1、工程力學實驗指導書班級： 學號： 姓名： 緒 言工程力學是一門研究結構或構件承載能力的科學，如果沒有原始的實驗數據，強度、剛度、穩定性三大基本問題便無從談起。 工程力學的發展也同樣離不開實驗。現有的理論并不能解決全部實際問題，而借助實驗方法來進行應力分析，常常是解決問題的有效手段，通過實驗應力分析的方法解決了工程中的難題同時，又促進了工程力學理論的發展。 工程力學實驗可分為如下三個方面：1、測定材料的力學性質 對一些材料常用的、基本的力學性能指標進行實驗測定。例如，通過拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、疲勞等試驗來測定材料的彈性模量、強度極限、沖擊韌度、持久極限等力學參數。在完成這類實驗后，應能夠通過對

2、變形、破壞現象的觀察及斷口的分析達到對材料的力學性質有一個透徹的了解。2、驗證理論公式 工程力學理論都是建立在一些簡化和假定基礎上的。對于某一真實受力結構，理論能否正確地反映實際規律，是一個必須要加以驗證的問題。尤其可以經過對理論解與實測結果的比較對理論的適用范圍及近似解的精度建立一個正確的概念。3、應力分析實驗 工程中許多實際受力問題是復雜多變的，是無法用工程力學甚至更高等的固體力學理論來直接解決的。這時，用諸如電測、光彈性等實驗應力分析的方法直接測定構件的應力，便成為有效的方法。對經過較大簡化后得到的理論計算或數值計算，其結果的可靠性更有賴于實驗應力分析的驗證。工程力學實驗條件以常溫、靜載

3、為主。主要測量作用在試件上的載荷和試件的變形。載荷有的要求較大，由幾千牛頓到幾百千牛頓，故加力設備有的較大；而變形則很小，絕對變形可以小到千分之一毫米，相對變形（應變）可以小到10-510-6，因而變形測量設備必須精密。進行試驗，力與變形要同時測量，一般需數人共同完成。這就要求嚴密地組織協作，形成有機的整體，以便有效地完成實驗。實驗程序為：1、準備明確實驗目的、原理和步驟，數據處理方法。實驗用的試件（或模型）是實驗的對象，要了解它的原材料的質量，加工精度，并細心地測量試件的尺寸。同時要對試件加載量值進行估算、并擬出加載方案。此外，應備齊記錄表格以供實驗時記錄數據。實驗小組成員，分工明確，操作互

4、助協調，有統一指揮，不可各行其是。2、實驗開始實驗前，要檢查試驗機測力度盤指針是否對準零點、試件安裝是否正確、變形儀是否安裝穩妥等。最后請指導教師檢查，確認無誤后方可開動機器。第一次加載可不作記錄（不允許重復加載的試驗除外），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。實驗完畢，要檢查數據是否齊全，并注意清理設備。3、實驗報告實驗報告是實驗者最后的成果，是實驗資料的總結。報告包括下列內容：（1）實驗名稱，實驗日期，實驗人員姓名，同組成員名單。（2）實驗目的及原理。（3）使用的機器、儀表應注明名稱、型號、精度（或放大倍數）等，其它用具也

5、應寫清。（4）實驗數據及處理數據要正確填入記錄表格內，注明測量單位，如厘米或毫米，牛頓或千牛頓。此外，還要注意儀器的精度。在正常狀況下，儀器所給出的最小讀數，應當在允許誤差范圍之內。換言之，儀器的最小刻度應當代表儀器的精度。如：百分表的最小刻度是0.01mm，其精度即百分之一毫米。應按誤差分析理論對數據進行處理。表格均應整潔，書寫清晰，使人容易看出全部測量結果的變化情況和它們的單位及準確度。實驗中所用儀器的度盤若是用工程單位制標定的，數據整理時一律使用國際單位制。（5）在工程力學實驗中，用計算器計算，精度足夠。但須注意有效數字的運算法則。工程上一般取34位有效數字。（6）除根據測得的數據整理并

6、計算出實驗結果外，一般還要采用圖表或曲線來表達實驗的結果。先建立坐標系，并注明坐標軸所代表的物理量及比例尺。將試驗的坐標點用記號“。”或“.”、“”、“×”表示出來。當連接曲線時，不要用直線逐點連成折線，應該根據多數點的所在位置，描繪出光滑的曲線。（7）對實驗的結果進行分析，說明其優缺點之所在、精度是否滿足要求等。對誤差加以分析，并回答教師指定的思考題。實驗一 金屬材料的拉伸試驗一、實驗目的與要求1觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸試驗中的變形及破壞現象。2測繪低碳鋼和鑄鐵試件的載荷變形曲線（曲線）。3測定低碳鋼的屈服極限、強度極限、延伸率、斷面收縮率和鑄鐵的強度極限。4比較低碳鋼(塑性材料)和

