工程力学实验指导书.

第一章绪论

§1.1 工程力学实验的内容

实验是进行科学研究的重要方法，科学史上许多重大发明是依靠科学实验而得到的，许多新理论的建立也要靠实验来验证。例如材料力学中应力应变的线性关系就是虎克于1668年到1678年间作了一系列的弹簧实验之后建立起来的。不仅如此，实验对材料力学有着更重要的一面。因为材料力学的理论是建立在将真实材料理想化，实际构件典型化，公式推导假设化基础之上的，它的结论是否正确以及能否在工程中应用，都只有通过实验验证才能断定。在解决工程设计的强度，刚度等问题时，首先要知道材料的力学性能和表达力学性能的材料常数。这些常数只有靠材料试验测试才能得到。有时实际工程中构件的几何形状和载荷都十分复杂，构件中的应力单纯靠计算难以得到正确的数据，这种情况下必须借助于实验应力分析的手段才能解决。因此，材料力学实验是学习材料力学课程不可缺少的重要环节。材料力学实验包括以下三个方面的内容：

1.测定材料的力学性能材料的力学性能是指在力或能的作用下，材料在变形、强

度等方面表现出的一些特性，如弹性极限、屈服极限（屈服强度）、强度极限、弹性模量、疲劳极限、冲击韧性等。这些强度指标或参数都是构件强度、刚度和稳定性计算的依据，而它们一般要通过实验来测定。此外，材料的力学性能测定又是检验材质、评定材料热处理工艺、焊接工艺的重要手段。随着材料科学的发展，各种新型合金材料、合成材料不断涌现，力学性能的测定，是研究每一中新型材料的重要任务。

2.验证理论公式的正确性材料力学的一些理论是以某些假设为基础的，例如杆件

的弯曲理论就以平面假设为基础。用实验验证这些理论的正确性和适用范围，有助于加深对理论的认识和理解。至于新建立的理论和公式，用实验来验证更是必不可少的。实验是验证、修正和发展理论的必要手段。

3.实验应力分析某些情况下，例如因构件几何形状不规则，受力复杂或精确的边

界条件难以确定等，应力分析计算难于获得准确结果。这时，用诸如电测、光弹性等实验应力分析方法直接测定构件的应力，便成为有效的方法。对经过较大简化后得出的理论计算或数值计算，其结果的可靠性更有赖于实验应力分析的验证。§1.2 材料力学试验的标准、方法和要求

材料的强度指标如屈服极限、强度极限、持久极限等，虽是材料的固有属性，但往往与试样的形状、尺寸、表面加工精度、加载速度、周围环境（温度、介质）等有关。为使实验结果能相互比较，国家标准对试样的取材、形状、尺寸、加工精度、试验手段和方法以及数据处理都作了统一规定。

对破坏性试验，如材料强度指标的测定，考虑到材料质地的不均匀性，应采用多根试样，然后综合多根试样的结果，得出材料的性能指标。对非破坏性试验如构件的变形测量，因为要借助于变形放大仪表，为减小测量系统引入的误差，一般也要多次重复进行，然后综合多次测量的数据得到所需结果。

实验应力分析除前面提到的电测法和光弹性法外，还有激光全息光弹性法、散斑干涉法、云纹法、声弹法等。采用何种方法取决于试验的目的和对试验精度的要求。一般说，如仅需了解构件某一局部的应力分布，电测法比较合适；如需了解构件的整体应力分布，则以光弹性法为宜。有时也可把几种方法联合使用，例如可用光弹性法判定构件危险截面的位置，再使用电测法测出危险截面的局部应力分布。关于试验应力分析，本书主要介绍电测法。整理试验结果时，应剔除明显不合理的数据，并以表格或图线表明所得结果。若试验数据中两个量之间存在线性关系，可用最小二乘法拟合为直线，然后进行计算。数据运算的有效位数要依据机器、仪表的测量精度来确定。最后要求写出试验报告，并对试验结果进行分析。

第二章材料的力学性能测定

§2.1 WDW电子式万能材料试验机

测定材料的力学性能的主要设备是材料试验机。能兼作拉伸、压缩弯曲等多种实验的试验机称为万能试验机，或简称万能机。供静力实验的万能材料试验机有液压式、机械式、电子机械式等类型。下面着重介绍微机控制电子万能试验机。

