1、 實實 驗驗 力力 學學 陳登平陳登平 力學樓力學樓414414 TEL: 87651820 TEL: 87651820E-MAIL: E-MAIL: 先修課程：材料力學、理論力學、彈性力學、結構先修課程：材料力學、理論力學、彈性力學、結構 力學力學教材及參考書：教材及參考書： 1 1實驗力學實驗力學，蓋秉正主編，蓋秉正主編，20062006年年 2 2實驗應力分析實驗應力分析，張如一、陸耀楨主編，機，張如一、陸耀楨主編，機械工業出版社，械工業出版社，19811981年年 3 3 工程實驗力學工程實驗力學，計欣華、鄧宗白等編著，計欣華、鄧宗白等編著，機械工業出版社，機械工業出版社，200520

2、05年年考核方式：實驗成績，平時，期末考試成績。考核方式：實驗成績，平時，期末考試成績。 課程內容課程內容第第1 1章、章、 緒論緒論實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用實驗力學中的基本方法實驗力學中的基本方法實驗力學的發展概況實驗力學的發展概況課程內容課程內容第第2 2章、實驗數據處理與誤差分析章、實驗數據處理與誤差分析誤差分析中的基本概念誤差分析中的基本概念有效數字及其運算法則有效數字及其運算法則誤差分析的理論基礎誤差分析的理論基礎 間接測量值的誤差估計間接測量值的誤差估計 實驗數據的表示方法實驗數據的表示方法課程內容課程內容第第3 3章、量綱分析與相似律章、量綱分析與相似律量綱分析是

3、分析和研究問題的有力手段和方法量綱分析是分析和研究問題的有力手段和方法物理量的度量物理量的度量量綱及量綱分析量綱及量綱分析量綱分析的實質量綱分析的實質量綱分析的簡史量綱分析的簡史量綱的冪次表示量綱的冪次表示 定理定理相似律相似律運用運用 定理的注意點定理的注意點理論分析與實驗研究歷來是人們認識自然和解理論分析與實驗研究歷來是人們認識自然和解決工程問題的兩個重要手段，二者相輔相成。決工程問題的兩個重要手段，二者相輔相成。實驗是理論的基礎，也是科學發展的基礎。實驗是理論的基礎，也是科學發展的基礎。英國科學家羅杰爾英國科學家羅杰爾. .培根曾指出：培根曾指出：“沒有實驗，沒有實驗，任何新的東西不能深

4、知。任何新的東西不能深知。”近代科學技術的發展無不與實驗有著密切的聯近代科學技術的發展無不與實驗有著密切的聯系。系。第第1章、章、 緒論緒論1 1 實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用實驗從觀測開始實驗從觀測開始哥白尼哥白尼15431543年，年，天體運行說天體運行說，打破了統治，打破了統治10001000多年多年的地心說，但主觀認為行星軌道是圓的。的地心說，但主觀認為行星軌道是圓的。開普勒開普勒積累了他和老師積累了他和老師（丹麥（丹麥天文學家第谷）天文學家第谷）兩代人的觀察，兩代人的觀察，經過經過9 9年時間，終于給出正確表述：一切行星繞太年時間，終于給出正確表述：一切行星繞太陽運動的軌

5、道是橢圓的，太陽位于一個焦點上。陽運動的軌道是橢圓的，太陽位于一個焦點上。收入在收入在16191619年年宇宙的和諧宇宙的和諧一書中。一書中。伽利略，實驗科學之父伽利略，實驗科學之父傳說在比莎斜塔上做了自由落體實驗，實際上是傳說在比莎斜塔上做了自由落體實驗，實際上是通過研究擺的運動和斜面上的運動，得到了慣性通過研究擺的運動和斜面上的運動，得到了慣性定律、落體定律和拋體運動定律。定律、落體定律和拋體運動定律。16381638年，年，兩兩門新科學門新科學15941594年，年，論機械論機械，第一本力學書，第一本力學書16051605年，把觀察和實驗作為科學研究的堅實基礎。年，把觀察和實驗作為科學研

