課程設計--組合梁彎曲應力的應變片粘貼及測試

1、<p><b>　　創(chuàng)新課程設計</b></p><p>　?。ńM合梁彎曲應力的應變片粘貼及測試）</p><p>　　學 校： </p><p>　　班 級： 10機41 </p><p>　　學 號： </p><p&

2、gt;　　姓 名： </p><p>　　指導老師： </p><p>　　自2012年12月24日至2013年1月4日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言3</b></p><p>

3、;　　第一章 設計目的4</p><p>　　第二章 主要內容5</p><p>　　第三章 理論知識6</p><p><b>　　3.1簡支梁6</b></p><p><b>　　3.2 純彎曲6</b></p><p>　　3.3兩梁疊合7</

4、p><p>　　第四章 實驗內容8</p><p><b>　　4.1主要設備8</b></p><p>　　4.2應變片工作原理8</p><p><b>　　4.3實驗原理9</b></p><p>　　4.4實驗步驟12</p><p>

5、　　第五章 結果分析22</p><p>　　5.1 試件尺寸及材料屬性22</p><p>　　5.2 理論知識23</p><p>　　5.3實驗數(shù)據(jù)24</p><p>　　5.4 誤差分析26</p><p>　　第六章 設計小結28</p><p>　　第七章 參考

6、文獻29</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　創(chuàng)新課程設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)新課程設計，我們可以將各種理論知識融會貫通，也可以在原先的基礎上彌補自己知識的殘缺，更可以掌握更先進的理論知識。總之，開展創(chuàng)新課程設計對于我們是十分有利的。</p><p>　　我們這兩個星期

7、的課程設計是通過實驗的方式來檢驗疊合梁理論結果與實驗結果的差距，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橋進行應力的測試。</p><p>　　總之，本課題對提高學生的理論知識與工程實踐相結合的能力以及分析、解決工程問題的能力、動手能力有很大的幫助和重要意義。</p><p>　　第一章 設計目的<

8、;/p><p>　　在工程實際中，梁是一種常見的構件，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梁，準確的說，由兩種或兩種以上的材料所構成的梁，稱為組合梁（復合梁）。梁的疊合方式不同對梁的應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。在工程結構或機械中，為保證其正常工作，構件應有足夠的能力負擔起應當承受的載荷。因此應當滿足一下要求：</p><p>

9、　?。?）強度要求 在規(guī)定載荷作用下的構件不應破壞。</p><p>　?。?）剛度要求 在載荷作用下，構件即使有足夠的強度，但若變形過大，仍不能正常工作。</p><p>　?。?）穩(wěn)定性要求 構件應有足夠的保持原有平衡形態(tài)的能力。</p><p>　　材料力學的任務就是在滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求下，為設計既經濟又安全的構件，提供必要的理論基礎和計算方法

10、。</p><p>　　由于材料力學知識研究變形固體時常要以下列假設為基本前提：</p><p>　　1.連續(xù)性假設 假設物體內部充滿了物質，沒有任何空隙。</p><p>　　2.均勻性假設 假設物體內各處的力學性質是完全相同的。</p><p>　　3.各向同性假設 假設材料在各個方向的力學性質均相同。</p><

11、;p>　　所以理論結果與實際結果會存在差距，需要由試驗來驗證，還有一些尚無理論結果的問題，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果更接近的值，為工程實際問題的解決提供了方便。</p><p>　　第二章 主要內容</p><p>　　1.在材料力學多功能實驗臺上測定單梁的純彎曲正應力實驗；</p><p>　　2.對疊合梁清洗，貼應變片，焊

12、接線路；</p><p>　　3. 在材料力學多功能實驗臺上測定疊合梁的純彎曲正應力實驗。</p><p>　　第三章 理論知識</p><p><b>　　3.1 簡支梁</b></p><p>　　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，支撐物只能給梁端提供水平和豎直方向的約束，不能提供轉動約束的梁

