工程力學實驗

普通高等學校十三五規(guī)劃教材

“”

工程力學實驗

楊緒普董璐

主編

王波段力群

內(nèi)容簡介

本教材是編寫團隊長期在力學實驗教學科研一線工作的心得體會和成果總結(jié)遵循了如下

、。

原則同時也是本教材的創(chuàng)新和特色一是緊貼教學大綱的要求和實驗儀器設(shè)備的現(xiàn)實利用二維

,:,

碼把一些關(guān)鍵性環(huán)節(jié)通過視頻進行詳細闡述直觀明了以便于學生加深對實驗基本原理和方法

,,,

設(shè)計的目的理解可以快速上手開展實驗節(jié)約時間提高效率二是豐富了動載荷實驗的內(nèi)容比

,,,;,

如疲勞試驗落錘沖擊試驗壓桿試驗等既反映了我校力學實驗教學的學科特

MTS、、Hopkinson,

色更為學生涉足開展材料的應變率效應實驗提供指導三是對近年來有關(guān)基礎(chǔ)力學實驗競賽

,、;、

結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽工程實踐制作等科技創(chuàng)新型活動進行了整理歸納這既是工程力學實驗的應用推

、,

廣也是力學實驗教學的拓展升華教材內(nèi)容共分六部分理論力學實驗材料力學實驗振動實

,。:、、

驗數(shù)值模擬實驗動載荷實驗制作加載實驗另附有部分儀器設(shè)備的詳細使用說明部分科技創(chuàng)

、、、,、

新競賽任務(wù)書和常規(guī)實驗的報告樣本

。

本書適合作為普通高等院校土木類機械類等本科研究生的實驗教材也可以作為工程力

、、,

學材料力學等課程的教學參考書還可以作為力學與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新比賽的輔導教材或高職高專院校

、,

的力學實驗教材

。

圖書在版編目(CIP)數(shù)據(jù)

工程力學實驗楊緒普等主編北京中國鐵道

/.—:

出版社重印

,2018.8(2019.8)

普通高等學校十三五規(guī)劃教材

“”

ISBN978-7-113-24830-7

工楊工程力學實驗高等

Ⅰ.①…Ⅱ.①…Ⅲ.①——

學校教材

—Ⅳ.①TB12-33

中國版本圖書館數(shù)據(jù)核字第號

CIP(2018)178215

書名:工程力學實驗

作者:楊緒普董璐王波段力群主編

策劃:曾露平

責任編輯:曾露平

封面設(shè)計:劉穎

責任校對:張玉華

責任印制:郭向偉

出版發(fā)行:中國鐵道出版社有限公司北京市西城區(qū)右安門西街號

(100054,8)

網(wǎng)址:

htt:///51eds/

印刷:三河市宏盛印務(wù)有限公司pp

版次:年月第版年月第次印刷

201881201982

開本:印張:字數(shù):419千

787mm×1092mm1/1616.75

書號:

ISBN978-7-113-24830-7

定價:元

43.00

版權(quán)所有侵權(quán)必究

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,,。:(010)63550836

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前言

在我校力學實驗教學實踐中,出現(xiàn)了一些新問題。一方面學生軍政訓練任務(wù)重,課

堂課后學習時間有限;另一方面學生接觸到力學實驗后,學習的興趣大幅提升,尤其是

學有余力的學生感覺內(nèi)容不夠,而實驗課程的學習又依賴于場地和設(shè)備。本教材的編寫

嘗試在解決此矛盾方面做一些探索,那就是緊貼教學大綱的要求和實驗儀器設(shè)備的現(xiàn)