电子万能材料试验机是现代电子测量、控制技术与精密机械传动相结合的新型试验机。它对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。与计算机联机还可进行试验进程模式控制、检测和数据处理自动化，并有低周载荷循环、变形循环、位移循环的功能。

国产电子万能材料试验机以WDW系列为基础，不同厂家生产的主机结构、信号转换元件配置、传动系统、检测控制原理基本相同，唯软件功能和操作系统有一些差异。本文介绍的WDW电子万能试验机装载的是基于Windows平台的Auto CTS500全数字多通道闭环测控系统，其用户界面呈现与Windows风格一致的中文窗口系统，掌握和使用都比较方便。

图2－1 WDW－200C电子万能试验机

一、加载控制系统

图2－1为WDW－200C外形图，图2－2是其主机结构、检测、控制系统原理示意图。在加载系统中，由上横梁、四根导向立柱和工作平台组成门式框架。活动横梁把门式框架分成拉、压两个试验空间，拉伸夹具安装在活动横梁与工作平台之间，压缩和弯曲辅具则安装在活动横梁和上横梁之间。活动横梁由滚珠丝杠副驱动。根据试验要求控制系统得到控制信号，经调速系统放大后驱动伺服电机带动传动系统及滚珠丝杠转动，使活动横梁上升或下降运动，从而实现对试样的加载。

图2－2 WDW万能试验机结构原理示意图

二、测量与显示系统

测量系统包括载荷测量、试样变形测量和活动横梁的位移测量三部分。试样受力变形时，通过负荷传感器、应变式引伸仪分别把机械量转换为电压信号，横梁的移动通过随滚珠丝杠转动的光电编码器输出脉冲信号，三路信号经多功能测量控制卡放大、A/D转换和标度变换处理后，直接在显示屏上以数字量显示试验力、试样变形和横梁位移，并自动给出试验力－变形或试验力－位移曲线。

三、常规静载试验操作规程

现以WDW-200C电子万能试验机为例，其操作规程如下：

1.根据试样的形状、尺寸及试验目的，选择合适的夹具。

2.开启试验机

1) 打开显示器及计算机的电源开关；

2) 打开试验机主机电源开关；

3) 按控制器上的电源按钮，若计算机控制，控制器的工作方式必须选为“PC－

CTRL”（单机工作时为“MC—CTRL”）；

4) 待控制器出现计算机控制界面后，双击桌面上的“试验软件”图标。软件启动

后点击主界面上的“伺服启动”按钮，之后可以进行移动横梁和试验等操作。

3.试验条件输入和选择

测试前必须输入与测试相关的试验参数以及试验选择，具体过程如下：

1) 设置选项→选择负荷传感器（若配置两个以上）；

→选择负荷单位、强度单位及修约间隔、长度单位及伸长率修约间

隔；

→选择引伸计处理方式；

→选择试验类型（如拉伸、压缩等）及报告模板；

→选择需要输出的数据项与之相应的修约间隔；

→输入相关的规定值。

2) 试样参数→根据试样特性进行计算面积处理选择；试样尺寸、试验数量等参

数输入。

3) 试验控制→确定过程控制阶段，并输入相关的数据，设置试验结束控制。

4) 图形设置→依材料的力学性能指标，，输入坐标轴，显示最大值，最小值通常

设置为0，若最大值无法确定，通常设置小一些，在测试过程中自

动调整大小。

5) 主界面→正确输入存储文件名（试验编号），系统在测试结束后自动按该编

号存储文数据。建议最好以年月日为字符串，以便追溯。

6) 负荷调零→在夹持试样（第一个试样）前必须点击负荷【调零】按钮进行负

荷调零，以后可以不再调零。测试时伸长、位移、时间自动调零。

4. 安装试样通过主机控制器上的快速升降按钮，调节上夹头到合适安装试样位置，

依靠转动夹具上的手柄夹紧试样。做压缩试验时，只要把试样置

于上、下夹头之间即可。试样安装完成后，应立即将横梁的位移

速度调回到（2～5）mm/min的正常试验速度挡位。

5. 若为负荷控制（或应力控制），按【预加载】按钮，开始预加载，待预加载值达