13、。 </p><p>　　現(xiàn)實看是只有兩端支撐在柱子上的梁，主要承受正彎矩，一般為靜定結構。體系溫變、混凝土收縮徐變、張拉預應力、支座移動等都不會在梁中產生附加內力，受力簡單，簡支梁為力學簡化模型。 </p><p><b>　　簡支梁</b></p><p><b>　　3.2純彎曲</b></p><

14、;p>　　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力的合力；彎矩M是橫截面法向分布內力的合力偶矩。所以橫彎梁橫截面上將同時存在剪應力和正應力。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?！　∨c扭轉相似，分析純彎梁橫截面上的正應力，同樣需要綜合考慮變形、物理和靜力三方面的關系。</p><p>

15、;<b>　　3.3兩梁疊合</b></p><p>　　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。</p><p>　　假設在彎曲時兩梁界面產生了相同的曲率</p><p>　　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。</p><p>　　第四章 實驗內容&l

16、t;/p><p><b>　　4.1主要設備：</b></p><p>　　1.材料力學多功能實驗臺、純彎曲試驗裝置一套，XL2118A型應力、應變綜合參數(shù)測試儀一臺；</p><p>　　2.溫度補償塊、螺絲刀等。</p><p>　　4.2 應變片工作原理：</p><p>　　電阻應變片的基本構

17、造： 一般的應變片是在成為基底的塑料薄膜（15-16μm）上貼上由非常薄的金屬箔片制成敏 感柵（3-6μm） ，然后再在金屬敏感柵上再覆蓋一層絕緣膜（迭層薄膜）。具體結構如圖：</p><p>　　工作原理： 把應變片粘貼或者焊接在被測物上，使其隨著被測定物的應變的一起伸縮，應變片的金 屬箔材就隨被測物的應變變化伸縮變化，其電阻值也隨伸縮開始變化，由于電阻值變化與箔 材的</p><p

18、>　　伸縮長度成正比，通過測量應變電阻值的變化，可以測量出被測物應變的變化。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。 </p><p><b>　　4.3 實驗原理</b></p><p>　　實驗時，通過轉動手輪給梁施加載荷，各測點的應變值可由數(shù)字式電阻應變儀測量。根據(jù)單向胡克定律即可求得</p>

19、;<p>　　σi實=E·εi實(i=0，1, 2, 3, 4，5，6, 7，8)</p><p>　　為了驗證彎曲正應力公式σ=或σ=的正確性，首先要驗證兩個線性關系，即σ∝y和σ∝P是否成立:</p><p>　　1、檢查每級載荷下實測的應力分布曲線，如果正應力沿梁截面高度的分布是呈直線的，則說明σ∝y成立；</p><p>　　2

20、、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，測量各測點相應的應變一次，并計算其應變增量，如果各測點的應變增量也大致相等，則說明σ∝P成立。</p><p>　　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。</p><p>　　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生彎曲變形，CD梁受純彎曲作

21、用。采用轉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</p><p>　　模量為E＝200GPa。</p><p>　　為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應力的分布規(guī)律，應變片的粘貼位置如圖3.3所示。在梁的純彎曲段沿梁的側面不同高度，平行于軸線貼上8片應變片。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

22、#、6#分別相距h/4。此外，在梁的上、下表面沿橫向粘貼1#、8# 應變片。實驗采用1/4橋單臂、公共補償、多點測量的方法。</p><p>　　由材料力學可知，矩形截面梁受純彎時正應力公式為</p><p><b>　　式中：M為彎距；</b></p><p>　　y為中性軸至欲求應力點的距離；</p><p>　　為

23、橫截面對z軸的慣性距。</p><p>　　本實驗采用逐級等量加載的方法加載，每次增加等量的載荷,測定各點相應的應變增量一次，即：初載荷為零，最大載荷為5kN，</p><p>　　等量增加的載荷為1 kN。分別取應變增量的平均值（修正后的值）</p><p>　　，求出各點應力增量的平均值。</p><p><b>　?。?.1）

