經典南京航空航天大學結構強度的電測法實驗報告(含數據)

1、結構強度的電測方法實驗報告結構強度的電測方法實驗報告學院： 航空宇航學院專業(yè)： 學號： 姓名： 組員： 指導教師： 日期： 結構強度電測法實驗一 實驗目的1.掌握電阻應變測試原理及方法2.掌握電阻應變片的安裝工藝3.掌握電阻應變片電橋線路的連接及電阻應變儀的使用4.測定矩形截面受純剪切內力作用時的剪切應力分布規(guī)律及許用載荷5.測定特定的彈性元件在對稱載荷作用方式下的最大許用載荷6.測定特定的框架結構在指定外力作用下的危險點應力及最大許用載荷7.給出測試結果并給出不確定度分析二 實驗儀器、設備名稱及型號本實驗主要實驗儀器和設備有：TS3861靜態(tài)電阻應變儀、壓力試驗機、2個待測彈性元件及1個鋼架

2、、電阻應變片、導線、電烙鐵、丙酮、砂紙、502膠、絕緣膠帶、鑷子等。TS3861靜態(tài)電阻應變儀面板如圖1所示。圖1 TS3861靜態(tài)電阻應變儀面板示意圖其中：（1）CH為通道指示，其下面的兩個按扭為通道選擇鍵。 （2）為讀數應變顯示窗，其下面的三個按鍵“自動”、“初值”、“測量”的作用為：“自動”按鍵在手動測量時無用；“初值”按鍵為在有初始值的情況下的測量；若先按“初值”再按“測量”按鍵，為將現通道設置為在“0”初始值的情況下的測量，即“置零”。 （3）根據應變片的阻值選擇“應變片電阻”的數字。 （4）根據應變片的靈敏系數選擇“靈敏系數K”的數字。三 實驗原理及實驗方法1、應變片原理 電阻片分

3、絲式和箔式兩大類。絲繞式電阻片是用0.003mm-0.01mm的合金絲繞成柵狀制成的；箔式應變片則是用0.003mm-0.01mm厚的箔材經化學腐蝕制成柵狀的，其主體敏感柵實際上是一個電阻。金屬絲的電阻隨機械變形而發(fā)生變化的現象稱為應變-電性能。電阻片在感受構件的應變時（稱做工作片），其電阻同時發(fā)生變化。實驗表明，構件被測量部位的應變l/l與電阻變化率R/R成正比關系，即： 比例系數Ks稱為電阻片的靈敏系數。由于電阻片的敏感柵不是一根直絲，所以Ks不能直接計算，需要在標準應變梁上通過抽樣標定來確定。Ks的數值一般約在2.0 左右，這里取K=2.048。2、電阻應變儀原理 電阻應變儀是將電阻片感

4、受到應變轉化為電阻變化，再把電阻變化通過適當橋路和 放大器轉為電壓變化，并顯示出來。電阻應變儀按其測量對象可分為靜態(tài)電阻應變儀和動態(tài)電阻應變儀。動態(tài)應變儀有電壓和電流輸出，提供相關記錄儀記錄，例如X-Y記錄儀、光線示波器和磁帶記錄儀等等。也有一些應變儀兼有靜態(tài)應變數值顯示和動態(tài)電壓輸出，使用起來比較方便。由于電阻應變儀是一種專用儀器，其顯示部分直接顯示應變值。通過應變可以計算出載荷、應力和變形，為核算構件的強度提供依據，因此應變儀應用十分廣泛應變儀測量電路是一個電橋電路(見圖2)它的四個橋臂 R1 ，R2 ，R3 ，R4 順序連接在 A、B、C、D 之間。電橋 AC 對角接電源 E ；BD 對

5、角為電橋輸出電壓 UDB 。當四個電阻皆由電阻應變片組成，且四枚電阻片阻值和靈敏系數相等時，橋路有如下關系: 圖2 其中1 ，2 ，3 ，4 分別代表電阻片 R1 ，R2 ，R3 ，R4 感受的應變，這表明電壓增量 UDB 與四個橋臂電阻片的應變成線性關系。利用這個關系可實現單片、半橋和全橋測量方式，獲得不同的量測效果。3、溫度補償片應用原理溫度改變時，金屬絲的長度也會發(fā)生變化，從而引起電阻的變化。因此在溫度環(huán)境下進行測量，應變片的電阻變化由兩部分組成即：R = RRTR-由構件機械變形引起的電阻變化。RT-由溫度變化引起的電阻變化。要準確地測量構件因變形引起的應變，就要排除溫度對電阻變化的影

6、響。方法之一是，采用溫度能夠自己補償的專用電阻片；另一種方法是，把普通應變片，貼在材質與構件相同、但不參與機械變形的一材料上，然后和工作片在同一溫度條件下組橋。電阻變化只與溫度有關的電阻片稱做溫度補償片。利用電橋原理，讓補償片和工作片一起合理組橋，就可以消除溫度給應力測量帶來的影響。4、測量電路電橋的應用原理應變片可以感受影響變化，但必須通過應變片組成電橋電路來測量電壓的變化，從而得出應變變化。通過測量電橋把電阻變化轉換成電壓的變化，再將電壓變化放大通過應變儀顯示出來（A/D數顯）。由應變片和定值電阻，溫度補償片等組成的測量電橋如下圖：測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路。R1、R2、R3、