實,利用二維碼,把一些關(guān)鍵性環(huán)節(jié)通過視頻進行詳細闡述,以便于學生加深對實驗基

本原理和方法設(shè)計的目的理解,快速上手開展實驗。這些二維碼的內(nèi)容包括主要實驗儀

器設(shè)備的構(gòu)造原理、操作演示,實驗設(shè)計的基本原理,相關(guān)理論難點,工程實際的應用

情況。這些預習、復習素材短小精煉,方便學生利用碎片時間學習,節(jié)約了課內(nèi)操作時

間,還減少了誤操作的可能,提高了課內(nèi)教學的效率,也拓展豐富了教學內(nèi)容。

課內(nèi)的工程力學實驗教學受學時和設(shè)備的限制,一般僅限于靜力學的內(nèi)容。但是,

這一方面這不符合實際需求。我們都知道,哪怕是司空見慣的跑步,施加在腳掌的都是

沖擊動載荷,更不用說軍事行動中的強動載荷,所以完全有必要了解材料在動載荷下的

響應。另一方面也限制了學生的思維方式。沒有動力學概念,遇到問題總從靜力學尋求

解答是不可想象的,也是沒有出路的。尤其是不斷出現(xiàn)的由于不科學的野蠻訓練導致的

各種損傷,反映了我們的實驗教學要貼近學生的實際需要,能幫助學生樹立科學的思維

方式,解決他們生活、訓練以及工作的實際力學問題,這既是力學實驗教學的任務(wù),也

是力學教學生命力的體現(xiàn)?；谝陨峡紤],本書豐富了動載荷實驗的內(nèi)容,除了擺錘沖

擊試驗,還添加了疲勞試驗、落錘沖擊試驗、壓桿試驗等,這些內(nèi)容

MTSHopkinson

不僅反映了我校力學實驗教學的學科特色,還為學生涉足、開展材料的應變率效應實驗

提供指導,應變速率從-5到3,材料也從金屬拓展到巖土、泡沫鋁、復合材料等更

1010

廣的范圍,為本科生畢業(yè)設(shè)計和研究生開展實驗研究提供技術(shù)支撐。

絕大多數(shù)學生,不一定會將興趣投于前沿科學實驗,他們更愿意致力于簡單、易上

手的實踐性制作活動,在我們面向工程防護類學生開設(shè)的工程實踐(力學)課程也充分

證明了這點。每組學生利用價格低廉、易于加工的復壓竹皮、桐木(巴沙木)條和、

502

膠等材料,輔助一些簡易的工具,充分遵循掌握的力學原理,按照設(shè)定條件和預定

AB

達成目標,手工制作梁、柱等簡單構(gòu)件以及橋梁、樓房等復雜結(jié)構(gòu),利用力學實驗設(shè)備

儀器,進行加載比試,依據(jù)承載能力與模型自重的比值排序確定成績。寓教于樂,理論

聯(lián)系實踐,能親自動手,將自己的設(shè)計變成現(xiàn)實的學習方式,深受學生歡迎,效果也超

工程力學實驗

·2·

乎想象地好。將已有理論和未知知識融合,把實驗技術(shù)與數(shù)值模擬結(jié)合,將理想狀態(tài)與

實際情況對比,在此過程中,既深化了理論知識的理解,還涉及課本之外的知識學習,

比如超靜定問題、大撓度變形、塑性破壞等。那些理論課程學得不算理想的同學,很多

在這個過程中也表現(xiàn)突出,這源于激發(fā)了他們內(nèi)心的自主學習的愿望。通過實驗課程教

學、工程實踐鍛煉、校內(nèi)比賽選拔、強化指導訓練,組隊參加力學與結(jié)構(gòu)設(shè)計類的科學

競賽,積累了一點經(jīng)驗,獲得了一些成績。為此編者把近年來參與的基礎(chǔ)力學實驗競

賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、工程實踐制作等科技創(chuàng)新型活動進行了整理歸納,這既是工程力學

實驗的應用推廣,也是力學實驗教學的拓展升華。

本教材內(nèi)容共分六部分:理論力學實驗、材料力學實驗、振動實驗、數(shù)值模擬實

驗、動載荷實驗、創(chuàng)新制作實驗,其中動載荷實驗和創(chuàng)新制作實驗這兩部分內(nèi)容是本教

材的創(chuàng)新和特色,另附有部分儀器設(shè)備的詳細使用說明、力學與結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽任務(wù)書和

常做實驗的報告樣本。

本教材是編寫團隊成員科研及教學經(jīng)驗的總結(jié)、智慧的結(jié)晶,其中第三、七、八章

由楊緒普編寫,第二、五章及第六章部分內(nèi)容由董璐編寫,第一、四章由王波編寫,緒

論、附錄由段力群編寫,章鹍、郭哲、謝成強、吳麗軍、林瀚等本科生在視頻拍攝、后

期編輯等方面協(xié)助做了大量工作。

由于編者水平有限,時間緊張,定有錯誤與不當之處,敬請批評指正!

