏斜，以及拉壓力傳感器下端的壓桿位置是否對正，以保證梁的CD段是純彎曲變形；3)、實驗前應(yīng)將所連接的測量導線理清，以免纏死；測試過程中，勿亂動已連接好的測量導線和儀器開關(guān)；第五章結(jié)果分析：5.1試件尺寸及材料屬性：試件尺寸： L=700 mm a=125 mmb=15 mmh=24

15、 mm材料屬性：試件是由低碳鋼制成的矩形截面梁。低碳鋼(low carbon steel)又稱軟鋼，含碳量從0.10%至0.30%。低碳鋼易于接受各種加工如鍛造，焊接和切削， 常用于制造鏈條， 鉚釘， 螺栓， 軸等。碳鋼有較大的時效傾向，既有淬火時效傾向，還有形變時效傾向。當鋼從高溫較快冷卻時，鐵素體刮碳、氮過飽和，它在常溫也能緩慢地形成鐵的碳氮物，因而鋼的強度和硬度提高，而塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為淬火時效。形變時要比淬火時效對低碳鋼的塑性和韌性有更大的危害性，在低碳鋼的拉伸曲線上有明顯的上、下兩個屈服點。自上屈服點出現(xiàn)直到屈服延伸結(jié)束，在試樣表面出現(xiàn)由于不均勻變形而形成的表面皺褶帶，稱為

16、呂德斯帶。5.2 理論知識：1）求出各測量點在等量載荷作用下，應(yīng)變增量的平均值。2）考慮到應(yīng)變儀與應(yīng)變片靈敏系數(shù)不同，按下式對應(yīng)變增量的平均值進行修正得到實際的應(yīng)變增量平均值（3.4）式中、分別為電阻應(yīng)變儀和電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。3）以各測點位置為縱坐標，以修正后的應(yīng)變增量平均值為橫坐標，畫出應(yīng)變隨試件截面高度變化曲線。4）根據(jù)各測點應(yīng)變增量的平均值，計算測量的應(yīng)力值。5）根據(jù)實驗裝置的受力圖和截面尺寸，先計算橫截面對z軸的慣性矩，再應(yīng)用彎曲應(yīng)力的理論公式，計算在等增量載荷作用下，各測點的理論應(yīng)力增量值。6）比較各測點應(yīng)力的理論值和實驗值，并按下式計算相對誤差（3.5）在梁的中性層內(nèi)，因，故只

17、需計算絕對誤差。7）比較梁中性層的應(yīng)力。由于電阻應(yīng)變片是測量一個區(qū)域內(nèi)的平均應(yīng)變，粘貼時又不可能正好貼在中性層上，所以只要實測的應(yīng)變值是一很小的數(shù)值，就可認為測試是可靠的。 5.3 實驗數(shù)據(jù)：1).試件尺寸及貼片位置:試件尺寸貼片位置b= 15 mm0#、8#、y1= 24 mmy8 = -24 mmh= 24 mm2#、3#、4#、 、y2= 18 mmy3=12 mmy4= 6 mma= 12.5 mm5#、6#、7# y5= -6 mmy6 = -12 mmy7 = -18 mm1.728*10-8 mm4E= 200 Gpa2應(yīng)變讀數(shù)記錄：載荷kN測 點1 2 34 5678總值增量應(yīng)

18、變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量應(yīng)變讀數(shù)增量0.50.5-2528-1515-7614-5468212136341.0-53-30-135-91442700.52917746620331.5-82-47-209-1520621030.530191027619342.0-112-66-3011-2226811370.53118737519322.5-143-84-3714-29311001690.52818546619333.0-171-102-4218-35371192020.53119936419313.5-202121-5121-41411

19、38233平均值0.5-11229.5-6617.7-297.311.33.3-226255.88019.513632.85.4 計算結(jié)果及誤差；應(yīng)變片號12345678 （MPa）54.6332.7213.586.17-10.8-11.10-36.11-60.80（MPa）43.3932.5421.7010.85-10.85-21.70-32.54-43.39誤差25.910.5737.4443.152.4150.2410.9840.125繪出應(yīng)力的實測值和理論值沿高度的分布曲線。5.5 誤差分析：影響電阻應(yīng)變片測量的主要影響因素： 1. 應(yīng)變片阻值誤差：常用的應(yīng)變片為 120、350，實際

20、的電阻值一般都有誤差，如果誤差過大，將引起較大的測量誤差， 2.應(yīng)變片熱輸出：在應(yīng)變測量過程中，溫度在兩方面對應(yīng)變片進行影響:1）、敏感柵電阻自身的熱效應(yīng)，敏感柵電阻自身由于受到影響，電阻會變化； 2）、被測試件與應(yīng)變絲的材料線膨脹系數(shù)不一致， 是應(yīng)變片敏感柵絲產(chǎn)生附加形變，從而造成電阻變化。3.導線電阻、導線電阻熱輸出：導線自身的電阻，受到溫度影響時，也會產(chǎn)生電阻變化，由于電阻的變化，就會產(chǎn)生應(yīng)變值的變化，就是導線溫度熱輸出。對于導線的熱輸出，目前主要用三腳應(yīng)變片、恒溫實驗、半橋等來避免。 4.粘貼膠水的影響：粘貼膠水的對應(yīng)變片測量的誤差影響是很大的，尤其在動態(tài)測量過程中，膠水的膠結(jié)力 會對測量結(jié)果的影響更大。5.粘貼工藝的影響：正確按粘貼步驟操作是非常重要的， 會直接影響到測量效果，應(yīng)變片的主要粘貼步驟： 打磨（320目砂紙交叉打磨至光潔度為5，磨削方向與應(yīng)變片主軸方向成45°角）- 標記 - 丙酮清洗 - 滴膠水- 粘貼 - 壓力固化- 焊接導線-絕緣性檢查-防護，這些 步驟每步都應(yīng)該操作要求嚴格執(zhí)行，以便得到良好的測量效果。 （每一個步驟都有標準，需要按要求來） 8. 另外在高速采集與沖擊測試中應(yīng)變片的頻率響應(yīng)也是重要影響因素。 9.測