邱志華（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院）

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電測法在材料力學(xué)實驗中的應(yīng)用

邱志華
（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院）

【摘要】材料力學(xué)實驗是課程教學(xué)中不可或缺的一個實踐環(huán)節(jié)，而電測法對材料力學(xué)研究對象受外力作用下應(yīng)力的分析有著重要的作用，也是實驗中應(yīng)用最廣泛的方法。

【關(guān)鍵詞】電測法；材料力學(xué)實驗；應(yīng)用

材料力學(xué)課程是工科專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，而材料力學(xué)實驗又是課程的重要組成部分。材料力學(xué)的基本理論是建立在連續(xù)性假設(shè)和均勻性假設(shè)上的，而判斷理論以及計算的結(jié)果，則需要實驗來檢驗。

材料力學(xué)主要研究的是構(gòu)件在受到外力作用下的應(yīng)力與變形，而電測法是實驗應(yīng)力分析中應(yīng)用最普遍且效果更好的一種方法（它測量的精度高，范圍廣；應(yīng)變片的尺寸小，粘結(jié)方便，對構(gòu)件的應(yīng)力分布影響?。?。所以電測法在材料力學(xué)實驗中有著極其重要的作用。

1　電測法的工作原理

電測法就是將物理量、力學(xué)量、機械量等非電量通過敏感元件（主要是電阻應(yīng)變片）轉(zhuǎn)換成電量的一種實驗測量方法。它與其他傳感器的測試技術(shù)相比，具有更高的測量靈敏度和測量精度。其最小應(yīng)變?yōu)?με （με—微應(yīng)變，1με=10-6ε）。在常溫靜態(tài)測量時，誤差一般為1%～3%；動態(tài)測量時，誤差在3%～5%范圍內(nèi)。

電測法又被稱為應(yīng)變電測法，其工作原理是用專用的粘結(jié)劑將電阻應(yīng)變片貼在被測的結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，構(gòu)件在受到外力的作用時，被測點會產(chǎn)生一個應(yīng)變，應(yīng)變片因感受構(gòu)件測點的應(yīng)變而發(fā)生電阻的改變，然后通過電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換成電信號，顯示出靜態(tài)應(yīng)變值或是輸出動態(tài)應(yīng)變曲線給記錄儀記錄，再根據(jù)應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到實驗對構(gòu)件的應(yīng)力分析。

2　電測法在材料力學(xué)實驗中的運用

材料力學(xué)主要研究材料在外力的作用下材料變形和所受外力的關(guān)系，以及材料抵抗變形與破壞的能力。應(yīng)力分析可以確定構(gòu)件失效有關(guān)危險點的應(yīng)力集中部位和應(yīng)力峰值。應(yīng)力分析的方法主要有解析法、數(shù)值法和實驗法。在材料力學(xué)中，對于單個簡單的構(gòu)件，一般運用實驗法，即在構(gòu)件的原型或模型上，應(yīng)用各種實驗方法測得構(gòu)件的應(yīng)力分布狀態(tài)和主應(yīng)力值。在實驗應(yīng)力分析的方法中電阻應(yīng)變計測量技術(shù)應(yīng)用較為普遍，精確度高，傳感元件小和測量范圍廣。在材料力學(xué)實驗中，運用電測法可以分析得到純彎曲梁的正應(yīng)力、彎扭組合的主應(yīng)力、測量彈性模量和泊松比等。

2.1電測法分析純彎曲梁的正應(yīng)力

整個電測實驗儀器有純彎曲梁的組合裝置（如圖1）以及力&應(yīng)變綜合參數(shù)測試儀。

圖1　純彎曲梁裝置

在外力作用下梁橫截面的應(yīng)力分布值通過橫截面上的應(yīng)變片變化和應(yīng)變計電橋的應(yīng)用輸出計算得到。為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應(yīng)力的分布規(guī)律，在梁的純彎曲段沿梁上下面和側(cè)面不同高度，平行于軸線貼上電阻應(yīng)變片。（裝置的計算簡化圖如圖2）。

圖2　應(yīng)變片在梁中的位置

實驗可采用全橋接、半橋接和四分之一橋接方法，采用不同的電路橋接，輸出的應(yīng)變值與實際的應(yīng)變值有相應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系。實驗采用等量逐級加載法，即每增加等量的載荷△P，加載后電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電量信號，通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀輸出，即可記錄應(yīng)變值。根據(jù)測得的各點實際應(yīng)變值εi，求出應(yīng)變增量平均值△εi，代入胡克定律計算各點的實驗應(yīng)力值（其中1με=10-6ε）：

σi=E△εi×10-6

通過實驗方法來驗證理論的彎曲正應(yīng)力公式。

2.2電測法分析彎扭組合構(gòu)件的主應(yīng)力

在材料力學(xué)構(gòu)件中，有些構(gòu)件在外力作用下的變形不是只有一種變形，有幾種變形的稱為組合變形。以下的薄壁圓筒構(gòu)件（如圖3）在受到向下的拉力作用時，圓筒發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形。

圖3　彎扭組合裝置

圓筒的表面處于平面應(yīng)力狀態(tài)下時，由于它的主應(yīng)力方向無法判斷，故應(yīng)力的分析采用電阻應(yīng)變片測量法。應(yīng)變花是把幾個敏感柵制成夾角形式，組合在同一基片上，通過電測實驗得到三個方向的應(yīng)變值，根據(jù)這三個應(yīng)變值確定出主應(yīng)力的大小和方向。

本實驗用的是45°應(yīng)變花，應(yīng)變花上三個應(yīng)變片的α角分別為-45°、0°、45°，測得應(yīng)變ε-45°、ε0°、ε45°，然后運用應(yīng)變-應(yīng)力換算關(guān)系求出主應(yīng)力的大小和方向，該點主應(yīng)力大小和方向分別為：

3　結(jié)束語

材料力學(xué)研究的主要對象是單個的桿件，桿件在外力的作用下會發(fā)生變形。變形的基本形式有四種，分別為：軸向拉伸或是軸向壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲。

基于電測法的基本原理，本文簡單介紹了利用電測法來分析構(gòu)件彎曲和扭轉(zhuǎn)組合變形時的應(yīng)力分布情況。電測法還可以加強大家對電阻應(yīng)變片和電橋原理的認(rèn)識，以及針對實驗進(jìn)行橋路組合的能力。電測法也是重要的實驗應(yīng)力分析法，對材料力學(xué)理論的驗證和應(yīng)力的監(jiān)測有著重要的作用?！?/p>

【參考文獻(xiàn)】

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