楊緒普

年月日

201866

目錄

緒論力學實驗基礎(chǔ)知識…………

1

第一部分理論力學實驗

第一章驗證性實驗………………

6

實驗質(zhì)點系動量定理推演……………

1-16

實驗四種不同載荷的觀測與理解……………………

1-27

實驗求不規(guī)則物體的重心……………

1-38

實驗三線擺法測定不規(guī)則物體的轉(zhuǎn)動慣量…………

1-410

實驗摩擦因數(shù)測定……………………

1-515

實驗工程結(jié)構(gòu)振動實驗演示…………

1-617

第二部分材料力學實驗

第二章基本性實驗……………

20

實驗低碳鋼和鑄鐵拉伸實驗…………

2-120

實驗低碳鋼和鑄鐵壓縮實驗…………

2-229

實驗剪切實驗…………

2-331

實驗扭轉(zhuǎn)實驗…………

2-433

實驗剪切彈性模量G的測定…………

2-538

實驗梁的彎曲正應力實驗……………

2-640

實驗主應力實驗………………………

2-745

實驗壓桿穩(wěn)定實驗……………………

2-848

第三章設(shè)計性實驗……………

52

實驗粘貼電阻應變片實驗……………

3-152

實驗偏心拉伸實驗……………………

3-254

實驗等強度梁應變測定實驗和橋路變換接線實驗…………………

3-357

實驗電阻應變片靈敏系數(shù)標定………

3-459

實驗材料彈性模量E和泊松比μ的測定……………

3-562

實驗條件屈服應力σ的測定………

3-60.266

實驗真應力真應變曲線測定………

3-7-69

實驗剛架綜合實驗……………………

3-872

實驗不同截面桿件的扭轉(zhuǎn)……………

3-975

工程力學實驗

·4·

第三部分振動實驗(自主性實驗)

第四章自主性實驗一…………

82

實驗簡諧振動幅值與頻率的測量……………………

4-182

實驗簡支梁固有頻率測量……………

4-285

實驗油阻尼減振器實驗………………

4-386

實驗主動隔振實驗……………………

4-488

實驗被動隔振實驗……………………

4-590

實驗多自由度系統(tǒng)固有頻率及振型測量……………

4-691

第四部分數(shù)值模擬實驗(自主性實驗)

第五章自主性實驗二…………

95

實驗理論力學問題求解器……………

5-195

實驗材料力學問題求解器……………

5-299

實驗結(jié)構(gòu)力學求解器………………

5-3101

第五部分動載荷實驗

第六章動載荷實驗……………

107

實驗擺錘沖擊實驗…………………

6-1107

實驗落錘沖擊試驗…………………

6-2110

實驗疲勞加載實驗……………

6-3MTS112

實驗霍普金森壓桿實驗……………

6-4116

第六部分制作加載實驗

第七章創(chuàng)新型實驗一…………

121

實驗壓桿設(shè)計與制作………………

7-1121

實驗四點彎曲梁的設(shè)計與制作……………………

7-2122

實驗曲拐的設(shè)計與制作……………

7-3125

實驗桁架橋梁設(shè)計與制作…………

7-4127

第八章創(chuàng)新型實驗二…………

129

實驗雞蛋保護裝置制作……………

8-1129

實驗牙簽發(fā)射裝置制作……………

8-2129

實驗簡易器材橋梁制作……………

8-3130

實驗自動行駛裝置制作……………

8-4131

實驗樓房模型定向爆破……………

8-5132

附錄………………

134

附錄誤差分析及數(shù)據(jù)處理知識…………

A135

附錄電測法的基本原理…………………

B151

附錄電子萬能試驗機操作方法介紹……………

CDNS159

目錄

·5·

附錄系列應力應變綜合測試儀…………

DCML-1H-163

附錄靜態(tài)數(shù)字電阻應變儀使用說明……

EYJ-4501A168

附錄材料力學多功能試驗臺………………

F(BDCL)174

附錄振動臺系統(tǒng)使用說明…………………

GWS-Z30177

附錄常用工程材料的力學性質(zhì)和物理性質(zhì)…………

H181

附錄部分實驗力學競賽試題與任務(wù)書…………………

I182

附錄部分結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽任務(wù)書…………

J195

附錄材料力學實驗記錄…………………48

K2

緒論力學實驗基礎(chǔ)知識

一、概述

實驗是工程力學課程的重要組成部分是解決工程實際問題的重要手段之一工程力學

,。

實驗包括以下三方面的內(nèi)容

:

驗證工程力學的理論和定律力學理論大多是以對工程問題進行一定的簡化或假設(shè)