7、鑄鐵(脆性材料)的拉伸力學性能。二、實驗設備和儀器1、游標卡尺2、鋼尺3、WE系列電液式萬能試驗機三、實驗原理與方法金屬材料拉伸時的屈服極限、強度極限、伸長率、和斷面收縮率是由拉伸試驗測定的。試驗采用的圓截面短比例試樣、長比例試件按國家標準制成，如圖1-1所示。這樣可以避免因試樣尺寸和形狀的影響而產生的差異，便于各種材料的力學性能相互比較。圖中：d0為試樣直徑，l0為試樣的標距，并且短比例試樣要求l0=5d0，長比例試件要求l0=10d0。國家標準中還規定了其他形狀截面的試樣，可適用于從不同的型材和構件上制備試樣。圖 1-1 金屬拉伸試驗應遵照國家標準在萬能試驗機上進行，在實驗過程中，萬能試驗

8、機的顯示屏上實時繪出試樣的拉伸曲線(也稱為Fl曲線)，如圖1-2所示。圖 1-2 低碳鋼試樣的拉伸曲線(圖1-2a)分為四個階段彈性、屈服、強化、頸縮階段。如果在強化階段卸載，Fl曲線會從卸載點開始向下繪出平行于初始加載彈性階段直線的一條斜直線，表明它服從彈性規律。如若重新加載，Fl曲線將沿此斜直線重新回到卸載點，并從卸載點接續原強化階段曲線繼續向前繪制。此種經過冷拉伸使彈性階段加長、彈性極限提高，塑性下降的現象，工程中稱為冷作硬化現象。 鑄鐵試樣的拉伸曲線(圖1-2b)比較簡單，沒有屈服階段，變形很小時試樣就突然斷裂，斷口與橫截面重合，斷口形貌粗糙。抗拉強度b較低，無明顯塑性變形。取下試樣測

9、量試樣斷后最小直徑d1和斷后標距l1，由下述公式 ， ， ，可計算低碳鋼的拉伸屈服點、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率和鑄鐵的抗拉強度。如若實驗前將試樣的初始直徑d0，初始標距長度l0等數據輸入微型計算機，微型計算機可繪出應力-應變(-)曲線，并在實驗結束后給出該材料的屈服點和抗拉強度。四、實驗步驟1、試件準備：在低碳鋼和鑄鐵試件上劃出長度為l0的標距線，在試樣標距段的兩端和中間三處測量試樣直徑，每處直徑取兩個相互垂直方向的平均值，做好記錄。三處直徑的最小值取作試樣的初始直徑d0。2、試驗機準備：熟悉WE系列電液式萬能試驗機的操作方法，開啟控制器電源。3、安裝夾具：根據試件情況準備好夾具，并安裝在

10、夾具座上。若夾具已經安裝好，對夾具進行檢查。4、設置試驗條件：在測試應用程序界面中設置實驗條件，主要有試驗形式、試樣編號、尺寸、材料等。5、夾持試件：將試件的一端夾于上鉗口中，啟動升降電機調整位置，使下鉗口夾緊試件另一端，注意保持試件垂直。6、開始試驗：點擊主機小鍵盤上的力值清零，消除加持力；位移清零；按照試驗要求的加力速度，緩慢的擰開送油閥進行加力試驗。試件斷裂后關閉送油閥，取下斷裂后的試樣，然后打開回油閥卸力。7、記錄數據：取下試件，將斷裂試件的兩端對齊、靠緊，測出試件斷后最小直徑d1，斷后標距長度l1。8、重復實驗步驟47，進行鑄鐵試樣拉伸實驗。9、讀取實驗數據，打印曲線。10、經實驗指

11、導教師檢查實驗結果后，結束實驗并整理實驗現場。五、實驗數據及處理1、試件尺寸記錄表材料標距l0（mm）直徑d0（mm）橫載面面積A0（mm2）低碳鋼鑄鐵2、實驗數據記錄表材料屈服載荷Fs（kN）最大載荷Fb（kN）斷后標距l1（mm）斷口直徑d1（mm）斷口橫載面A1（mm2）低碳鋼鑄鐵3、實驗資料整理結果低碳鋼鑄鐵屈服極限 = MPa/強度極限 = MPa強度極限 = MPa延伸率/斷面收縮率=/實驗二 金屬材料的壓縮試驗一、實驗目的與要求1觀察低碳鋼和鑄鐵在壓縮試驗中的變形及破壞現象。2測定壓縮時低碳鋼的屈服極限和鑄鐵的強度極限。3觀察鑄鐵試樣的破壞斷口，分析破壞原因。4分析比較兩種材料拉

