压 杆 稳 定 实 验

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压 杆 稳 定 实 验
一.实验目的:
1. 观察压杆丧失稳定的现象。

2. 用绘图法测定两端铰支压杆的临界荷载cr F ,并与理论值进行比较。

二.实验设备及工具:
电子万能试验机、程控电阻应变仪
三.试验原理:
对于两端铰支受轴向压力的细长杆,根据欧拉公式,其临界荷载为
2
min
2l EI F cr π=
式中min I 为最小惯性矩,l 为压杆长度。

当cr F F <时压杆保持直线形式,处于稳定平衡。

当crj F F ≥时,压杆即丧失稳定而弯曲。

对于中柔度压杆,其临界应力公式为
λσb a cr -=
式中a 、b 为常数。

由于试样的初曲率往往很难避免,所以加载时压力比较容易产生偏心,实验过程中,即使压力很小时,杆件也发生弯曲,其挠度也随着荷载的增加而不断增加。

本实验采用由碳钢制成的矩形截面的细长试件,表面经过磨光,试件两端制成刀刃形,如图a 所示:
实验前先在试样中间截面的左右两侧各贴一个应变片1和2,以便测量其应变,见图b ,假设压杆受力后向左弯曲,以1ε和2ε分别表示压杆中间截面左、右两点的压应变,则2ε除了包括由轴向力产生的压应变外,还附加一部分由弯曲产生的压应变,而1ε则等于轴向力产生的压应变减去由弯曲产生的拉应变,故1ε略小于2ε。

随着弯曲变形的增加,1ε与2ε差异愈来愈显著。

当cr F F <时,这种差异尚小,当F 接近cr F 时,2ε迅速增加,1ε迅速减小,两者相差极大。

如以载荷F 为横坐标,压应变为纵坐标,可绘出1ε-F 和2ε-F 曲线(见下图所示)。

由图中可以看出,当1ε达到某一最大值后,随着弯曲变形的继续发生而迅速减小,朝着与2ε曲线相反的方向变化。

显然,根据此两曲线作出的同一垂直渐近线AB ,即可确定临界荷载cr F 的大小。

以载荷P 为横坐标,压应变为纵坐标,人工绘制1ε-P 和2ε-P 曲线,两曲线的同一垂直渐近线与力轴的交点,即为临界荷载cr F
四.实验步骤
1.测量试样尺寸,在试样的两端及中部分别测量试样的宽度和厚度,取用三次测量的算术平均值
2.启动电子万能试验机,手动立柱上的“上升”或“下降”键,调整活动横梁位置,使上、下压板之间的位置相对比较小,把试样放在两压槽的正中间位置上。

3.将应变片分别接在应变仪2个通道上。

4.打开应变仪电源开关,当程序结束后,按下“自动平衡”键使应变仪各通道清零。

5.调整负荷(试验力)、峰值、变形、位移、试验时间的零点,选择0.02mm/min 的速度,并输入计算机,按下显示屏中的“开始”键,给试样施加载荷。

6.每增加一定量载荷,记录一次应变仪读数。

当一通道的应变读数迅速增加时,而另一通道应变读数不再增加,说明它已经达到应变最大值,读取载荷对应的应变值,直到规定的变形为止。

按下“停止”键。

五.实验记录
1.试样的尺寸:
长度=1l 长度=2l 长度=3l 宽度=1b 宽度=2b 宽度=3b 厚度=1h 厚度=2h 厚度=3h 2.实验记录: 载荷 载荷增量 应 变 仪 读 数 F ΔF 测点1 测点2 C 1
C 2
六.数据处理
七.实验结论
八.预习思考题
1.为什么压杆试样两端制成刀刃形?
压杆试样为由弹簧钢制成的细长杆,截面为矩形,两端加工成带有小圆弧的刀刃。

这样减少误差,简便。

2.安装试样前,调整试验机上下压头位置时,为什么中间不能有试样?答:调整上下压头时,试验机的速度一般比较快,不放试样是防止试验机度过快,把试样压坏。

3.压杆实验为什么加载速度这么慢?
尽量减少冲击造成的误差。

4.为什么压杆试样尺寸测量三次,数据处理时使用算术平均值?
因为任何物体的真值在有限次的测量中是无法测出来的,只有当测量次数为无限大时,才能求得其真值,当只有有限次的测量结果时,使用算术平均值是它的最接近真值的值。

