偏拉与应力集中分析实验201905

组合受力举例
实验目的
1、认识偏心加载对杆件承载的影响及应力分布的特点； 2、测定偏拉试件被测截面的应力分布，分析其内力分量； 3、测定偏心距； 4、测定材料的弹性模量； 5、通过观察应力集中现象，了解应力集中的特点和分布规律。
实验设备和试件
1、WDW-100（WDW-100E）电子万能试验机 2、UCAM-60/65C高速静态应变仪 3、偏拉试件(45号钢)（已贴应变片）
偏心加载对杆件的影响及内力测定
试件材料：45号钢 试件名义尺寸
厚度：6mm 测量截面：宽40mm 剩余截面：宽50mm 许可应力[б]=60MPa 应变片灵敏系数K＝2.08
偏心拉伸试件正面布片 示意图
实验安排
1、根据给出的被测材料的许可应力,计算 实验允许的最大载荷Pmax（≤12KN）。在 初载荷、末载荷（小于Pmax）之间，采用 分级加载（至少5个点）的方法加载并记 录下不同载荷各点应变数据。要求实验至 少重复两次，如果数据稳定、重复性好即 可。 2、选取测点选用组桥方式直接测出与各 内力有关的应变。
6. 在末载5500N时，直接在‘MEAS’状态下测试 ，读取末载 应变值；
7. 记录实验数据，平衡及调整过程中的数据不抄。
应力集中问题分析
应力集中是指受力构件由于几 何形状发生突变而引起局部应力显 著增大的现象。应力集中会形成平 面或三向应力状态，大大增加了材 料的脆化趋势。
开半圆槽薄板应力集中数据分析
高层建筑混凝土结构技术规程
框架结构中梁柱偏心会对结构构件尤其是柱的受力带 来不利影响，所以《高层建筑混凝土结构技术规程》规定 框架梁、柱中心线宜重合，当梁柱中心线不能重合时，计 算中应考虑偏心对结构的影响。梁端加腋能减小梁柱偏心 距，并已为众多试验所证明可改善梁柱节点的受力状况， 但如果其设置的尺寸不合适，反而会给结构带来不利影响， 所以，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定可通过梁水 平加腋对梁柱偏心进行处理，但同时对梁水平加腋的尺寸 进行了限制。另外，由于梁柱偏心会增加结构的自振周期， 所以在软弱地基上设计框架结构时，更应该避免梁柱偏心， 以免对结构带来更为不利的影响。
2. 将温度补偿片接到000通道；
3. 运行软件；
4. 设置通道参数:
CH Mode: 公用补偿1G120/D,采用公用补偿的单臂1G120/A; (半桥2G/A-A;对臂和全桥4G/A-A)
CAL Coef系数K=2/2.08=0.9615；
5. 正式实验，在初载500N时‘Initial’状态测试，再在 ‘MEAS’状态采样一次，显示零点，小于5 με ，正常，大 于5 με或999999 ，检查导线是否接好/接紧；
偏心加载事故举例
2004年9月，南京某工地正在安装一台刚购买的塔式起重机机，
在采用液压装置自行顶升安装塔身标准节的过程中，塔机顶升外套 架上面的横梁节点焊接缝撕脱，外套架及转台以上的结构向平衡臂 方向倾倒，起重臂在空中翻转180°后坠落至平衡臂方向，塔机上 安装操作工人坠落地面，造成多名工人受伤……
应力集中问题举例
应力集中问题 举例-手机
应力集中问题举例
几个模型等差线（等色线）图
光弹法是一种光学 应力测量方法。它 是将具有双折射效 应的透明材料制成 的模型置于偏振光 场中。当给模型加 载后，模型上产生 干涉条纹图。条纹 与各点应力状态有 关。等差线就是各 点主应力差（σ1－ σ2）相等的线。等 倾线上各点主应力 方向一致。原理见 实验教材P61.
