实验五：薄壁圆管的弯扭组合实验

实验五：薄壁圆管的弯扭组合实验

一、实验目的

1.了解实验应力分析的基本理论和方法。

2.测量在弯扭组合变形下薄壁圆管表面指定点的主应力大小和方向。

二、实验设备和仪器

1.CLDS-2000型材料力学多功能实验台。

2.YJZ —8型智能数字静态电阻应变仪。

3.LY —5型拉力传感器。

4.直尺和游标卡尺。

三、实验原理及方法

实验装置如图5—1所示，圆管的外径D ，内径d ，，力距l ,力臂s,材料为#

45钢。通过转动加载手轮进行加载，载荷大小可由拉力传感器接成全桥通过数字电阻应变仪显示出来，采用等量分级加载，根据载荷大小可计算出指定横截面I I 上b 、d 点的弯矩和扭矩（见图5—2）。

图5—1

a

I I 截面

图5-2 薄壁圆管弯扭组合变形实验装置

截面

补偿片

C

D

B

A U

O

I

U

R

i

图5-3 b点的应力状态图5-4 主应力测量接线图选择横截面I

I-上的b、d两点进行测量，b点的应力状态如图5-3所示，根据理论分析可知，b点正应力为

z

W

M

=

σ

式中：弯矩Fl

M=；抗弯截面系数()32

14

3α

π-

=D

W

z

；D

d/

=

α；D为薄壁圆管的外径；d为薄壁圆管内径。

扭转切应力为

P

t W

T

=

τ

式中：抗扭截面系数()16

14

3

p

α

π-

=D

W。

所以，b点主应力大小和方向的理论计算式为：

如图5—2所示，在园管的I—I截面A、B、C、D点各贴有一个直角应变花，每个应变花可测出该点沿3个不同方向的线应变值，在电阻应变仪中选择六个通道，按半桥接法将b、

d两点的两个应变花的每个应变片

4

R～

6

R、

10

R～12

R分别接入电阻应变仪上所选的六个通道的A、B端；将一个共用的温度补偿片接入电阻应变仪的后面板公共补偿端，形成如图4-4所示的六个测量电桥电路。

在0—0.5KN之间采用等量逐级加载，在每一载荷作用下，分别测得b、d两点的

45

ε、

ε、和

45

-

ε。将测量结果记录在实验记录表中，可用下列公式计算出b、d两点的主应力大小和方向：

()()()⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

-

+

-

+

±

+

-

=

-

︒

-

︒

2

45

2

45

45

45

3

1

1

2

1

1

2

ε

ε

ε

ε

ν

ε

ε

ν

σ

σE

︒

-

︒

︒

-

-

-

-

=

45

45

45

45

02

2

tan

ε

ε

ε

ε

ε

α

这就是用实验手段测定薄壁园管b、d两点主应力大小和方向的方法。

四、实验步骤

2

2

3

1

2

2t

τ

σ

σ

σ

σ

+

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

±

=

σ

τ

αt

tg

2

2-

=

1．用游标卡尺和直尺分别测量园管外径D、内径d、测点位置l、加载臂长s并记录。2．转动手轮至完全卸载状态。将测力传感器（全桥）及b、d点直角应变花上的六片应变片（1/4桥）分别接入电阻应变仪。将应变仪与PC机的通信线接好。

3．接通PC机和应变仪的电源，用软件完成应变仪各通道的参数设置，并调整各通道的平衡。

4．在0—0.5KN范围内逐级加载（注意观察应变仪显示不要超载），并由测试软件的应力—应变曲线观察某点应变随载荷变化的情况；加载结束后即逐级卸载到0，此步骤重复1—2遍。

5．停止接收数据，并将测试数据和曲线保存成文档，以便进行数据处理和编写实验报告。

五、思考题

1．用直角应变花测平面应力状态下某一点主应力大小及其方向的理论依据是什么？

2．测量其他单一内力分量产生的应变，还可以采用哪些桥路连接方法？

六、实验数据的记录与计算

实验数据记录与计算如下表，其中载荷以及各相应点的应变值可根据实际加载曲线按分段线性插值计算的方法计算出平均增量值。

薄壁圆管弯扭组合实验的数据记录与计算（计算主应力及其方向）