实验力学chapter1(cdp)

3 ．《工程实验力学》，计欣华、邓宗白等编著， 机械工业出版社，2005年 考核方式：实验成绩，平时，期末考试成绩。
课程内容
第1章、

绪论
实验力学的任务与作用 实验力学中的基本方法 实验力学的发展概况
课程内容
第2章、实验数据处理与误差分析


误差分析中的基本概念 有效数字及其运算法则 误差分析的理论基础 间接测量值的误差估计 实验数据的表示方法
电阻应变计
电阻应变计
电阻应变仪，电桥
电 桥 盒
B
R
1
R2
Vi
C
R
4
R
D
3
显 示 记 录 仪
放大器
电阻应变计
案例：桥梁固有频率测量
应变传感器的作用
动应变测量实例
润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成 的组合型特大桥梁，于2000年10月20日开工，2005年4月30日建 成通车，总投资58个亿，该桥全长为35.66公里，桥面平均宽 31.5米（行车道宽30米），全线采用双向六车道高速公路标准设 计的，设计车速度100公里/小时。

实验力学的任务与作用
牛顿 1687年，在总结前人成果的基础上，发现了质点运动规 律，发表《自然哲学的数学原理》，建立了牛顿力学体 系。 达芬奇，16世纪颇有影响力的力学家 研究了飞行原理，绘下了湍流涡旋图，进行过梁的实验， 设计过升降机，绘出过人体解剖图。其科学思想，在科 学史上也具有划时代的意义。 随着科学的发展，实验就远远不局限于对大自然的观测， 而是有目的的导致一些现象的出现，然后去观测它，分析 它，力求得出规律性的东西。这类实验有在现场的实地测 量，有在实验室的模型实验和模拟实验。这些是当今实验 研究的主要特征。
光弹性方法
光弹性实验法是运用光学原理研究弹性力学问题的一种应力分析方法； 也就是用具有暂时双折射效应的透明塑料按一定比例制成构件模型，置于 偏振光场中，施加一定的载荷，利用偏振光通过透明受力模型获得干涉条 纹图，直接确定模型各点的主应力差和主应力方向，通过计算，就能确定 模型受载时各部位的应力大小和方向 。
葛· 宾尼(Gerd Binning)
海· 罗雷尔(Heinrich Rohrer)
普通名片纸和照片质量纸
陶瓷膜表面形貌的三维图象
3 实验力学的发展概况
1856年，Kelvin,
电阻应变片的基础 1954年，Smith， 压阻应变片 1957年,Manson & Thurston, 半导体应变片问世 1816年，David Brenster， 人工双折射现象 19世纪中叶，纽曼—马克斯韦尔应力光学定律 1936年，Oppel， 三向光弹的应力冻结法 1945年， 云纹法 20世纪60年代，全息干涉和全息光弹，激光散斑 效应 现在，结合计算机技术的各种数字化测试技术
双散斑场干涉（离面位移测量实例）
（全息干涉）
（ESPI）
注意：与全息干涉不同，ESPI的零 级条纹是暗的
双散斑场干涉：
中心加载周边夹持方板的水 平剪切散斑照相
声学方法：
声弹性法是利用超声剪切波的双折射效应测量应 力的一种方法。 声发射技术、声全息法。
近代测试技术和方法
压痕法 原子力显微镜、扫描隧道显微镜 声发射技术 超声扫描技术 虚拟仪器
使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的
排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。 在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有 着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为八 十年代世界十大科技成就之一。 1986年，STM的发明者被授予诺贝尔物理学奖。 宾尼等人1986年研制作成功的原子力显微镜（ AFM） 弥补了STM的某些不足。
2000年７月25日，法航协和式客机坠毁，113人死亡。
地面铁条使 轮胎爆裂， 碎片侵入发 动机。
◆
前起落架锁连杆安装螺栓（销子）意外断裂。
飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验 机翼破坏实验
机 身 结 构 强 度 实 验
◆ 飞 机 整 机 结 构 强 度 实 验
空气动力试验---风洞实验
散斑法
散斑：Speckle
相干性好的激光照射在 有漫反射表面的物体上， 这些表面漫反射光犹如 无数小的相干光源所发 出的光，它们之间也是 相干光，彼此之间也要 发生干涉，因而在物体 表面前边的空间形成了 无数随机分布的亮点和 暗点。
散斑法
散斑的大小和位置时随机分布的，但从总体
上看是符合一定的统计规律的。 在同样的照射和记录条件下，一个漫反射表 面对应着一个确定的散斑场。 在一定范围内，散斑场的运动是与物体表面 各个点的运动一一对应的。--自相关性 因而可以根据对散斑运动的检测，来获得物 体表面运动的信息，从而计算位移、应变、 应力等力学量。 1968年，J.M.Burch 用于疲劳检验
润杨大桥设计使用寿命为100 年。大桥主跨跨度为1490米， 是目前排名中国第一、世界第 三： 排名(世界) 第一的是日本明石海峡大桥 第二的是丹麦的亨伯大桥 第三的是润扬大桥 第四是英国的亨伯格大桥 第五的是我国1999年9月建 成通车的江阴大桥、 第六的则是香港的青马大桥。
动应变测点照片
应 变 测 点 照 片
解决工程实际中的各种强度问题。
测定零件或结构本身在工作过程中所受载荷
的大小、方向、特点及其变化情况 确定零件或结构的应力状态等 根据实验应力分析的研究结果，合理地选择 零件或结构的几何尺寸和截面形状。
实验力学的任务与作用
施工中的卢浦大桥
建成后的卢浦大桥
实验力学的任务与作用
载荷情况： 运动状态：
材料： 材料性能 疲劳强度 断裂性能 结构： 固有频率 阻尼、刚度 强度
载荷形式
静、动 载荷大小
位移、 速度、 加速度
变形： 应力、 应变
环境： 动力、风、水
材料
温度、磁场
船舶 建筑 飞行器
结构形式
支撑形式 安全性 可靠性 稳定性
◆
海洋石油钻井平台
Recent (2001) failure of offshore oil platform near Brazil
脆性漆层法
在被研究的物体表面涂上一层特殊的漆料，当 应力作用时，某点的变形达到一定的数值后， 漆层即沿着与最大主应力垂直的方向裂开，根 据裂纹的出现顺序及方向，便可确定主应力的 数值。
莫尔法（云纹法）
云纹（Moire）是一 种物理现象。 将两块相同的丝绸物 重叠起来，对着明亮 的背景看去，可以看 到明显的黑白相间的 条纹—云纹
结构的破坏举例：
大型汽轮机 转子
轴
叶轮
疲劳断裂破坏
转子轴
疲劳开裂
疲劳断裂破坏
台南高屏大桥断裂
2000年8月27日下午3时20分，台湾南部高屏大桥断裂 ，大桥中间下陷部分长达100米。17辆车坠河，22人 受伤。 采沙过度，河面沉降10余米，桥墩先断裂。
汽车碰撞试验
建 筑 物 控 制 爆 破
上海 东方明珠电视塔 高300m 球径45m
抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
◆ 大型水利工程设施
长江三峡工程
2 实验力学中的基本方法
直接法 机械引伸计法 电测法 脆性涂层法 莫尔法 光测法 间接法 声测法 X射线法
薄膜比拟法
比拟法 电场比拟法 流体比拟法
引伸计法
引伸计法
三代显微镜的观察范围及典型物体
背景知识
自从1933年德国Ruska和Knoll等人在柏林制成 第一台电子显微镜后，几十年来，有许多用于表 面结构分析的现代仪器先后问世。如透射电子显 微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场离子显微 镜(TEM)等。 1982年，IBM公司苏黎世实验室的葛· 宾尼 (Gerd Binnig)博士和海· 罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士及其同事们共同研制成功了世界第一 台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope，简称STM)。
《实 验 力 学》
陈登平 力学楼414 TEL: 87651820 E-MAIL: chendp7402@163.com
先修课程：材料力学、理论力学、弹性力学、结构 力学 教材及参考书： 1．《实验力学》，盖秉正主编，2006年
2．《实验应力分析》，张如一、陆耀桢主编，机 械工业出版社，1981年
洛氏（Rockwell)
维氏（Vickers)
Berkovich
Zwick/Roell公司的ZHU 2.5压痕仪器
纳米压痕实验结果
纳米材料的断裂和韧性测试
纳米材料薄膜的粘结强度
Force Indentor Coating
Substrate Interfacial delamination
原子力显微镜