187 183
7
右缺口处
345 300
8
右缺口边缘
反面
9
缺口截面 中点反面
10
均匀区 正面
165
91
129
149
100 98
11
均匀区 反面
78 108
98(129)
试件材料：45号钢 试件名义尺寸：
均匀区60mm×7mm(面积420mm2，21.4MPa) 试件中间截面两边开半圆缺口，半径5mm， 缺口处最小截面50mm×7mm(面积350mm2，25.7MPa)
塔机的《使用说明书》中规定了“顶升安装标准节过程中塔机 应处于前后最佳平衡状态(即塔身所受不平衡弯矩为最小)”的操作 要求，而且还规定“在加高塔身时，必须在吊下一节标准节之前， 塔身每根主肢杆和下转台之间至少应上好一个高强螺栓” 。从安 装现场看，操作人员并没有严格按照有关规定和《使用说明书》的 要求，使塔机处于最佳平衡状态，也没有在吊运标准节之前安装好 塔身高强螺栓，致使在顶升工况下，塔身上部向平衡臂方向的偏心 矩由6.17 t•m增加到29.63t•m，偏心荷载加大了4.8倍，并作用在顶 升外套架的上、下导向滚轮之上。这是此类塔机在装拆过程中，只 要违反上述安全操作规程，就会造成的最常见的事故隐患。
应力集中问题举例焊接结构疲劳断裂
• a为直升飞机起落架的疲劳断裂。裂纹从应 力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行 着陆时发生破坏，属于低周疲劳。
• b为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板 厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和 纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生疲 劳裂纹而破坏，此时该车已运行30000km。
⤬
⤬
软件对应 模式:
4G/A-A
打开电脑UCS软件
公用补偿片
单臂
半桥 全桥、对臂
不测试的通道
公用补偿片
单臂
半桥 全桥、对臂
不测试的通道
2/2.08
ΔR/R=k ε
公工用作补片偿，通使道用公用补偿的单臂
με
共用补偿的单臂测量操作步骤
1. 按顺序将试件上001~009号应变片接到每个通道的AB接线端 上，BC为短接状态；
注意事项
• 实验前要确定加载范围和加载方案，并经 带课老师认可后再加载实验；
• 只能在安装试件前将载荷显示清零； • 不要超载（小于12KN）； • 不要超速（小于等于2mm/min，应变采集
前降低速度不停机采应变)。 • 注意试件各电阻应变片连接到应变仪的顺
序和通道号。
二、UCAM应变仪操作
打开仪器电源
• 举例：北美一座高层建筑在施工过程发生坍塌，分析坍塌 的原因：在结构和施工设计中，错误地将承受偏心载荷的 悬挂楼板的螺栓当作承受轴向载荷的螺栓。
偏心造成的事故举例
• 2010年10月1日 - 这是一起无证设计、无证施工造成的重大事故。(... 由于持力层土质为高压缩性土,在重力偏心的作用...采取了在倾斜一侧 减载与在对应一侧加载,以及...
（1）、在热交变应力（低频热应力）和蠕变联合作用下出现裂纹； （2）、截面交界处过渡圆角偏小、存在刀痕等原因会导致机械应力或 热应力集中，在交变应力作用下产生裂纹； （3）、材质不良，存在严重冶金缺陷而导致裂纹产生； （4）、运行不当而引起损坏。如启、停机，变负荷等情况下，温度变 化率及温度变化量过大，引起热应力过大等。 3. 叶轮的开裂
应力集中试件布片示意图 缺口处应力约60MPa（弹性模量按200GPa计算)
应力集中问题举例-汽轮机转子
汽轮机转子的金属事故主要是叶轮、主轴（转子）的变形及开裂。 1. 主轴（转子）的塑性变形 2. 转子的断裂 转子断裂将造成严重事故，应引起十分重视。断裂的起因是出现裂纹。
转子发现第一条宏观裂纹，在大型汽轮机中往往作为汽轮机工作寿命结束 的标志。转子产生裂纹的原因主要有以下几点：
偏拉与应力集中 分析实验
2019.5
问题的提出
工程实际中，由于构件的特殊要求、加载的需要，或 不正常的加载，会出现所谓“不理想”情况或用我们学过 的理论知识无法解释的问题。而这些问题一般都是构件发 生破坏的主要原因。在你生活中观察到这些情况吗？如何 对它作出正确的判断和分析?
• 应力集中现象 • 偏心加载现象 • 偏心拉伸实验安排
• 2010年10月30日 - 就不会造成塔机在顶升工况下的偏心力矩加大,事 故...由于某些管理人员安全意识淡薄,管理上的松懈,造成一些...
• 竣工前夕发生特别重大坍塌事故,造成64人死亡, 4人...互通A匝道桥模 板支架在加载预压时整体垮塌,造成6人...加工制作粗糙、安 装存在偏 心,影响侧向稳定接差,...
• 2007年12月21日 - 由于擅自变更施工方案而引发的生产安全责任事 故。...不能满足承载力的需要,加载后 致使模板支撑系统...造成模板支 撑架体偏心受压,整体不稳; 现场施工...