6、究的堅實基礎。把邏輯推理和實驗相結合這一科學方法論的創始把邏輯推理和實驗相結合這一科學方法論的創始人。人。實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用牛頓牛頓16871687年，在總結前人成果的基礎上，發現了質點運動規年，在總結前人成果的基礎上，發現了質點運動規律，發表律，發表自然哲學的數學原理自然哲學的數學原理，建立了牛頓力學體，建立了牛頓力學體系。系。達芬奇，達芬奇，1616世紀頗有影響力的力學家世紀頗有影響力的力學家研究了飛行原理，繪下了湍流渦旋圖，進行過梁的實驗，研究了飛行原理，繪下了湍流渦旋圖，進行過梁的實驗，設計過升降機，繪出過人體解剖圖。其科學思想，在科設計過升降機，繪出過人體解剖圖

7、。其科學思想，在科學史上也具有劃時代的意義。學史上也具有劃時代的意義。隨著科學的發展，實驗就遠遠不局限于對大自然的觀測，隨著科學的發展，實驗就遠遠不局限于對大自然的觀測，而是有目的的導致一些現象的出現，然后去觀測它，分析而是有目的的導致一些現象的出現，然后去觀測它，分析它，力求得出規律性的東西。這類實驗有在現場的實地測它，力求得出規律性的東西。這類實驗有在現場的實地測量，有在實驗室的模型實驗和模擬實驗。這些是當今實驗量，有在實驗室的模型實驗和模擬實驗。這些是當今實驗研究的主要特征。研究的主要特征。實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用實驗力學是用實驗的方法對結構進行力學分實驗力學是用實驗的方

8、法對結構進行力學分析的一門學科，是一門與工程實際聯系密切析的一門學科，是一門與工程實際聯系密切的學科。的學科。以結構物的原型或模型為研究對象，通過對以結構物的原型或模型為研究對象，通過對力學、物理量的測量來揭示其力學性態和變力學、物理量的測量來揭示其力學性態和變化規律。化規律。為理論研究提供驗證，優化工程設計方案，為理論研究提供驗證，優化工程設計方案，對工程結構進行失效分析對工程結構進行失效分析實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用解決工程實際中的各種強度問題。解決工程實際中的各種強度問題。測定零件或結構本身在工作過程中所受載荷測定零件或結構本身在工作過程中所受載荷的大小、方向、特點及其變化

9、情況的大小、方向、特點及其變化情況確定零件或結構的應力狀態等確定零件或結構的應力狀態等根據實驗應力分析的研究結果，合理地選擇根據實驗應力分析的研究結果，合理地選擇零件或結構的幾何尺寸和截面形狀。零件或結構的幾何尺寸和截面形狀。實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用施工中的盧浦大橋施工中的盧浦大橋建成后的盧浦大橋建成后的盧浦大橋實驗力學的任務與作用實驗力學的任務與作用載荷情況： 載荷形式 靜、動 載荷大小材料結構形式支撐形式環境：動力、風、水溫度、磁場運動狀態：位移、 速度、 加速度變形：應力、 應變材料： 材料性能 疲勞強度 斷裂性能結構：固有頻率阻尼、剛度 強度船舶建筑飛行器安全性可靠性穩

10、定性 海洋石油鉆井平臺海洋石油鉆井平臺Recent (2001) failure of offshore oil platform near Brazil地面鐵條使地面鐵條使輪胎爆裂，輪胎爆裂，碎片侵入發碎片侵入發動機。動機。 飛飛機機整整機機結結構構強強度度實實驗驗 軸軸 葉輪葉輪 疲勞斷裂破壞疲勞斷裂破壞 轉子軸轉子軸 疲勞開裂疲勞開裂 疲勞斷裂破壞疲勞斷裂破壞2000年年8月月27日下午日下午3時時20分，臺灣南部高屏大橋斷裂分，臺灣南部高屏大橋斷裂，大橋中間下陷部分長達，大橋中間下陷部分長達100米。米。17輛車墜河，輛車墜河，22人人受傷。受傷。 采沙過度，河面沉降采沙過度，河面沉降

11、10余米，橋墩先斷裂。余米，橋墩先斷裂。上海上海 東方明珠電視塔東方明珠電視塔 高高300m 球徑球徑45m 大型水利工程設施大型水利工程設施2 2 實驗力學中的基本方法實驗力學中的基本方法直接法間接法比擬法機械引伸計法電測法脆性涂層法莫爾法光測法聲測法X射線法薄膜比擬法流體比擬法電場比擬法引伸計法引伸計法誤差：+/-1%+/-7%電阻應變測量電阻應變測量 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉換成另一種信息的裝置。另一種信息的裝置。 物理量物理量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳

12、感器是把外界輸入的非電信號轉而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。換成電信號的裝置。 如電阻應變計把外界輸入的應變如電阻應變計把外界輸入的應變 （非電信號）（非電信號）轉換成電阻信號的裝置。轉換成電阻信號的裝置。 電阻應變測量法是用應變計測定構件表面應變，電阻應變測量法是用應變計測定構件表面應變，再根據應力再根據應力- -應變關系確定構件表面應力狀態的一種實應變關系確定構件表面應力狀態的一種實驗應力方法。驗應力方法。電阻應變計電阻應變計電阻應變計電阻應變計電阻應變儀，電橋電阻應變儀，電橋電電 橋橋 盒盒DVi1R2R3R4RBC放大器放大器案例：案例：橋梁固有頻率測量橋

13、梁固有頻率測量電阻應變計電阻應變計應變傳感器的應變傳感器的作用作用動應變測量實例動應變測量實例 潤揚長江公路大橋，是我國第一座由懸索橋和斜拉橋構成潤揚長江公路大橋，是我國第一座由懸索橋和斜拉橋構成的組合型特大橋梁，于的組合型特大橋梁，于20002000年年1010月月2020日開工，日開工，20052005年年4 4月月3030日建日建成通車，總投資成通車，總投資5858個億，該橋全長為個億，該橋全長為35.6635.66公里，橋面平均寬公里，橋面平均寬31.531.5米（行車道寬米（行車道寬3030米），全線采用雙向六車道高速公路標準設米），全線采用雙向六車道高速公路標準設計的，設計車速度計

14、的，設計車速度100100公里公里/ /小時。小時。 潤楊大橋設計使用壽命為潤楊大橋設計使用壽命為100100年。大橋主跨跨度為年。大橋主跨跨度為14901490米，米，是目前排名中國第一、世界第是目前排名中國第一、世界第三：三： 排名排名( (世界世界) ) 第一的是日本明石海峽大橋第一的是日本明石海峽大橋 第二的是丹麥的亨伯大橋第二的是丹麥的亨伯大橋 第三的是潤揚大橋第三的是潤揚大橋 第四是英國的亨伯格大橋第四是英國的亨伯格大橋 第五的是我國第五的是我國19991999年年9 9月建月建成通車的江陰大橋、成通車的江陰大橋、 第六的則是香港的青馬大橋。第六的則是香港的青馬大橋。動應變測點照片

15、動應變測點照片應應變變測測點點照照片片光彈性方法光彈性方法 光彈性實驗法是運用光學原理研究彈性力學問題的一種應力分析方法；光彈性實驗法是運用光學原理研究彈性力學問題的一種應力分析方法；也就是用具有暫時雙折射效應的透明塑料按一定比例制成構件模型，置于也就是用具有暫時雙折射效應的透明塑料按一定比例制成構件模型，置于偏振光場中，施加一定的載荷，利用偏振光通過透明受力模型獲得干涉條偏振光場中，施加一定的載荷，利用偏振光通過透明受力模型獲得干涉條紋圖，直接確定模型各點的主應力差和主應力方向，通過計算，就能確定紋圖，直接確定模型各點的主應力差和主應力方向，通過計算，就能確定模型受載時各部位的應力大小和方向

16、模型受載時各部位的應力大小和方向脆性漆層法脆性漆層法在被研究的物體表面涂上一層特殊的漆料，當在被研究的物體表面涂上一層特殊的漆料，當應力作用時，某點的變形達到一定的數值后，應力作用時，某點的變形達到一定的數值后，漆層即沿著與最大主應力垂直的方向裂開，根漆層即沿著與最大主應力垂直的方向裂開，根據裂紋的出現順序及方向，便可確定主應力的據裂紋的出現順序及方向，便可確定主應力的數值。數值。莫爾法（云紋法）莫爾法（云紋法）云紋（Moire）是一種物理現象。將兩塊相同的絲綢物重疊起來，對著明亮的背景看去，可以看到明顯的黑白相間的條紋云紋云紋散斑法散斑法散斑：散斑：SpeckleSpeckle相干性好的激光