7、R4四個電阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之間，構成電橋的四橋臂。電橋的對角AC接電源，電源電壓為E；對角BD 為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示?？梢宰C明UDB與橋臂電阻有如下關系：UDB = 若4個橋臂電阻由貼在構件上的4枚電阻片組成，而且初始電阻R1 = R2 = R3 = R4，當輸出電壓UDB = 0時，電橋處于平衡狀態(tài)。構件變形時，各電阻的變化量分別為R1、R2、R3、R4。輸出電壓的相應變化為：UDB+UDB = 在小應變 的條件下，可以證明橋路輸出電壓為：UDB 如果R僅由機械變形引起、與溫度影響無關，而且4枚電阻片的靈敏系數Ks相等時，根據 ，可以寫成：UD

8、B 如果供橋電壓E不變，那么構件變形引起的電壓輸出UDB 與4個橋臂的應變值1、2、3、4成線性關系。式中各是代數值，其符號由變形方向決定。一般拉應變?yōu)?quot;正"、壓應變?yōu)?quot;負"。根據這一特性：相鄰兩橋臂的（1、3或 2、4）符號一致時，兩應變相抵消；如符號相反，則兩應變的絕對值相加。相對兩橋臂的（ 1 、2或 3、4）符號一致時，兩應變的絕對值相加；如符號相反，則兩應變相抵消。實驗如果能很好地利用電橋的這一特性，合理布片、靈活組橋，將直接影響電橋輸出電壓的大小，從而有效地提高測量靈敏度、并減少測量誤差。這種作用稱做橋路的加減特性。電阻應變儀是測量應變的專用

9、儀器，橋路輸出電壓UDB的大小，是按應變直接標定來顯示的。因此與UDB對應的應變值儀儀可由應變儀直接讀出來。一般貼在構件上參與機械變形的電阻片稱做工作片，在不考慮溫度影響的前提下，應變片接入各橋臂的組橋方式不同、與工作片相應的輸出電壓也不同。在此介紹幾種典型的組橋方式如下：半橋測量兩枚工作片R1、 R2分別接在相鄰兩個橋臂AB、BC上。其它兩個橋臂是應變儀的內接電阻。這時電橋的輸出電壓為：UDB 單臂測量只有一枚工作片R1接在AB橋臂上。其它3個橋臂的電阻片都不參與變形應變e為零。這時電橋的輸出電壓為：UDB 對臂測量兩枚工作片R1、 R3分別接在對臂AB、CD上。溫度補償片R2、 R4分別接

10、在其它兩對臂BC、AD上。這時：UDB 單臂串聯(lián)測量兩枚串聯(lián)的工作片2R接AB臂。而兩枚串聯(lián)的溫度補償片2R接BC臂。其他兩個橋臂接儀器的內接電阻這時：UDB 工作片串聯(lián)后R1 = 2R，同樣R1= 2R ，因此UDB的測量結果不變，與兩枚阻片電阻變化率的平均值成正比。5、電阻應變儀及應變測定設電阻應變儀的靈敏系數是，應變儀的應變讀數是。則： 所以應變儀的讀數為：調節(jié)電阻應變儀，使應變儀的靈敏系數等于應變片的靈敏系數，則： 所以可利用電阻應變儀測量應變片的電阻變化率，求出被測部位的應變值6、應力應變轉換關系（1）單向應力狀態(tài)構件在外力作用下，若被測點為單向應力狀態(tài)，則主應力方向已知，只有主應力

11、是未知量，可沿主應力方向粘貼一個應變片，測得主應變后，由胡克定律 即可求得主應力。（2）未知主應力方向的二向應力狀態(tài)對于形狀和受力情況比較復雜的構件，除了被測點兩個主應力值未知外，主應力方向也是未知的，即存在、和三個未知量。此時，可以在該點沿著三個不同方向粘貼三個圖4 未知主應力方向的測點貼片方式應變片，根據測得的應變值換算成主應力值，換算原理如下。在測點處任意選定直角坐標xOy，并在與x軸成、和夾角方向上各粘貼一片應變片，如圖所示。由三個應變片分別測得這三個方向上的應變、和。另外，由二向應力狀態(tài)的應變分析可知，若已知該測點O處沿坐標軸方向的線應變、和剪應變，則該點處任意方向的線應變的計算公式

12、為 式中：、和以伸長為正，以直角增大為正。這樣，該測點處3個方向上的應變片測得的應變、和與任意方向上的線應變便有 由上式就可以解出、和。由材料力學知，已知、和，則該測點處的主應變和主應變方向與x軸的夾角可由下式計算得到： 最后，由廣義胡克定律即可求得主應力、。主應變方向即為主應力方向。本實驗選取的應變片之間的夾角為45°。8結構強度的電測方法實驗報告四 實驗步驟1、 選擇試件貼片【友情提示：兩結構貼片時，請貼在靠近孔的地方，因為這里比較危險】對試件進行有限元分析，初步分析出結構的危險應力點的分布位置，確定試件的危險截面。先根據試件的可能危險點，把應變片粘貼在試樣的特定方位。如下圖：試

