《实验应力分析》--绪论
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先修课程：
《材料力学》、《弹性力学》
绪论
一、实验应力分析的任务与作用
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。
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形态和变 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……
一、实验应力分析的任务与作用
Substrate Interfacial delamination
原子力显微镜
四、解决工程上的力学问题的方法
1.理论计算 ：
用弹性力学或塑性力学进行求解。即首先建立力学模型， 然后用数学方法提供理论计算的基本方程式，能够对一些 简单问题给出精确解。但是对于几何形状或者载荷情况比 较复杂的工程构件，常常遇到数学计算方面的困难，采用 理论方法往往需要进行一些假设和理想化，因此所得结果 均为近似值，此时必须依据实验进行验证。
1856年，Kelvin & Thomson, 电阻应变片的 基础
1954年，Smith， 半导体压阻效应 1957年,Manson & Thurston,半导体应变片 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
意大利豪华邮轮触礁侧翻 (2012)
上海在建楼房倒塌事故(2009)
载荷情况： 载荷形式 静、动 载荷大小
环境： 动力、风、水 温度、磁场
船舶 建筑 飞行器
材料
结构形式 支撑形式
运动状态： 位移、 速度、 加速度 变形： 应力、 应变
安全性 可靠性 稳定性
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
动应变测点Байду номын сангаас片
直接法--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。
直接法--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
斑效应 现在，结合计算机技术的各种数字化测试技术
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
压痕法
Oliver-Pharr方法：
硬度: H Pmax
Ac
杨氏模量:
Er
π 2
S Ac
1压痕示1意图v2 1 vi2
Er E
Ei
P
Loading
Unloading
实验应力分析的任务是研究处于不同环境中 的构件在载荷作用下，其内力、位移、应力、应变 的变化规律，为合理地选择构件的几何尺寸和截面 形状提供依据，使强度设计达到既经济又安全的目 的。
F-15凌空解体 (2007)
A380翼肋托架疲劳裂纹 (2011)
波音737疲劳损坏(2012)
甬温线特别重大铁路交通事故 (2011)
直接法--引伸计法
直接法--电阻应变测量
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。
电阻应变计
课程基本情况
总学时：48学时（理论课:36学时+实验:12学时） 教材：
1.《实验力学》，戴福隆，清华大学出版社，2010.7 2.《实验力学》，张天军，西北工业大学出版社，2008.8 3.《实验力学》，尹协振，高等教育出版社，2012.2
参考资料：
《实验应力分析》，张如一，机械工业出版社，1986
海上钻井平台的结构健康在线监测
波音787的全尺寸疲劳试验
波音787的模拟机翼试验件疲劳试验
东方明珠电视塔抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
二、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
间接法
光测法 声测法 X射线法
比拟法
薄膜比拟法
电场比拟法 电网比拟法 流体比拟法
【实验操作与现象】
间接法--光弹性方法
间接法--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。
三、实验力学的发展概况
四、解决工程上的力学问题的方法
3.实验法：
用实验的手段对各种力学问题进行研究，得 到第一性的认识，并据此总结出规律（定理、定 律、公式、理论），建立以力学模型为表征的理 论。实验分析方法既可用于研究基本规律，为发 展新理论提供依据，又是提高工程设计质量，进 行失效分析的重要手段。
Pmax
S
hr
hmax
载荷-位移曲线
h
35 mN
Load
SiC (ceramic)
2 mN
100
16 nN
500
500 nm
PE (polymer)
Depth
100 nm
Zwick/Roell公司的ZHU 2.5压痕仪器
纳米压痕实验结果
纳米材料F薄orce膜的粘结强度
Indentor Coating
电阻应变计
电阻应变仪，电桥
电桥 盒
B
R 1
R2
显
示
放大器
Vi
C
记 录
R 4
R 3
仪
D
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
四、解决工程上的力学问题的方法
2.数值计算法：
运用有限单元法、边界元法等数值计算方法， 几乎可解答所有问题。但是，应用数值计算方法， 必须以建立正确的数学模型为前提，才能获得正确 的结果，而且同样必须要得到实验方法的验证。此 外，工程实际中存在着许多载荷和边界条件未知的 问题，对于此类问题，数值计算所需要的力学参数 必须通过实验测量才能获得。