17、照射在相干性好的激光照射在有漫反射表面的物體上，有漫反射表面的物體上，這些表面漫反射光猶如這些表面漫反射光猶如無數小的相干光源所發無數小的相干光源所發出的光，它們之間也是出的光，它們之間也是相干光，彼此之間也要相干光，彼此之間也要發生干涉，因而在物體發生干涉，因而在物體表面前邊的空間形成了表面前邊的空間形成了無數隨機分布的亮點和無數隨機分布的亮點和暗點。暗點。散斑法散斑法散斑的大小和位置時隨機分布的，但從總體散斑的大小和位置時隨機分布的，但從總體上看是符合一定的統計規律的。上看是符合一定的統計規律的。在同樣的照射和記錄條件下，一個漫反射表在同樣的照射和記錄條件下，一個漫反射表面對應著一個確定的

18、散斑場。面對應著一個確定的散斑場。在一定范圍內，散斑場的運動是與物體表面在一定范圍內，散斑場的運動是與物體表面各個點的運動一一對應的。各個點的運動一一對應的。-自相關性自相關性因而可以根據對散斑運動的檢測，來獲得物因而可以根據對散斑運動的檢測，來獲得物體表面運動的信息，從而計算位移、應變、體表面運動的信息，從而計算位移、應變、應力等力學量。應力等力學量。 1968 1968年，年，J.M.Burch J.M.Burch 用于疲勞檢驗用于疲勞檢驗雙散斑場干涉雙散斑場干涉（離面位移測量實例）（離面位移測量實例）（全息干涉）（ESPI）注意：與全息干涉不同，注意：與全息干涉不同，ESPIESPI的零

19、的零級條紋是暗的級條紋是暗的雙散斑場干涉：雙散斑場干涉：中心加載周邊夾持方板的水中心加載周邊夾持方板的水平剪切散斑照相平剪切散斑照相聲學方法：聲學方法：聲彈性法是利用超聲剪切波的雙折射效應測量應力的一種方法。聲發射技術、聲全息法。近代測試技術和方法近代測試技術和方法壓痕法壓痕法原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡聲發射技術聲發射技術超聲掃描技術超聲掃描技術虛擬儀器虛擬儀器壓痕示意圖壓痕示意圖 PUnloadingLoadingSmaxPrhmaxh載荷載荷-位移曲線位移曲線h硬度硬度: cmaxAPH cr2ASE楊氏模量楊氏模量E: i2i2r111EvEvEOliver

20、-Pharr方法：方法：壓痕法壓痕法硬度測試使用的壓頭種類布氏（Brinell) 洛氏（Rockwell) 維氏（Vickers) Berkovich Zwick/Roell公司的ZHU 2.5壓痕儀器 納米壓痕實驗結果納米材料的斷裂和韌性測試納米材料的斷裂和韌性測試Substrate Interfacial delaminationCoatingIndentorForce納米材料薄膜的粘結強度納米材料薄膜的粘結強度原子力顯微鏡原子力顯微鏡三代顯微鏡的觀察范圍及典型物體三代顯微鏡的觀察范圍及典型物體 背景知識背景知識 自從自從19331933年德國年德國RuskaRuska和和KnollKno

21、ll等人在柏林制成等人在柏林制成第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表第一臺電子顯微鏡后，幾十年來，有許多用于表面結構分析的現代儀器先后問世。如透射電子顯面結構分析的現代儀器先后問世。如透射電子顯微鏡微鏡(TEM)(TEM)、掃描電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)(SEM)、場離子顯微、場離子顯微鏡鏡(TEM)(TEM)等。等。 19821982年，年，IBMIBM公司蘇黎世實驗室的葛公司蘇黎世實驗室的葛賓尼賓尼(Gerd Binnig)(Gerd Binnig)博士和海博士和海羅雷爾羅雷爾(Heinrich (Heinrich Rohrer)Rohrer)博士及其同事們共同研制成功了世界第一博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺新型的表面分析儀器臺新型的表面分析儀器掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope(Scanning Tunneling Microscope，簡稱，簡稱STM)STM)。使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的使人類第一次能夠實時地觀察單個原子在物質表面的排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質。排列狀態和與表面電子行為有關的物理、化學性質。在