(1)。

為基礎(chǔ)建立力學模型然后進行數(shù)學推演這些簡化和假設(shè)的提出都是來自對工程實際的大

,,。

量實踐和觀察分析所建立理論的正確與否必須經(jīng)過實踐的檢驗數(shù)學推導的簡化與假設(shè)是否

,,

合理關(guān)系著推導出的理論或公式能否正確反映客觀實際只有實驗結(jié)果才能驗證因此驗證

,,,,

理論的正確性是工程力學實驗的重要內(nèi)容學生通過這類實驗可鞏固和加深對基本概念的理

,,

解同時掌握驗證理論的實驗方法

,。

研究和檢驗工程材料的力學性能機械性能工程材料必須具有抵抗外力作用而不

(2)()。

超過允許變形或不破壞的能力這種能力表現(xiàn)為材料的強度剛度韌性彈性及塑性等工科

,、、、,

學生必須熟悉這些性能在工程力學實驗課程學習中學生通過檢測材料力學性能實驗的基

。,

本訓練掌握常用材料的力學性質(zhì)還可進一步加深理解工程力學理論課程所學習的相關(guān)知

,,

識同時通過動手實踐掌握工程材料常用性能指標的基本測定方法為以后的專業(yè)實驗乃至

,,,

工程實踐打下基礎(chǔ)

。

實驗應力分析即采用測量方法確定許多無理論計算可用的復雜受力構(gòu)件的應力分

(3)。,

布狀態(tài)和變形狀態(tài)以便檢驗構(gòu)件的安全性或者為設(shè)計構(gòu)件提供依據(jù)隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的

,。

發(fā)展新的材料不斷涌現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)層出不窮強度剛度問題的分析提出了許多新課題作為

,,,、,,

一名工程技術(shù)人員只有扎實地掌握實驗的基礎(chǔ)知識和技能才能較快地接受新的知識內(nèi)容

,,,

趕上科技進步的步伐

。

基于以上三個方面本課程所安排的實驗是配合工程力學理論課程的內(nèi)容圍繞解決工程

,,

實際需要結(jié)合本校的實驗設(shè)備而設(shè)計的考慮到開發(fā)學生智力培養(yǎng)分析問題和解決問題的

,。、

能力使實驗室成為學生從理論走向工程實踐的橋梁實驗內(nèi)容的選擇偏向于與本校各個相關(guān)

,,

工程專業(yè)緊密結(jié)合

。

工程力學實驗包括學習實驗原理實驗方法和實驗技術(shù)常用機器設(shè)備的原理和使用方法

、,

以及實驗數(shù)據(jù)的處理實驗指導書分為六個部分第一部分為理論力學實驗全部為驗證理論

。:,

型實驗第二部分為材料力學實驗其中教學計劃規(guī)定的實驗基礎(chǔ)實驗為必做實驗設(shè)計性

;,(),

實驗部分為選作實驗第三部分為振動實驗內(nèi)容均為自主性實驗第四部分為數(shù)值模擬實

;,;

驗學習者可根據(jù)課堂教學內(nèi)容自主選做感興趣的模擬實驗

,,。

第五部分為動載荷實驗內(nèi)容為中高應變速率實驗學習者可根據(jù)研究需要選擇第六部

,、,,

分為制作加載實驗內(nèi)容為創(chuàng)新型實驗為學習者提供工程實踐制作素材與指導

,,。

工程力學實驗

·2·

二、實驗須知

實驗前必須預習實驗指導書中相關(guān)的內(nèi)容了解本次實驗的內(nèi)容目的要求及注意事

(1),、、

項尤其是其中的安全操作注意事項

,。

按預約實驗時間準時進入實驗室不得無故遲到早退缺席

(2),、、。

進入實驗室后不得高聲喧嘩

(3),。

保持實驗室整潔不準在機器儀器及桌面上涂寫不準亂丟紙屑不準隨地吐痰

(4),、,,。

實驗時應嚴格遵守操作步驟和注意事項不做與指定實驗無關(guān)的事情

(5),。

實驗中若遇儀器設(shè)備發(fā)生故障應立即向教員報告待檢查排除故障后方能繼續(xù)

(6),,,、,

實驗

。

力學實驗一般不可單人操作須分組進行實驗過程中應有統(tǒng)一指揮分工明確協(xié)同

(7),,,,

操作不可各行其是

,。

實驗結(jié)束后將儀器工具清理擺正不得將實驗室的儀器工具材料說明書等物品

(8),、。、、、

攜帶出實驗室特殊情況需暫時帶出實驗室的應向教員辦理借用手續(xù)