实验力学的任务与作用
实验力学是用实验的方法对结构进行力学分
析的一门学科，是一门与工程实际联系密切 的学科。 以结构物的原型或模型为研究对象，通过对 力学、物理量的测量来揭示其力学性态和变 化规律。 为理论研究提供验证，优化工程设计方案， 对工程结构进行失效分析……
实验力学的任务与作用
课程内容
第3章、量纲分析与相似律



量纲分析是分析和研究问题的有力手段和方法 物理量的度量 量纲及量纲分析 量纲分析的实质 量纲分析的简史 量纲的幂次表示 定理 相似律 运用 定理的注意点
第1章、 绪论
理论分析与实验研究历来是人们认识自然和解
决工程问题的两个重要手段，二者相辅相成。
……
压痕法
Oliver-Pharr方法：
Pmax H Ac
硬度: 杨氏模量E:
P
Loading
Unloawk.baidu.coming
π S Er 2 Ac
2 1 1 v 1 vi 压痕示意图 Er E Ei 2
Pmax
S
hr
hmax
载荷-位移曲线
h
硬度测试使用的压头种类
布氏（Brinell)
实验是理论的基础，也是科学发展的基础。
英国科学家罗杰尔.培根曾指出：“没有实验，
任何新的东西不能深知。”
近代科学技术的发展无不与实验有着密切的联
系。
1 实验力学的任务与作用
实验从观测开始 哥白尼 1543年，《天体运行说》，打破了统治1000多年 的地心说，但主观认为行星轨道是圆的。 开普勒 积累了他和老师（丹麦天文学家第谷）两代人的观察， 经过9年时间，终于给出正确表述：一切行星绕太 阳运动的轨道是椭圆的，太阳位于一个焦点上。 收入在1619年《宇宙的和谐》一书中。 伽利略，实验科学之父 传说在比莎斜塔上做了自由落体实验，实际上是 通过研究摆的运动和斜面上的运动，得到了惯性 定律、落体定律和抛体运动定律。1638年，《两 门新科学》 1594年，《论机械》，第一本力学书 1605年，把观察和实验作为科学研究的坚实基础。 把逻辑推理和实验相结合这一科学方法论的创始 人。
误差：+/-1%~+/-7%
电阻应变测量
电阻应变测量法是用应变计测定构件表面应变， 再根据应力-应变关系确定构件表面应力状态的一种实 验应力方法。 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成 另一种信息的装置。 物理量 电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因 而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转 换成电信号的装置。 如电阻应变计把外界输入的应变 （非电信号） 转换成电阻信号的装置。