24、</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　把測量得到的應力增量與理論計算出的應力增量加以比較，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：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　　4.4、實驗步驟

25、</b></p><p><b>　　1：應變片的粘貼</b></p><p>　　1）.設計布片方案。</p><p>　　2）.選片：首先檢查應變片的外觀，剔除敏感柵有形狀缺陷，片內有氣泡、霉斑、銹點的應變片，再用電橋測量應變片的電阻值，并</p><p><b>　　進行阻值選配。</b

26、></p><p>　　3）.打磨：選擇的構件表面待測點需經打磨，打磨后表面應平整光滑，無銹點。</p><p>　　4）.畫線：被測點精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位。</p><p>　　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。</p><p>　　6）.粘貼：將選好的應變片背面均勻地涂上一層粘結

27、劑，膠層厚度要適中，然后將應變片的十字線對問候語構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。</p><p>　　7）.固化：貼片后最好自然干燥幾小時，必要時可以加熱烘干。</p><p>　　8）.檢查：包括上觀檢查和變應片電阻及絕緣電阻的測量。</p>&l

28、t;p>　　9）.固定導線：將應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。</p><p>　　10）.放置24小時后，對貼片構件進行測試。</p><p><b>　　2：彎曲應力的測量</b></p><p><b>　　1）、試件準備</b></p><p>　　用游標

29、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??；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；</p><p>　　2）.測量電橋的預調平衡：接通應變儀前面板上的電源開關，將“測點選擇”開關按到連接好測量電橋所對應通道編號位置，檢查應變儀顯示窗上的數(shù)據(jù)是否正常，然后用專用螺絲刀旋轉應變儀前面板右側上部對應編號

30、的調零螺絲孔，調節(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”開關的位置，依次調節(jié)好其他通道的電阻平衡。記錄下各通道預調平衡的結果。</p><p>　　3）．測量矩形截面梁的各個尺寸，開電源預熱電阻應變儀約20分鐘。</p><p>　　4）．將各種儀器連接好，各應變片按半橋接法接到電阻應變儀的所選通道上。檢查整個測試系統(tǒng)是否正常工作。<

31、;/p><p>　　5）．將溫度補償片接到應變儀的公共補償點上，逐一調節(jié)各通道為零。</p><p>　　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4~6級加載。</p><p>　　7）．加載。均勻慢速加載至初載荷P，記下各點應變儀的初讀數(shù)。然后逐層加載，并依次記錄各點應變片的應變讀數(shù)，（包括正負號，負號表示壓應變，正號不顯示）。直到最終

32、載荷。實驗至少兩次。</p><p>　　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。</p><p>　　9)．完成全部實驗內容后，卸掉載荷，關閉電源，整理所用儀器、設備，并恢復原狀。</p><p><b>　　3、實驗注意事項</b></p><p>　　1)、預調平衡時，

33、若發(fā)現(xiàn)調零困難、調零數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等現(xiàn)象應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量，并排除故障，不要盲目使勁旋轉電位器螺絲，以免損壞儀器；</p><p>　　2)、加載前應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；</p><p>　　3)、實驗前應將所連接的測量導線理清，以免纏死；測試過程

34、中，勿亂動已連接好的測量導線和儀器開關；</p><p><b>　　第五章結果分析：</b></p><p>　　5.1試件尺寸及材料屬性：</p><p><b>　　試件尺寸：</b></p><p><b>　　L=700 mm</b></p><

35、p><b>　　a=125 mm</b></p><p><b>　　b=15 mm</b></p><p><b>　　h=24 mm</b></p><p><b>　　材料屬性：</b></p><p>　　試件是由低碳鋼制成的矩形截面梁。低碳

