华中科技大学工程力学实验理论课1概要精选课件PPT
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实践出真知 实验是科学研究的最基本方法和手段 实验是验证理论的工具
工程力学实验
魏俊红 南一楼E326
2021/3/2
1
内容概述：
本门课程共16个学时，其中理论课4个学时，实验课12学时
实验一 理论力学实验，振动基础实验 实验二 金属材料的扭转实验 实验三 金属材料的拉伸与压缩实验 实验四 电阻应变片的粘贴与应变测量 实验五 梁的弯曲正应力测量与位移互等定理验证 实验六 薄壁圆筒的弯扭组合变形实验
应时间T<2p/w，这里的w是感兴趣的频率上限。
梁因敲击产生的振动信号由速度传感器获取并将其转 换为与速度信号成正比的电信号，该信号通过测振仪放大 后输出给数据采集分析仪。
2021/3/2
9
两端简支梁
f1 = 26.250 ; f2 = 108.75 ; f3 = 241.25
2021/3/2
10
两端固支梁
f1 = 31.250, f2 = 111.25, f3 = 223.75
2021/3/2
11
1-2 单自由度弹簧质量系统的刚度和固有频率测定
实验目的 1．测定单自由度系统的等效 刚度 k。 2．计算弹簧质量振动系统的 固有频率 fn
理论力学多功能实验台
2021/3/2
12
实验原理
由弹簧质量组成的振动系统，在弹簧的线性变形范围内， 系统的变形和所受到的外力的大小成线性关系。据此，施 加不同的力，得到不同的变形，由此计算系统的刚度k和固
2. 测定铸铁的抗扭强度tb。 3. 测定低碳钢的屈服点ts或上屈服点tsu、下屈服点tsL 和抗扭强度tb
4. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。
d0
L0
2021/3/2
扭转试样
17
二、设备和仪器 1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机
1 单片机测控箱 2 固定夹具 3 活动夹具 4 减速箱 5 导轨工作平台 6 手动调整轮 7 伺服电机 8 机架
3
实验一、理论力学实验、振动基础实验
1-1 用实验方法求不规则物体重心
1-2 单自由度弹簧质量系统的刚度和固有频率测定
1-3 用“三线摆”法验证均质圆盘转动惯量理论公式
1-4 测定梁的各阶固有频率
附 比较渐加、突加、冲击和振动四种不同类型载荷
2021/3/2
4
1-1 用实验方法求不规则物体重心
实验目的
o
设圆盘质量为m，当它向某个方向转动时，圆
盘的最大转角max
三2线021摆/3/2示意图
14
rθ=l f， rθmax=l φmax θ=θmaxsinωnt ，
圆盘扭转时最大动能：
Ekmax 12J0ddt 2max 12J0wn2m2ax
圆盘扭转时最大势能：
E p m a x m g l( 1 c o sm a x ) 12mglm2ax12mgr2lm 2ax
/k g .m 2
mgr2T2
Jc 4p2l
注意事项 ： 1. 不规则物体的轴心应与圆盘中心重合。 2. 摆的初始角应小于或等于5°。 3. 两个摆的线长应一致。 4. 实际测试时，不应有较大幅度的平动。
2021/3/2
16
实验二、金属材料的扭转实验
一、实验目的 1. 测定低碳钢（或铝合金）的切变模量G。
数据采集 及分析
a 实验装置及仪器框图
l
b 梁模型
实验装置及仪器框 图如图所示。通过变换 支承块可改变梁的支承 结构，移动支架的位置 可改变梁的长短，因此 该装置不仅可作为简支、 固支系统，还可作为一 端自由的悬臂系统。
b
8
试件是一组矩形截面梁，从理论上说，它应有无限个固 有频率。如果给梁一个大小合适的瞬态力，相当于用所有频 率的正弦信号同时激励。使用锤击进行瞬态激励时，要求响
频率：单位时间内完成往复运动的次数。
固有频率：物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规
律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性
有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期
称为固有周期
2021/3/2
7
支承块 试件 传感器
支架 基座
力锤
2021/3/2
测 振 仪
电荷 放 大 器
1 用垂吊法测取不规则平面结构的重心位置 2 用称重法测取连杆的重心位置并用力学方法计算其重量
实验原理
（1）垂吊法
利用柔软细绳受力特点和二力平衡原理
2021/3/2
5
（2）称重法 利用平面一般力系的平衡条件
l xc FN1 W
重 量 ： W F N 1 F N 2
根 据 ： M 1 F N 2 l W x c 0
重 心 位 置 ： xcF W N2l
FN2
2021/3/2
6
1-4 测定梁的各阶固有频率 一、实验目的
用瞬态激振法测定梁的各阶固有频率。
二、实验原理
机械运动：指物体在平衡位置附近所作的具有周期性的往复 运动。任何具有弹性的结构物或机器的各组成部分，如离开 其平衡位置后就会发生振动。