《材料力学》、《弹性力学》
绪论
一、实验应力分析的任务与作用
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。
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形态和变 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……
一、实验应力分析的任务与作用
Substrate Interfacial delamination
原子力显微镜
四、解决工程上的力学问题的方法
1.理论计算 ：
用弹性力学或塑性力学进行求解。即首先建立力学模型， 然后用数学方法提供理论计算的基本方程式，能够对一些 简单问题给出精确解。但是对于几何形状或者载荷情况比 较复杂的工程构件，常常遇到数学计算方面的困难，采用 理论方法往往需要进行一些假设和理想化，因此所得结果 均为近似值，此时必须依据实验进行验证。
1856年，Kelvin & Thomson, 电阻应变片的 基础
1954年，Smith， 半导体压阻效应 1957年,Manson & Thurston,半导体应变片 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
意大利豪华邮轮触礁侧翻 (2012)
上海在建楼房倒塌事故(2009)
载荷情况： 载荷形式 静、动 载荷大小
环境： 动力、风、水 温度、磁场
船舶 建筑 飞行器
材料
结构形式 支撑形式
运动状态： 位移、 速度、 加速度 变形： 应力、 应变
安全性 可靠性 稳定性
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
动应变测点Байду номын сангаас片
直接法--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。
直接法--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
斑效应 现在，结合计算机技术的各种数字化测试技术
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
压痕法
Oliver-Pharr方法：
硬度: H Pmax
Ac
杨氏模量:
Er
π 2
S Ac
1压痕示1意图v2 1 vi2
Er E
Ei
P
Loading
Unloading
实验应力分析的任务是研究处于不同环境中 的构件在载荷作用下，其内力、位移、应力、应变 的变化规律，为合理地选择构件的几何尺寸和截面 形状提供依据，使强度设计达到既经济又安全的目 的。
F-15凌空解体 (2007)
A380翼肋托架疲劳裂纹 (2011)
波音737疲劳损坏(2012)
甬温线特别重大铁路交通事故 (2011)
直接法--引伸计法
直接法--电阻应变测量
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。
电阻应变计
课程基本情况
总学时：48学时（理论课:36学时+实验:12学时） 教材：
1.《实验力学》，戴福隆，清华大学出版社，2010.7 2.《实验力学》，张天军，西北工业大学出版社，2008.8 3.《实验力学》，尹协振，高等教育出版社，2012.2
参考资料：
《实验应力分析》，张如一，机械工业出版社，1986
海上钻井平台的结构健康在线监测
波音787的全尺寸疲劳试验
波音787的模拟机翼试验件疲劳试验
东方明珠电视塔抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）
二、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
间接法
光测法 声测法 X射线法
比拟法
薄膜比拟法
电场比拟法 电网比拟法 流体比拟法
【实验操作与现象】
间接法--光弹性方法
间接法--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。
三、实验力学的发展概况
四、解决工程上的力学问题的方法
3.实验法：
用实验的手段对各种力学问题进行研究，得 到第一性的认识，并据此总结出规律（定理、定 律、公式、理论），建立以力学模型为表征的理 论。实验分析方法既可用于研究基本规律，为发 展新理论提供依据，又是提高工程设计质量，进 行失效分析的重要手段。
Pmax
S
hr
hmax
载荷-位移曲线
h
35 mN
Load
SiC (ceramic)
2 mN
100
16 nN
500
500 nm
PE (polymer)
Depth
100 nm
Zwick/Roell公司的ZHU 2.5压痕仪器
纳米压痕实验结果
纳米材料F薄orce膜的粘结强度
Indentor Coating
电阻应变计
电阻应变仪，电桥
电桥 盒
B
R 1
R2
显
示
放大器
Vi
C
记 录
R 4
R 3
仪
D
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
四、解决工程上的力学问题的方法
2.数值计算法：
运用有限单元法、边界元法等数值计算方法， 几乎可解答所有问题。但是，应用数值计算方法， 必须以建立正确的数学模型为前提，才能获得正确 的结果，而且同样必须要得到实验方法的验证。此 外，工程实际中存在着许多载荷和边界条件未知的 问题，对于此类问题，数值计算所需要的力学参数 必须通过实验测量才能获得。