36、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

37、明顯的上、下兩個屈服點。自上屈服點出現(xiàn)直到屈服延伸結束，在試樣表面出現(xiàn)由于不均勻變形而形</p><p>　　成的表面皺褶帶，稱為呂德斯帶。</p><p><b>　　5.2 理論知識：</b></p><p>　　1）求出各測量點在等量載荷作用下，應變增量的平均值。</p><p>　　2）考慮到應變儀與應變片靈敏系

38、數(shù)不同，按下式對應變增量的平均值進行修正得到實際的應變增量平均值</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中、分別為電阻應變儀和電阻應變片的靈敏系數(shù)。</p><p>　　3）以各測點位置為縱坐標，以修正后的應變增量平均值為橫坐標，畫出應變隨試件截面高度變化曲線。</p><p>　　4）根

39、據(jù)各測點應變增量的平均值，計算測量的應力值。</p><p>　　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，再應用彎曲應力的理論公式，計算在等增量載荷作用下，各測點的理論應力增量值。</p><p>　　6）比較各測點應力的理論值和實驗值，并按下式計算相對誤差</p><p><b>　?。?.5）</b></p&g

40、t;<p>　　在梁的中性層內，因，，故只需計算絕對誤差。</p><p>　　7）比較梁中性層的應力。由于電阻應變片是測量一個區(qū)域內的平均應變，粘貼時又不可能正好貼在中性層上，所以只要實測的應變值是一很小的數(shù)值，就可認為測試是可靠的。</p><p><b>　　5.3 實驗數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　1).試件尺寸及貼

41、片位置:</p><p><b>　　2．應變讀數(shù)記錄：</b></p><p>　　5.4 計算結果及誤差；</p><p>　　5．繪出應力的實測值和理論值沿高度的分布曲線。</p><p><b>　　5.5 誤差分析：</b></p><p>　　影響電阻應變片測量的

42、主要影響因素： </p><p>　　1. 應變片阻值誤差：常用的應變片為 120Ω、350Ω，實際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， </p><p>　　2.應變片熱輸出：在應變測量過程中，溫度在兩方面對應變片進行影響:1）、敏感柵電阻自身的熱效應，敏感柵電阻自身由于受到影響，電阻會變化； 2）、被測試件與應變絲的材料線膨脹系數(shù)不一致， 是應變片

43、敏感柵絲產生附加形變，從而造成電阻變化。</p><p>　　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，也會產生電阻變化，由于電阻的變化，就會產生應變值的變化，就是導線溫度熱輸出。對于導線的熱輸出，目前主要用三腳應變片、恒溫實驗、半橋等來避免。</p><p>　　4.粘貼膠水的影響：粘貼膠水的對應變片測量的誤差影響是很大的，尤其在動態(tài)測量過程中，膠水的膠結力 會對

44、測量結果的影響更大。</p><p>　　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

45、，需要按要求來）</p><p>　　8. 另外在高速采集與沖擊測試中應變片的頻率響應也是重要影響因素。</p><p>　　9.測量儀器的影響.。 </p><p><b>　　設計小結：</b></p><p>　　通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了有關彎曲正應力測量方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，

46、但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。</p><p>　　過而能改，善莫大焉。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領悟，不斷獲取。最終的檢測調試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的指導下，終

47、于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，一一進行解決，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘。課程設計同時又是一門講道課，一門辯思課，使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了疊合粱的測試；熟悉了應變片工作原理；掌握了應變片粘貼方法；以及如何 焊接線路等等。</p><p>　　在這次的實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，更重

48、要的是，我們學會了很多學習的方法。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 邢邦圣、王柏華主編. 機械基礎試驗指導書 . </p><p>　　南京：東南大學出版社 2009</p><p>　　[2] 孫志禮，冷興聚，魏嚴剛

49、等主編. 機械設計. </p><p>　　沈陽：東北大學出版社 2000</p><p>　　[3] 劉鴻文主編. 材料力學. 北京：高等教育出版社1991</p><p>　　[4] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研組編. 理論力學. </p><p>　　北京：高等教育出版社 1997</p><p>　　[5]