彎扭實(shí)驗(yàn)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

清華大學(xué)航天航空學(xué)院材料力學(xué)試驗(yàn)室圓管在彎扭聯(lián)合作用下

應(yīng)力與內(nèi)力測(cè)量彎扭實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)課前思索題

來上課前請(qǐng)認(rèn)真思索以下問題：圓管受那些內(nèi)力作用，它們沿軸線是怎樣分布；分別畫出某一截面最上點(diǎn)A和最下點(diǎn)B應(yīng)力狀態(tài)圖；測(cè)定一點(diǎn)平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)需要貼幾枚應(yīng)變片？怎樣布置；測(cè)定截面上彎矩、扭矩時(shí)，需要幾枚應(yīng)變片？怎樣布置；假如要求用半橋、對(duì)臂、全橋分別測(cè)出指定截面彎矩、扭矩，怎樣選擇應(yīng)變片；選擇布片位置標(biāo)準(zhǔn)是什么；為了提升測(cè)量精度，在布片時(shí)應(yīng)注意什么問題。彎扭實(shí)驗(yàn)第2頁(yè)工程背景

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車床

工廠中用于機(jī)械加工車床，其主軸就是一個(gè)經(jīng)典復(fù)合受力形式，主軸上受到內(nèi)力有彎矩、扭矩、軸力等。TM內(nèi)力圖P彎扭實(shí)驗(yàn)第3頁(yè)工程背景—

汽車

汽車在崎嶇道路上行駛時(shí)，當(dāng)四個(gè)車輪不在同一平面上時(shí)，使車架處于復(fù)合受力狀態(tài)下。其內(nèi)力有彎矩、扭矩等。彎扭實(shí)驗(yàn)第4頁(yè)工程背景

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自行車

自行車中軸，因?yàn)槟_踏板受力點(diǎn)與中軸不在同一中心線上，中軸內(nèi)力即有彎矩，又有扭矩。彎扭實(shí)驗(yàn)第5頁(yè)工程問題找——危險(xiǎn)點(diǎn)——測(cè)試一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)。消——危險(xiǎn)內(nèi)力——分離截面上內(nèi)力。彎扭實(shí)驗(yàn)第6頁(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)空莆沼秒姕y(cè)法測(cè)定一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)方法。掌握利用組橋分離內(nèi)力方法。學(xué)會(huì)依據(jù)理論分析結(jié)果，正確地選擇測(cè)量部位和最正確布片方案。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷結(jié)果地正確性。彎扭實(shí)驗(yàn)第7頁(yè)

平面應(yīng)力σxσxxyxyσyσy測(cè)量一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)彎扭實(shí)驗(yàn)第8頁(yè)α方向應(yīng)變?chǔ)襵σxxyxyσyσy彎扭實(shí)驗(yàn)第9頁(yè)常見布片方案在一點(diǎn)三個(gè)方向布片。慣用有0o、45o、90o9000045000450-450應(yīng)變花-45o、0o、45o彎扭實(shí)驗(yàn)第10頁(yè)測(cè)量采取單臂橋路R4R3工作片賠償片ABCDEUBD用單臂測(cè)量各個(gè)應(yīng)變片。彎扭實(shí)驗(yàn)第11頁(yè)應(yīng)變與應(yīng)力彈性應(yīng)變&塑性應(yīng)變

應(yīng)變片測(cè)量范圍＞5000胡克定律彎扭實(shí)驗(yàn)第12頁(yè)廣義胡克定律將測(cè)量結(jié)果代入公式，可得到彎扭實(shí)驗(yàn)第13頁(yè)主應(yīng)力與主方向彎扭實(shí)驗(yàn)第14頁(yè)理論應(yīng)力與試驗(yàn)應(yīng)力滿足理論假設(shè)與條件1.應(yīng)力集中×2.細(xì)長(zhǎng)桿√彎扭實(shí)驗(yàn)第15頁(yè)測(cè)量部位和布片方案F高度不一樣同一力臂同一高度力臂不一樣彎扭實(shí)驗(yàn)第16頁(yè)此次試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖圓管試件；拐臂；加力點(diǎn)；固定端；測(cè)量截面；應(yīng)變片；應(yīng)變儀。F4162537342彎扭實(shí)驗(yàn)第17頁(yè)點(diǎn)A、點(diǎn)B理論上應(yīng)力狀態(tài)σxσxxyxy上表面A點(diǎn)理論上應(yīng)力狀態(tài)σxσxxyxy下表面B點(diǎn)理論上應(yīng)力狀態(tài)彎扭實(shí)驗(yàn)第18頁(yè)分離內(nèi)力彎扭實(shí)驗(yàn)第19頁(yè)內(nèi)力分量ZYXMyTMyT內(nèi)力分量QzMzMzQyNT、Mz、Qy、Qz。My、N、F測(cè)試內(nèi)力分量T，My彎扭實(shí)驗(yàn)第20頁(yè)內(nèi)力分離思緒選擇兩個(gè)或四個(gè)應(yīng)變片滿足：1.各應(yīng)變片中都包含相同性質(zhì)內(nèi)力引發(fā)應(yīng)變。2.各應(yīng)變片中同一內(nèi)力引發(fā)應(yīng)變之間有確定關(guān)系。彎扭實(shí)驗(yàn)第21頁(yè)內(nèi)力分離思緒1號(hào)片：內(nèi)力A