12、伸和壓縮性質的異同。二、實驗設備和儀器1、游標卡尺2、鋼尺3、WE系列電液式萬能試驗機三、實驗原理與方法金屬材料的屈服極限和強度極限，由壓縮試驗測定。按試驗規范要求，壓縮試樣應制成短圓柱形(參看圖2-1)。 圖 2-1圖 2-2分析和實驗均表明，壓縮試驗時，試樣的上、下端面與試驗機支承墊之間會產生很大的摩擦力(參看圖2-2)，這些摩擦力將阻礙試樣上部和下部產生橫向變形，致使測量得到的抗壓強度偏高。因而應采取措施(磨光或加潤滑劑)減少上述摩擦力。注意到試樣的高度也會影響實驗結果，當試樣高度h0增加時，摩擦力對試樣中段的影響減少，對測試結果影響較小。此外，如若試樣高度直徑比(h0d0)較大，極易發

13、生壓彎現象，抗壓強度測量值也不會準確。所以壓縮試樣的高度與直徑的比值(h0d0)一般規定為1h0d03。此外，還須設法消除壓縮載荷偏心的影響。進行低碳鋼壓縮試驗時，為測取材料的屈服極限，應緩慢加載，同時仔細觀察Fl曲線的發展情況，曲線由直線變為曲線的拐點處所對應的載荷即為屈服載荷Fs。材料屈服之后開始強化，由于壓縮變形使試樣的橫截面積不斷增大，盡管載荷不斷增大，但是，直至將試樣壓成餅形也不會發生斷裂破壞，如圖2-3所示。因此無法測量低碳鋼的抗壓強度Fb，壓縮試驗載荷變形曲線如圖2-3所示。圖 2-3圖 2-4鑄鐵壓縮試驗時，由壓縮試驗載荷變形曲線(圖2-4)可看出，隨著載荷的增加，破壞前試樣也

14、會產生較大的變形，直至被壓成“微鼓形”之后才發生斷裂破壞，破壞的最大載荷即為斷裂載荷。破壞斷口與試樣加載軸線約成45º角(如圖2-4)。由于單向拉伸、壓縮時的最大切應力作用面與最大正應力作用面約成45º角，因此，可知上述破壞是由最大切應力引起的。仔細觀察試樣斷口的表面，可以清晰地看到材料受剪切錯動的痕跡。四、實驗步驟1、測量試樣尺寸：用游標卡尺測量試樣高度h0，測量試樣兩端及中部三處截面的直徑，每處直徑為相互垂直方向直徑的平均值，取三處直徑中的最小值為初始直徑d0，并用其計算截面初始面積A0。2、試驗機準備：熟悉WE系列電液式萬能試驗機的操作方法，開啟控制器電源。3、設置試

15、驗條件：在測試應用程序界面中設置實驗條件，主要有試驗形式、試樣編號、尺寸、材料等。4、安裝試件：將試件準確地放在試驗機活動平臺承墊的中心位置上。5、開始實驗：緩慢均勻地加載，注意觀察載荷變形(F-l)曲線，找出壓縮屈服點，進入強化階段后，觀察試樣變形，由于試樣為塑性材料，試樣壓成餅形也不會發生斷裂破壞，因此無法測量低碳鋼的抗壓強度，試樣發生較明顯變形后，可以卸載。6、鑄鐵壓縮試驗的步驟與低碳鋼壓縮相同。但因鑄鐵破壞是脆斷，試樣發生一定變后，會發生斷裂破壞，為防止試樣壓斷時可能有碎屑崩出，試驗前應在試樣周圍加設有機玻璃防護罩。鑄鐵壓縮試驗只能測得試樣的斷裂載荷Fb。注意觀察試樣斷裂后的變形和斷口

16、的表面形貌。7、讀取實驗數據，打印曲線。8、經實驗指導教師檢查實驗結果后，結束實驗并整理實驗現場。五、實驗數據及處理1、實驗數據記錄表材料直徑d0（mm）橫載面面積A0（mm2）屈服載荷Fs（kN）最大載荷Fb（kN）低碳鋼鑄鐵2、實驗資料整理結果低碳鋼鑄鐵屈服極限 = MPa/強度極限 = MPa實驗三 等強度梁實驗一、實驗目的1、學習應用應變片組橋，檢測應力的方法2、驗證變截面等強度實驗3、掌握用等強度梁標定靈敏度的方法4、學習靜態電阻應變儀的使用方法二、實驗裝置及實驗梁的安裝實驗裝置為BZ8001多功能力學實驗臺（如圖3-1所示） 圖3-1 多功能力學實驗臺該實驗臺采用蝸桿機構以螺旋千斤