周期：指物体在平衡位置附近完成一次往复运动的时间。
2021/3/2
图附1-5-1 RNJ－500 型微机控制扭转试验机示意图
18
扭转试验机测量系统组成图
试验机测量系统主要由扭矩传感器、小角度扭角仪、光电编 码器、单片机系统、计算机、网络打印机等组成，如图1-5-2所 示。
在试样承受扭矩时，产生扭转变形，标距间的扭转角由小角 度扭角仪获得，同时通过光电编码器获取活动夹具的转动角度 。这样，单片机系统将相应的扭矩、标距间扭转角以及活动夹 具的转动角度信号分别进行放大，并作数字化处理后的结果通 过RS-232传递给计算机系统，计算机系统对接受的数据按用户 2要021求/3/2分别绘制出相应的测试曲线，并将最后试验结果输出。19
有频率fn。
k F
fn
1
2p
k m
2021/3/2
13
1-3 用“三线摆”法验证均质圆盘转动惯量理论公式 实验目的
1. 了解并掌握用“三线摆”方法测取物体转动惯量的方法。 2. 分析“三线摆”摆长对测量的误差。
实验原理：
给摆一个微小偏转，然后自由释放，摆会产生 扭振，摆动周期和摆长，圆盘转动惯量有关。
wn2
mgr2 Jcl
fnT 121p
mgr2 Jcl
因 此 有 ： Jcm 4 gpr22T l2
式中：Jc为圆盘对质心的转动惯量；m为圆盘质量； l为
摆20线21/长3/2 ；r为悬线到转轴的距离；T为圆盘的摆动周期。
15
圆盘的转动惯量理论值：
Jth1 2m (D 2)2
圆盘的转动惯量测量值：
2021/3/2
2
时间安排：
第二周：理论课（实验一，实验二，实验三） 第3周—第8周，实验一、二、三 第九周 理论课（实验四，实验五，实验六) 第10周—第16周，实验四、五、六 17周或18周考试
最后成绩设定：
平时成绩70%，考பைடு நூலகம்30%
要求：
每次实验前做好预习，实验后认真写实验报告
2021/3/2
工程力学实验
魏俊红 南一楼E326
2021/3/2
1
内容概述：
本门课程共16个学时，其中理论课4个学时，实验课12学时
实验一 理论力学实验，振动基础实验 实验二 金属材料的扭转实验 实验三 金属材料的拉伸与压缩实验 实验四 电阻应变片的粘贴与应变测量 实验五 梁的弯曲正应力测量与位移互等定理验证 实验六 薄壁圆筒的弯扭组合变形实验
应时间T<2p/w，这里的w是感兴趣的频率上限。
梁因敲击产生的振动信号由速度传感器获取并将其转 换为与速度信号成正比的电信号，该信号通过测振仪放大 后输出给数据采集分析仪。
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两端简支梁
f1 = 26.250 ; f2 = 108.75 ; f3 = 241.25
2021/3/2
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两端固支梁
f1 = 31.250, f2 = 111.25, f3 = 223.75
2021/3/2
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1-2 单自由度弹簧质量系统的刚度和固有频率测定
实验目的 1．测定单自由度系统的等效 刚度 k。 2．计算弹簧质量振动系统的 固有频率 fn
理论力学多功能实验台
2021/3/2
12
实验原理
由弹簧质量组成的振动系统，在弹簧的线性变形范围内， 系统的变形和所受到的外力的大小成线性关系。据此，施 加不同的力，得到不同的变形，由此计算系统的刚度k和固
2. 测定铸铁的抗扭强度tb。 3. 测定低碳钢的屈服点ts或上屈服点tsu、下屈服点tsL 和抗扭强度tb
4. 观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。
d0
L0
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扭转试样
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二、设备和仪器 1. RNJ-500微机控制电子扭转试验机
1 单片机测控箱 2 固定夹具 3 活动夹具 4 减速箱 5 导轨工作平台 6 手动调整轮 7 伺服电机 8 机架
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实验一、理论力学实验、振动基础实验
1-1 用实验方法求不规则物体重心
1-2 单自由度弹簧质量系统的刚度和固有频率测定
1-3 用“三线摆”法验证均质圆盘转动惯量理论公式
1-4 测定梁的各阶固有频率
附 比较渐加、突加、冲击和振动四种不同类型载荷
2021/3/2
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1-1 用实验方法求不规则物体重心
实验目的
o
设圆盘质量为m，当它向某个方向转动时，圆
盘的最大转角max
三2线021摆/3/2示意图
14
rθ=l f， rθmax=l φmax θ=θmaxsinωnt ，
