電測(cè)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

邱志華（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院）

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電測(cè)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

邱志華
（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院）

【摘要】材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)中不可或缺的一個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，而電測(cè)法對(duì)材料力學(xué)研究對(duì)象受外力作用下應(yīng)力的分析有著重要的作用，也是實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用最廣泛的方法。

【關(guān)鍵詞】電測(cè)法；材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)；應(yīng)用

材料力學(xué)課程是工科專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，而材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)又是課程的重要組成部分。材料力學(xué)的基本理論是建立在連續(xù)性假設(shè)和均勻性假設(shè)上的，而判斷理論以及計(jì)算的結(jié)果，則需要實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

材料力學(xué)主要研究的是構(gòu)件在受到外力作用下的應(yīng)力與變形，而電測(cè)法是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中應(yīng)用最普遍且效果更好的一種方法（它測(cè)量的精度高，范圍廣；應(yīng)變片的尺寸小，粘結(jié)方便，對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力分布影響小）。所以電測(cè)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中有著極其重要的作用。

1　電測(cè)法的工作原理

電測(cè)法就是將物理量、力學(xué)量、機(jī)械量等非電量通過敏感元件（主要是電阻應(yīng)變片）轉(zhuǎn)換成電量的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法。它與其他傳感器的測(cè)試技術(shù)相比，具有更高的測(cè)量靈敏度和測(cè)量精度。其最小應(yīng)變?yōu)?με （με—微應(yīng)變，1με=10-6ε）。在常溫靜態(tài)測(cè)量時(shí)，誤差一般為1%～3%；動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，誤差在3%～5%范圍內(nèi)。

電測(cè)法又被稱為應(yīng)變電測(cè)法，其工作原理是用專用的粘結(jié)劑將電阻應(yīng)變片貼在被測(cè)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，構(gòu)件在受到外力的作用時(shí)，被測(cè)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變，應(yīng)變片因感受構(gòu)件測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變而發(fā)生電阻的改變，然后通過電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，顯示出靜態(tài)應(yīng)變值或是輸出動(dòng)態(tài)應(yīng)變曲線給記錄儀記錄，再根據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到實(shí)驗(yàn)對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力分析。

2　電測(cè)法在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

材料力學(xué)主要研究材料在外力的作用下材料變形和所受外力的關(guān)系，以及材料抵抗變形與破壞的能力。應(yīng)力分析可以確定構(gòu)件失效有關(guān)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力集中部位和應(yīng)力峰值。應(yīng)力分析的方法主要有解析法、數(shù)值法和實(shí)驗(yàn)法。在材料力學(xué)中，對(duì)于單個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，一般運(yùn)用實(shí)驗(yàn)法，即在構(gòu)件的原型或模型上，應(yīng)用各種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)和主應(yīng)力值。在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法中電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用較為普遍，精確度高，傳感元件小和測(cè)量范圍廣。在材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用電測(cè)法可以分析得到純彎曲梁的正應(yīng)力、彎扭組合的主應(yīng)力、測(cè)量彈性模量和泊松比等。

2.1電測(cè)法分析純彎曲梁的正應(yīng)力

整個(gè)電測(cè)實(shí)驗(yàn)儀器有純彎曲梁的組合裝置（如圖1）以及力&應(yīng)變綜合參數(shù)測(cè)試儀。

圖1　純彎曲梁裝置

在外力作用下梁橫截面的應(yīng)力分布值通過橫截面上的應(yīng)變片變化和應(yīng)變計(jì)電橋的應(yīng)用輸出計(jì)算得到。為了測(cè)量梁在純彎曲時(shí)橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，在梁的純彎曲段沿梁上下面和側(cè)面不同高度，平行于軸線貼上電阻應(yīng)變片。（裝置的計(jì)算簡(jiǎn)化圖如圖2）。

圖2　應(yīng)變片在梁中的位置

實(shí)驗(yàn)可采用全橋接、半橋接和四分之一橋接方法，采用不同的電路橋接，輸出的應(yīng)變值與實(shí)際的應(yīng)變值有相應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用等量逐級(jí)加載法，即每增加等量的載荷△P，加載后電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)，通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀輸出，即可記錄應(yīng)變值。根據(jù)測(cè)得的各點(diǎn)實(shí)際應(yīng)變值εi，求出應(yīng)變?cè)隽科骄怠鳓舏，代入胡克定律計(jì)算各點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力值（其中1με=10-6ε）：

σi=E△εi×10-6

通過實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證理論的彎曲正應(yīng)力公式。

2.2電測(cè)法分析彎扭組合構(gòu)件的主應(yīng)力

在材料力學(xué)構(gòu)件中，有些構(gòu)件在外力作用下的變形不是只有一種變形，有幾種變形的稱為組合變形。以下的薄壁圓筒構(gòu)件（如圖3）在受到向下的拉力作用時(shí)，圓筒發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形。

圖3　彎扭組合裝置

圓筒的表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)，由于它的主應(yīng)力方向無法判斷，故應(yīng)力的分析采用電阻應(yīng)變片測(cè)量法。應(yīng)變花是把幾個(gè)敏感柵制成夾角形式，組合在同一基片上，通過電測(cè)實(shí)驗(yàn)得到三個(gè)方向的應(yīng)變值，根據(jù)這三個(gè)應(yīng)變值確定出主應(yīng)力的大小和方向。

本實(shí)驗(yàn)用的是45°應(yīng)變花，應(yīng)變花上三個(gè)應(yīng)變片的α角分別為-45°、0°、45°，測(cè)得應(yīng)變?chǔ)?45°、ε0°、ε45°，然后運(yùn)用應(yīng)變-應(yīng)力換算關(guān)系求出主應(yīng)力的大小和方向，該點(diǎn)主應(yīng)力大小和方向分別為：

3　結(jié)束語

材料力學(xué)研究的主要對(duì)象是單個(gè)的桿件，桿件在外力的作用下會(huì)發(fā)生變形。變形的基本形式有四種，分別為：軸向拉伸或是軸向壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲。

基于電測(cè)法的基本原理，本文簡(jiǎn)單介紹了利用電測(cè)法來分析構(gòu)件彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形時(shí)的應(yīng)力分布情況。電測(cè)法還可以加強(qiáng)大家對(duì)電阻應(yīng)變片和電橋原理的認(rèn)識(shí)，以及針對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行橋路組合的能力。電測(cè)法也是重要的實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析法，對(duì)材料力學(xué)理論的驗(yàn)證和應(yīng)力的監(jiān)測(cè)有著重要的作用。●

【參考文獻(xiàn)】

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