5.为什么说试样厚度对临界载荷影响极大?
对于平板来说,因为厚度与临界载荷成三次方的关系,其他参数与临界载荷成一次方的关系,所以厚度的稍微变化对临界载荷影响很大
九.分析思考题
1.本次实验使用的试样是细长杆还是中柔度杆呢?为什么?
2.本次实验是直接得到的临界力吗?
3.产生实验结果误差的主要因素有哪些?
4.失稳现象与屈服现象本质上有什么不同?
5.对于本次实验,你有什么体会?你有什么建议?
组 合 变 形 实 验
一.实验目的:
1.学习组合变形情况下的应力测定方法。

2. 熟悉应变仪全桥测量原理及接桥方法
3. 对在弯扭组合受力状态下的薄壁圆管,分别测定其弯曲正应力和扭转剪应力,并与理论值比较。

二.实验设备:
多功能实验台、程控静态电阻应变仪、数字测力仪。

三.试验原理:
1)参阅材料力学、工程力学课程的教材及其他相关材料。

2)组合变形实验装置如图:
测试的试样为薄壁圆管,其长度为l ,一端固定在铸铁框架上,另一端通过扇形加力臂上的钢丝绳对薄壁圆管试样施加载荷。

在钢丝绳与加载手柄之间连接一个力传感器,通过数字测力计把传感器的信号显示出来。

在试样的上下边缘对称位置,粘贴互相垂直的鱼尾应变花2片,如图所示。

当试样受到F 力作用时,薄壁圆管试样上的应变片均受到弯曲与扭转应变,即W N εε±±。

在比例极限内,应力与应变之间存在着正比关系,即σ=E ·ε通过测得的应变值便可计算出该点的应力数值。

在理论课中已经学习了强度理论,也了解受弯扭组合变形的应力状态,因此也就可以分析出各应变片感受的应变关系,我们利用电桥输出特性,通过巧妙的全桥接桥方式,就可以只测出由扭矩产生的应变或由弯矩产生的应变,即ε读=4ε弯或ε读=4ε扭,
在测量由弯矩产生的应变时,根据应力状态理论可知
04521εμ
ε⋅-=
o
,所以
对于由弯矩产生的0o 方向的应变即为0
45012
εμε-=
o
,由虎克定律得到弯曲正应
力0εσ⋅=E 。

在测量由扭矩产生的应变时,取薄壁圆管试样上测点处单元体,如下图所示
的应力状态
其中有:
R dy tg dx γ∆=
,在比例极限内,近似地dx dy
R ∆=
γ
同时
αcos dx
dl =
,αsin dy dl ∆=∆
所以 α
αααα2sin 21cos sin cos sin dx dy
dx dy dx dy dl dl ∆=∆=∆=∆
故αγ2sin 21R dl dl =∆,由于dl dl ∆=αε,所以αγεα2sin 21
⋅=R 。

在弯扭组合变形实验中,使用的是互相垂直的鱼尾应变花,其贴片方向且与轴线成±450,故α=45o ,则
R
o
γε2
1
45= , 即γR =2ε
45o 。

由剪切虎克定律得到扭转剪应力R G γτ⋅=。

四.实验步骤
1.量取试样相关尺寸,加载力臂,
2.根据电测原理、电桥输出特性,通过讨论分析弯曲正应变和扭转剪应变的全桥接桥方式。

3.按照第二步分析的结果,将应变片接入应变仪。

4.打开电源开关,当程序结束后,用通道切换键,找到你所接入的通道,按下“自动平衡”键使应变仪通道清零。

5. 打开测力计电源开关,确定档位(SCLY-2数字测力计选20KN档,XL2116A 测力仪选N档)。

在确认没有给薄壁圆管试样梁加力的情况下,按下“清零”键。

6.逐级加载,每增加0.1KN记录一次应变仪的读数,载荷加至0.4KN后,卸载。

7.在完成弯曲应变测量后,从第三步重复,测量扭转应变。

五.实验记录
1.试样及装置的相关数据:
内径d= 外径D=
弯矩力臂R
W = 扭矩力臂R
N
=
弹性模量E= 泊松比μ= 2.实验记录:
载荷
测弯曲正应变时测扭转剪应变时
应变仪
读数C
读数差
ΔC
应变仪
读数C
读数差
ΔC

均值
六.数据处理
七.实验结论
八.分析思考题
1.如果再给你2个电阻,2个温度补偿片,阻值均为R,你还可以采用什么接桥方式,来完成本次实验测量?请详细阐述其中一种方法?
2个补偿片一段相接连电流表正端,2个电阻一端相接连电流表负端,补偿片另一端与电阻另一端分别相接后接电源,桥平衡时,电表应没有读数。

2.对于本次实验,你有什么体会?你有什么建议?
九.实验报告要求
请在实验报告中阐述你设计的接桥方式,画出示意图,详细推导其原理。

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