圆盘扭转时最大动能：
Ekmax 12J0ddt 2max 12J0wn2m2ax
圆盘扭转时最大势能：
E p m a x m g l( 1 c o sm a x ) 12mglm2ax12mgr2lm 2ax
/k g .m 2
mgr2T2
Jc 4p2l
注意事项 ： 1. 不规则物体的轴心应与圆盘中心重合。 2. 摆的初始角应小于或等于5°。 3. 两个摆的线长应一致。 4. 实际测试时，不应有较大幅度的平动。
2021/3/2
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实验二、金属材料的扭转实验
一、实验目的 1. 测定低碳钢（或铝合金）的切变模量G。
数据采集 及分析
a 实验装置及仪器框图
l
b 梁模型
实验装置及仪器框 图如图所示。通过变换 支承块可改变梁的支承 结构，移动支架的位置 可改变梁的长短，因此 该装置不仅可作为简支、 固支系统，还可作为一 端自由的悬臂系统。
b
8
试件是一组矩形截面梁，从理论上说，它应有无限个固 有频率。如果给梁一个大小合适的瞬态力，相当于用所有频 率的正弦信号同时激励。使用锤击进行瞬态激励时，要求响
频率：单位时间内完成往复运动的次数。
固有频率：物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规
律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性
有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期
称为固有周期
2021/3/2
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支承块 试件 传感器
支架 基座
力锤
2021/3/2
测 振 仪
电荷 放 大 器
1 用垂吊法测取不规则平面结构的重心位置 2 用称重法测取连杆的重心位置并用力学方法计算其重量
实验原理
（1）垂吊法
利用柔软细绳受力特点和二力平衡原理
2021/3/2
5
（2）称重法 利用平面一般力系的平衡条件
l xc FN1 W
重 量 ： W F N 1 F N 2
根 据 ： M 1 F N 2 l W x c 0
重 心 位 置 ： xcF W N2l
FN2
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1-4 测定梁的各阶固有频率 一、实验目的
用瞬态激振法测定梁的各阶固有频率。
二、实验原理
机械运动：指物体在平衡位置附近所作的具有周期性的往复 运动。任何具有弹性的结构物或机器的各组成部分，如离开 其平衡位置后就会发生振动。
周期：指物体在平衡位置附近完成一次往复运动的时间。
2021/3/2
图附1-5-1 RNJ－500 型微机控制扭转试验机示意图
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扭转试验机测量系统组成图
试验机测量系统主要由扭矩传感器、小角度扭角仪、光电编 码器、单片机系统、计算机、网络打印机等组成，如图1-5-2所 示。
在试样承受扭矩时，产生扭转变形，标距间的扭转角由小角 度扭角仪获得，同时通过光电编码器获取活动夹具的转动角度 。这样，单片机系统将相应的扭矩、标距间扭转角以及活动夹 具的转动角度信号分别进行放大，并作数字化处理后的结果通 过RS-232传递给计算机系统，计算机系统对接受的数据按用户 2要021求/3/2分别绘制出相应的测试曲线，并将最后试验结果输出。19
有频率fn。
k F
fn
1
2p
k m
2021/3/2
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1-3 用“三线摆”法验证均质圆盘转动惯量理论公式 实验目的
1. 了解并掌握用“三线摆”方法测取物体转动惯量的方法。 2. 分析“三线摆”摆长对测量的误差。
实验原理：
给摆一个微小偏转，然后自由释放，摆会产生 扭振，摆动周期和摆长，圆盘转动惯量有关。
wn2
mgr2 Jcl
fnT 121p
mgr2 Jcl
因 此 有 ： Jcm 4 gpr22T l2
式中：Jc为圆盘对质心的转动惯量；m为圆盘质量； l为
摆20线21/长3/2 ；r为悬线到转轴的距离；T为圆盘的摆动周期。
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圆盘的转动惯量理论值：
Jth1 2m (D 2)2
圆盘的转动惯量测量值：
2021/3/2
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时间安排：
第二周：理论课（实验一，实验二，实验三） 第3周—第8周，实验一、二、三 第九周 理论课（实验四，实验五，实验六) 第10周—第16周，实验四、五、六 17周或18周考试
最后成绩设定：
平时成绩70%，考பைடு நூலகம்30%
要求：
每次实验前做好预习，实验后认真写实验报告
2021/3/2