13、件一純剪切實驗梁的內力圖及截面尺寸（圖a)試件二 S型彈性元件（圖b）試件三 梁結構（圖c）根據測量需要把應變片的引出導線按單臂半橋方式接到應變儀的輸入端，與工作應變片橋臂相鄰的橋臂接入溫度補償片。設計好有關的試驗記錄表格。 2、 接線單臂半橋電路測量各點的應變AB臂接工作片；BC 臂接補償片。其它兩橋臂接應變儀的內接電阻。按順序逐個測量沿應變片的應變。應變儀顯示的應變值e 儀即為被測點的實際應變。測量程序如下： 1、加卸初載P0 ，反復多次， 使應變片和試件充分接觸。2、用實驗方法估算出試件的最大許用載荷，并確定出應變片的最大應變（一般最大的不超過600），定出危險點3、 測出每一應變片的應

14、變值，記錄數據（至少十個數據）4、 拆線。規(guī)整實驗器材五 數據結果及處理【一】試件一 (1)、危險點、危險截面的主應力試件及危險點編號如圖a所示，經有限元分析結果得到，危險點在貼片1號出，該處處于單軸應力狀態(tài)，受壓；同樣2號和3號也處于單軸應力狀態(tài)，2號受拉，3號受壓。在試件的上下邊界作用對稱載荷。材料彈性模量E70Gpa,泊松比，許用應力試件一的各應變片數據壓力（N）30060090012001500增量（F）3003003003003001號片-99-97-94-96-992號片-90-90-88-89-843號片-82-78-74-75-834號片-52-57-58-58-485號片-4

15、7-44-36-40-48（2）矩形截面受純剪切內力作用時的剪切應力分布規(guī)律，是沿中心軸對稱分布，2或3號片的位置剪切應力最大，且從中心軸至邊緣是先增大后減小。（3）試件的許用載荷根據理論分析結果和實際貼片測試結果，試件一的最危險點為1號貼片處，則可根據1號貼片處結果給出試件的許用載荷。得到試件一的最大許用載荷：【解釋：這個許用載荷的確定是通過線性比例獲取的，即，等式左邊分子300是我們本次試驗的加載300N，分母是此時的應力；右邊分子是最大許用載荷，分母是許用應力】【二】試件二（S形件）(1)、危險點的主應力、主方向根據理論分析結果可知，危險點即為貼片1,2,3,4號處，此處由于應力集中的問

16、題，無法確定主應力力及主方向，所以選著了貼應變花進行測試，1號沿豎直方向，2號貼片沿平方向，3、4號貼片分別沿135°和45°方向。在試件的上下邊界作用對稱載荷。材料彈性模量E70Gpa,泊松比，許用應力以下是測試結果：S形件測試數據載荷（N）10001000100010001000增量（N）100010001000100010001號片-167-170-172-174-1692號片-120-121-119-121-1233號片1361441421401374號片-135-147-147-143-1451號片應變：1） 平均值：2） 算數平均值標準差：A類不確定度為：由于儀

17、器的讀數誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數帶來的B類誤差： 合成標準不確定度： 則最終1號片處應變結果為：2號片應變：1） 平均值：2） 算數平均值標準差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數帶來的B類誤差： 合成標準不確定度： 則最終2號片處應變結果為：3號片應變：3） 平均值：4） 算數平均值標準差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數帶來的B類誤差： 合成標準不確定度： 則最終2號片處應變結果為：4號片應變：1） 平均值：2） 算數平均值標準差：A類不確定度為： 由于儀器的讀數誤差 ，則B類不確定度由于加載讀數帶來的B類誤差：

18、合成標準不確定度： 則最終2號片處應變結果為：以上求出了兩個方向的應變，應用應變花計算公式的主應變?yōu)椋海?、2號應變）【解釋：在主應力空間中，和都為負數，其中主應力和主應變一一對應，第三強度理論是用】由第三強度理論計算得到此時的應力： 得試件二最大許用載荷： 【三】鋼架結構如圖所示，在鋼架的相應部位貼上1號，2號，3號，4號，5號，6號應變片，得到測試結果如下：載荷(N)10001000100010001000增量(N)100010001000100010001號片-1331-1333-1330-1327-13282號片142714371434144514473號片66266166666066

19、94號片-485-484-493-491-4895號片4324314354374296號片-465-477-470-467-4627號片337338343342346由以上測試結果和有限元分析結果可知，2號片為最危險點；計算2號片應變：1） 求算術平均值： 2） 求算術平均值的標準差： A類不確定度為：由于儀器的讀數誤差 ，則B類誤差：由于加載讀數帶來的B類誤差：合成標準不確定度： 則最終1號片處應變結果為： 對應的應力大小為：最大許用載荷：六 實驗總結1、 選擇應變片的依據（1） 應變片的性質（是動態(tài)還是靜態(tài)）（2） 測試的環(huán)境（如強磁、潮濕）（3） 應變片本身屬性（如帶孔的，其本身孔附近的應