17、方式加載，經傳感器由數字式測力儀測試出力的讀數；各試件受力變形，通過應變片由電阻應變儀顯示，實驗數據可由計算機處理。 技術參數： 試件最大作用載荷 8KN 加載機構作用行程 55mm 手輪加載轉矩 02.6N·m 加載速度 0.13mm/轉（手輪） BZ8001多功能力學實驗臺主要零部件如圖3-2 圖3-2 多功能力學實驗臺及其附件圖1、等強度梁的正應力的分布規律實驗裝置，其裝置如圖3-3所示。圖3-3 等強度梁安裝圖2、等強度梁的安裝與調整：在如圖3-3所示位置處，將6.拉壓力傳感器安裝在5.蝸桿升降機構上擰緊，頂部裝上7.壓頭。搖動4.手輪使之降到適當位置，以便不妨礙等強度梁的安

18、裝。將等強度梁如圖放置，調整梁的位置使其端部與2.緊固蓋板對齊，轉動手輪使6.壓頭與梁的接觸點落在實驗梁的對稱中心線上。調整完畢，將1.緊固螺釘（共四個）用扳手全部擰緊。注意：實驗梁端部未對齊或壓頭接觸點不在實驗梁的對稱中心線上，將導致實驗結果有誤差，甚至錯誤。3、等強度梁的貼片：等強度梁實物如圖3-4圖3-4等強度梁實物1、2、3片分別位于梁水平上平面的縱向軸對稱中心線上，1、3片關于2片成左右對稱分布，如圖3-5所示圖3-5 等強度梁貼片圖三、實驗原理1、電阻應變測量原理電阻應變測試方法是用電阻應變片測定構件的表面應變，再根據應變應力關系（即電阻-應變效應）確定構件表面應力狀態的一種實驗應

19、力分析方法。這種方法是以粘貼在被測構件表面上的電阻應變片作為傳感元件，當構件變形時，電阻應變片的電阻值將發生相應的變化，利用電阻應變儀將此電阻值的變化測定出來，并換算成應變值或輸出與此應變值成正比的電壓（或電流）信號，由記錄儀記錄下來，就可得到所測定的應變或應力。2、電阻應變片 電阻應變片一般由敏感柵、引線、基底、覆蓋層和粘結劑組成，圖3-6所示為其構造簡圖。圖3-6 電阻應變片基本構造示意圖3、測量電路原理 通過在試件上粘貼電阻應變片，可以將試件的應變轉換為應變片的電阻變化，但是通常這種電阻變化是很小的。為了便于測量，需將應變片的電阻變化轉換成電壓（或電流）信號，再通過電子放大器將信號放大，

20、然后由指示儀或記錄儀指示出應變值。這一任務是由電阻應變儀來完成的。而電阻應變儀中電橋的作用是將應變片的電阻變化轉換成電壓（或電流）信號。電橋根據其供電電源的類型可分為直流電橋和交流電橋，下面以直流電橋為例來說明其電路原理。31 電橋的平衡 直流電橋如圖3-7所示，電橋各臂、可以全部是應變片（全橋式接法），也可以部分是應變片，其余為固定電阻，如當、為應變片，、接精密無感固定電阻時，稱為半橋式接法。 橋路AC端的供橋電壓為E，則在橋路BD端的輸出電壓為：圖3-7 測量電橋由上式可知，當橋臂電阻滿足: 時，電橋輸出電壓U=0 ，稱為電橋平衡。32 電橋輸出電壓 設起始處于平衡狀態的電橋各橋臂（應變片）的電阻值都發生了變化，即：, , , 此時電橋輸出電壓的變化量為：可進一步整理為：對以下常用的測量電路，該輸出電壓的變化可作進一步簡化：a) 全等臂電橋 在上述電橋中，各橋臂上的應變片的起始電阻值全相等，靈敏系數也相同，于是以代入上式，得b) 半等臂電橋 當、為起始電阻值和靈敏系數都相同的應變片，、接精密無感固定電阻，此時c) 1/4電橋 當、起始電阻值相同，為靈敏系數的應變片，、接精密無感固定電阻，此時33 電橋電路的基本特性 a）在一定的應變范圍內，電橋的輸出電壓與各橋臂電阻的變化率或