,,。

實驗完畢應在各自使用儀器設(shè)備的履歷本上如實登記實驗數(shù)據(jù)經(jīng)教員認可后方能

(9),,

離開實驗室

。

學員上交的實驗報告是教員檢查實驗教學效果的依據(jù)實驗報告要求字跡工整繪圖

(10),、

清晰表格簡明實驗結(jié)果正確除封面可以使用統(tǒng)一的印制品外其內(nèi)容部分應手寫手繪

、、。,

完成

。

分組實驗的數(shù)據(jù)同組實驗者可共享但實驗報告須獨立撰寫常規(guī)實驗的結(jié)果已

(11),,。,

自動將數(shù)據(jù)保存在所用儀器中學員在實驗報告撰寫過程中若有疑問可回實驗室查閱一般

,,,

應將數(shù)據(jù)保留并帶走如果需要使用移動設(shè)備應將移動設(shè)備交與教員殺毒檢查后方可使用

,,。

學員若對課內(nèi)的實驗結(jié)果不滿意可向教員申請重做

。

力學實驗室為學校開放性實驗室除教學計劃規(guī)定的必修實驗內(nèi)容外還開設(shè)了多種

(12),,

工程力學課程涉及的實驗包括學員自行設(shè)計的力學實驗此類實驗的實施學員應先向?qū)嶒?/p>

,。,

室提出申請由實驗室安排實驗時間自主性實驗的試件由學員自己動手加工實驗室提供加

,;,

工工具和設(shè)備所需要的材料如須購買則應事先向?qū)嶒炇姨岢鰰娴慕?jīng)費申請

,,。

三、實驗程序

本課程列入的力學實驗其實驗條件以常溫靜載為主試件材質(zhì)以金屬為主實驗中主

,、,。

要測量作用在試件上的載荷以及應力試件的變形和破壞金屬材質(zhì)的試件所要求的載荷較

、。

大由幾千牛到幾百千牛不等故加力設(shè)備龐大復雜變形則很小絕對變形一般以千分之一毫

,,;,

米為單位相對變形應變可以小到-6-5因而變形測量設(shè)備必須精密進行實驗力

,()10~10,。,

與變形要同時測量一般需數(shù)人共同完成因此力學實驗要求實驗者以組為單位嚴密地組

,。,,

織協(xié)作形成有機的整體以便有效地完成實驗

,,。

(一)準備

明確實驗目的原理和步驟及數(shù)據(jù)處理的方法實驗用的試件或模型是實驗的對象要

、。(),

了解其原材料的質(zhì)量加工精度并細心地測量試件的尺寸以此為基礎(chǔ)對試件最大加載量值

、,,

進行估算并擬定加載方案此外還應根據(jù)實驗內(nèi)容事先擬定記錄表格以供實驗時記錄數(shù)

,。,

緒論力學實驗基礎(chǔ)知識

·3·

據(jù)部分實驗的記錄表格參看附錄

,(K)。

實驗使用的機器和儀器應根據(jù)實驗內(nèi)容和目標進行適當?shù)倪x擇在本課程的教學實驗中

,,

實驗用的機器儀器是教員指定并預先調(diào)試的但對選擇工作怎樣進行應當有所了解選擇試

,。

驗機的根據(jù)如下

:

需要用力的類型例如使試件拉伸壓縮彎曲或扭轉(zhuǎn)的力

(1)(、、)。

需要用力的量值最大荷載前者由實驗目的來決定后者則主要依據(jù)試件或模

(2)()。,(

型材質(zhì)和尺寸來決定

)。

變形測量儀器的選擇應根據(jù)實驗測量精度以及梯度等因素決定

(3),。

此外使用是否方便變形測量儀器安裝有無困難也都是選用時應當考慮的問題

,、,。

若準備工作做得越充分則實驗的進行便會越順利實驗工作質(zhì)量也越高

,,。

(二)實驗

開始實驗前應檢查試驗機的各種傳感器測量裝置是否靈敏輸出線性是否符合要求試

,、,,

件安裝是否正確變形儀是否安裝穩(wěn)妥等檢查完畢后還需要請指導教員確認確認無誤后方

,。,

可開動機器

。

第一次加載可不做記錄或儲存不允許重復加載的實驗除外觀察各部分變化是否正常

(),。

如果正常再正式加載并開始記錄記錄者及操作者均須嚴肅認真一絲不茍地進行工作

,。、。

工程力學課程的必修實驗內(nèi)容全部是檢驗材料力學性能或者驗證理論課程公式和結(jié)論

,,

的實驗實驗是否成功主要評判標準是其是否與理論相符與已知的結(jié)論相符若所得實驗

。,、,

結(jié)果與理論不符應檢查實驗準備情況分析實驗過程糾正錯誤重新進行實驗

,,,,。

試驗完畢要檢查數(shù)據(jù)是否齊全并注意設(shè)備復位清理設(shè)備把使用的儀器儀表拆除收放

,,,,

原處并在使用記錄簿上說明儀器設(shè)備的良好狀態(tài)

,。

(三)安全操作注意事項

進行工程力學實驗過程中應注意以下三點

:

力學實驗的加載設(shè)備多為大型機器