=

+a內(nèi)力B

=

+b2號(hào)片：內(nèi)力A

=

+a內(nèi)力B

=

-

b

分離？？彎扭實(shí)驗(yàn)第22頁(yè)內(nèi)力分離電橋加減特征R1R3ABCDEUBDR2R4彎扭實(shí)驗(yàn)第23頁(yè)半橋測(cè)量R4R3工作片工作片ABCDEUBD減法！消同保異！彎扭實(shí)驗(yàn)第24頁(yè)對(duì)臂測(cè)量工作片工作片ABCDEUBD賠償片賠償片加法！消異保同！彎扭實(shí)驗(yàn)第25頁(yè)全橋測(cè)量工作片工作片ABCDEUBD工作片工作片同號(hào)相對(duì)！異號(hào)相鄰！彎扭實(shí)驗(yàn)第26頁(yè)內(nèi)力與應(yīng)變關(guān)系1軸力N、彎矩My、Mz在其各自作用方向上只產(chǎn)生正應(yīng)力。

正應(yīng)力在任意方向上都會(huì)引發(fā)正應(yīng)變。軸力N、彎矩My、Mz在任意方向上都會(huì)引發(fā)正應(yīng)變。最正確方向？彎扭實(shí)驗(yàn)第27頁(yè)內(nèi)力與應(yīng)變關(guān)系2剪力Qy、Qz、扭矩T在其各自作用方向上只產(chǎn)生切應(yīng)力。切應(yīng)力在作用方向上只存在切應(yīng)變，但在其它方向上還有正應(yīng)變存在。剪力Qy、Qz、扭矩T在除作用方向外任意方向上都會(huì)引發(fā)正應(yīng)變。最正確方向？xyxy彎扭實(shí)驗(yàn)第28頁(yè)純剪應(yīng)力狀態(tài)

在45o

與135o

上分量xyxy在45o

方向上應(yīng)力σ45

為

+在135o

方向上應(yīng)力σ135

為

-45o135oxyxy應(yīng)力圓彎扭實(shí)驗(yàn)第29頁(yè)在45o

方向上應(yīng)力σ45

為在135o

方向上應(yīng)力σ135

為單向壓縮狀態(tài)

在45o與135o上分量σxσxσ2σ2σ2σ2σ2σ245o135oσxσx-σ應(yīng)力圓彎扭實(shí)驗(yàn)第30頁(yè)測(cè)內(nèi)力布片標(biāo)準(zhǔn)1.只有軸力N、彎矩My、Mz最好在力作用方向上布片。2.只有剪力Qy、Qz、扭矩T最好在與力作用方向呈450方向布片。3.當(dāng)1與2交叉存在時(shí)，綜合找最正確方案。通常選450方向布片。彎扭實(shí)驗(yàn)第31頁(yè)圓管布片方案圖BA2#135o4#45o3#0o思索：3＃、6＃應(yīng)變關(guān)系2＃、4＃、5#、7＃應(yīng)變關(guān)系A(chǔ)B從上向下俯視:1#90o5#135o6#0o7#45o彎扭實(shí)驗(yàn)第32頁(yè)選取布片方案圖上表面俯視圖BA1#90o2#135o4#45o3#0o下表面仰視圖BA6#0o5#135o7#45o各片相互位置從上面看下去：2＃與7＃平行3＃與6＃平行4＃與5#平行彎扭實(shí)驗(yàn)第33頁(yè)各應(yīng)變片內(nèi)所含應(yīng)變分量及方向上表面電阻片所含分量0:Ma

(-)

（3#）45:M(-b)，T

(+c)

（4#）135:M(-b)，T

(-c)

（2#）90:M(+d)

（1#）σxσxxyxy3#2#1#4#xyσxσxxy6#5#7#下表面電阻片所含分量0:Ma

(+)

（6#）45:M

(+b)

，T

(+c)

（7#）135:

M(+b)

，T

(-c)

（5#）彎扭實(shí)驗(yàn)第34頁(yè)內(nèi)力測(cè)量時(shí)組橋標(biāo)準(zhǔn)選那兩個(gè)（或四個(gè)）應(yīng)變片測(cè)量？測(cè)那個(gè)內(nèi)力量？消那個(gè)內(nèi)力量？組什么橋路可滿足？如：上、下0°片，My