• 一家以建筑工程为主业的工程处,技术主管和测量人员第一次从事铁路
曲线桥施工,不了解设置预偏心的意义,按设计线路中线定出墩位中线, 导致此次测量事故,线下施工...
仪器后背板
仪器前面板
接 线 柱
通道介绍
020 010
000
仪器前面板
029 019 009
公用补偿单臂测量接线
• 软件对应模式:
工作片
1G120/D
1G120/A
半桥测量接线
10-19任选一个通道组半桥
⤬
⤬
软件对应模式: 2G/A-A
全桥、对臂测量接线
10-19任选一个通道组对臂、全桥
偏心在工程实际中存在状况
• 偏心加载是一种很普遍的状态，由于各种原因，很难将理 想载荷加到物体上（构件条件和加载条件限制等）。比如 教学实验中的轴向拉压加载实验，弹性常数测试实验等。
• 对于脆性材料的承压构件，由于这些材料抗拉性能差，在 设计时应尽量不使横截面出现拉应力。如钢筋混凝土受压 构件在设计中将偏心加载影响作为重要问题考虑并有偏心 加载防范措施（如配钢筋位置和拉压区域钢筋配比等）。
(4)模具热处理工艺不合适。
应力集中问题举例焊接结构疲劳断裂
据统计，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结 构的90%。疲劳断裂的过程由三个阶段所组成：1）在承 受重复载荷的结构的应力集中部位产生疲劳裂纹（此时 结构所受应力低于弹性极限）；2）疲劳裂纹稳定扩展； 3）结构断裂。
焊接结构较其它结构（如铆接结构）更容易产生疲 劳断裂，这是因为： 1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到 钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦 产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。 2） 焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、 咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。几个 典型的焊接结构疲劳断裂事例见图。
ΔF=9KN
点号
0
左缺口边缘 反面
1
左缺口处
1号试件 142
277
4号试件 152
327
2
3
左缺口边缘
正面
176
107
190
1wk.baidu.com5
4
5
缺口截面
中点正面
107 115
111
99
1 2 (0) 3 4(9) 5 6(8) 7
点号
327 190 105 111
99 183 300
1号试件 4号试件
6
右缺口边缘 正面
应力集中主要原因
构件中产生应力集中的原因主要有： （1）截面的急剧变化。如：构件中的油孔、键槽、缺口、
•
偏 心 事 故 举 例
2012年哈尔滨阳明滩大桥疏解工程发生垮塌。该坍塌 事故的表现形式是一段桥梁板整体向外发生侧移和倾覆， 极有可能是由于该段桥梁板两端的支撑失效，与建造质量 或车辆偏心超载似有关联，或者与两者都有关系。发生坍 塌的部位是引桥与主桥相连的一段，其中间采用了单柱支 撑，这种桥梁结构在偏心大载荷条件下很容易发生侧移和 倾覆事故。
叶轮开裂主要出现在低压级。由于叶轮直径大，离心力大，长期运行 中键槽处由于应力集中容易出现裂纹，裂纹发展到一定深度会引起整个叶 轮飞裂。
应力集中问题举例-模具失效原因
模具断裂过程有两种：一次性断裂和疲劳断裂。一次性断裂为模具有时在冲 压时突然断裂，裂纹一旦萌生，后即失稳、扩展。 (1)结构设计不合理引起失效。 尖锐转角(此处应力集中高于平均应力十倍以上)和过大的截面变化造 成应力集中，常常成为许多模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程 中，尖锐转角引起残余拉应力，缩短模具寿命。 (2)模具材料质量差引起的失效。 a．夹杂物过多引起失效。 钢中存在夹杂物足模具内部产生裂纹的根源，尤其是脆性氧化物和硅 酸盐等，在热压力加工中不发生塑性变形，只会引起脆性的破裂而形成微 裂纹。在以后的热处理和使用中访裂纹进一步扩展，而引起模具的开裂。 此外，在磨削中，由于大颗粒夹杂物剥落造成表面孔洞。 b．表面脱碳引起失效。c．碳化物分布不匀，引起失效。 (3)模具的机加工不当。 a 切削中的刀痕：模具的型腔部位或凸模的圆角部位在机加工中，常 常因进刀太深而使局部留下刀痕，造成严重应力集中，当进行淬火处理时， 应力集中部位极易产生微裂纹。 b 电加工引起失效。c磨削加工造成失效