異號(hào)等值，用半橋可測(cè)。上、下0°片，接對(duì)臂測(cè)？彎扭實(shí)驗(yàn)第35頁(yè)方案終究怎樣布片和按那種橋路接線，應(yīng)依據(jù)要求自行設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)取得最正確方案。布片方案和組橋方案都不是唯一。彎扭實(shí)驗(yàn)第36頁(yè)試驗(yàn)設(shè)備電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及彎扭復(fù)合受力圓管試驗(yàn)裝置。電阻應(yīng)變儀。游標(biāo)卡尺，鋼板尺。彎扭實(shí)驗(yàn)第37頁(yè)試驗(yàn)內(nèi)容及要求用單臂測(cè)量7個(gè)應(yīng)變片應(yīng)變值。利用半橋或?qū)Ρ刍蛉珮虻冉M橋方式，分別測(cè)出彎矩My與扭矩T各自所引發(fā)應(yīng)變值。要求最少各有一個(gè)彎矩、扭矩單獨(dú)引發(fā)應(yīng)變即可。每項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容數(shù)據(jù)，需要重復(fù)測(cè)量?jī)纱危有遁d兩個(gè)循環(huán)）以上，兩次測(cè)量得到應(yīng)變差之間應(yīng)小于5%。彎扭實(shí)驗(yàn)第38頁(yè)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)測(cè)量空心圓管內(nèi)外經(jīng)；測(cè)量加力點(diǎn)到測(cè)量截面距離L，加力點(diǎn)到圓管中心距離LT,；初載荷F0=200N，末載荷Fn＝1200N；鋼彈性模量取E＝206GPa；鋼泊松系數(shù)取＝0.28；電阻片靈敏系數(shù)K片＝2.08；試驗(yàn)機(jī)加載速度1∽5mm/min。彎扭實(shí)驗(yàn)第39頁(yè)載荷要注意分配到每個(gè)試件上載荷為：

100N600N彎扭實(shí)驗(yàn)第40頁(yè)測(cè)量尺寸時(shí)要注意在測(cè)量過程中請(qǐng)千萬(wàn)不要用手去摸電阻應(yīng)變片?。?！切記??！彎扭實(shí)驗(yàn)第41頁(yè)單臂測(cè)量數(shù)據(jù)合理性判斷上0°與下0°片絕對(duì)值？上0°與上90°關(guān)系怎樣？上、下±45°兩兩絕對(duì)值？彎扭實(shí)驗(yàn)第42頁(yè)常數(shù)彎扭實(shí)驗(yàn)第43頁(yè)試驗(yàn)匯報(bào)要求將各類原始數(shù)據(jù)整理成表格；依據(jù)所測(cè)應(yīng)變值計(jì)算一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)；計(jì)算主應(yīng)力σ1

，σ2及主方向θ并與理論值比較，計(jì)算相對(duì)誤差；依據(jù)各種組橋方式測(cè)出應(yīng)變，計(jì)算出彎矩與扭矩，并與實(shí)際彎矩與扭矩值比較，計(jì)算誤差；彎扭實(shí)驗(yàn)第44頁(yè)5.對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析討論，分析誤差起源，比較各種組橋方式利弊；6.依據(jù)本試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與要求提出自己布片方案（用最少應(yīng)變片）；7.體會(huì)與收獲。8.將簽字預(yù)習(xí)匯報(bào)隨試驗(yàn)匯報(bào)一起交了。彎扭實(shí)驗(yàn)第45頁(yè)應(yīng)知道—課后幾個(gè)思索題

此次試驗(yàn)課完成后，應(yīng)知道：

外力怎樣簡(jiǎn)化到測(cè)量截面上；怎樣測(cè)一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)；怎樣分離內(nèi)力；使用電橋目標(biāo)；在哪個(gè)方向上正應(yīng)力最大；在某個(gè)方向上正應(yīng)力為零，那該方向上正應(yīng)變也為零嗎？剪應(yīng)變?cè)鯓訙y(cè)？剪應(yīng)變?cè)谀膫€(gè)方向上引發(fā)線應(yīng)變最大;

剪力怎樣得到，Q對(duì)XY平面產(chǎn)生何影響？彎扭實(shí)驗(yàn)第46頁(yè)單臂測(cè)量操作步驟單臂測(cè)量操作步驟按次序?qū)⒃嚰险迟N各個(gè)應(yīng)變片（工作片）接到每個(gè)通道AB接線端上，BB’為短接狀態(tài)。將溫度賠償片接到公共端。運(yùn)行軟件，自動(dòng)檢測(cè)聯(lián)機(jī)狀態(tài)。在參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置各測(cè)量點(diǎn)連接形式為應(yīng)變1-1和設(shè)置各測(cè)量點(diǎn)靈敏系數(shù)K=2.08等參數(shù)。在初載時(shí)，先在自動(dòng)平衡界面按‘自動(dòng)平衡’，查看連接有沒有問題；