材料力學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)開發(fā)

宋顯輝 郭 劍 陽 橋

(武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院,湖北 武漢 430223)

材料力學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)開發(fā)

宋顯輝 郭 劍 陽 橋

(武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院,湖北 武漢 430223)

從提高學(xué)生素質(zhì)和培養(yǎng)創(chuàng)新人才出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行梳理，革除不合理的實(shí)驗(yàn)，減少驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，增加綜合性實(shí)驗(yàn)，在開發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，立足現(xiàn)有的儀器設(shè)備，自制傳感器，不僅減少了經(jīng)費(fèi)，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)室人員的工作能力。

材料力學(xué)，綜合性實(shí)驗(yàn)，傳感器制作，培養(yǎng)能力

1 概述

綜合性實(shí)驗(yàn)是兩種以上基本問題、兩種以上的基本方法或兩門以上課程內(nèi)容綜合一起的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其相當(dāng)大比例的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是直接來自于實(shí)際工程(原型)或從實(shí)際工程問題中提煉出來的。材料力學(xué)的綜合性實(shí)驗(yàn)涉及到力學(xué)基礎(chǔ)課程中多方面的知識(shí)，需要學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)力學(xué)和測(cè)試技術(shù)等方面的綜合知識(shí)來完成，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的必要環(huán)節(jié)。

為了充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備，節(jié)約辦學(xué)成本，改造已有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開發(fā)綜合性實(shí)驗(yàn)是一條有效的途徑。目前研究梁在彎曲載荷作用下的變形要做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是梁的正應(yīng)力分布實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是懸臂梁的撓度實(shí)驗(yàn)。前者用的是電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)，后者用百分表測(cè)定，而且測(cè)撓度與加載點(diǎn)在梁的同一面，這是不合理的。將兩個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，一次完成梁的整體變形和局部變形的測(cè)試。這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)就包含了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生綜合能力和創(chuàng)新能力的提高，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)完整地觀察梁在實(shí)際承受彎曲載荷所呈現(xiàn)的力學(xué)行為，了解梁的整體變形和局部變形的關(guān)系，全面理解課堂理論教學(xué)的內(nèi)容，與工程實(shí)踐也結(jié)合得更加緊密。

2 實(shí)驗(yàn)開發(fā)

將簡(jiǎn)支梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)和懸臂梁的撓度實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，組成一個(gè)簡(jiǎn)支梁的變形實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)支梁的下表面離底板非常近，百分表放不進(jìn)去，要測(cè)得簡(jiǎn)支梁的撓度必須自制一個(gè)位移(撓度)測(cè)試傳感器，安裝在彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的矩形截面簡(jiǎn)支梁的下面，在做正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)時(shí)，同時(shí)將梁的撓度測(cè)出來。測(cè)正應(yīng)力和測(cè)撓度的對(duì)象是一個(gè)構(gòu)件，梁的整體變形和局部變形的測(cè)試同時(shí)完成，與工程實(shí)踐完全吻合。

位移(撓度)傳感器擬采用線彈性極好的鋼鋸條作為彈性體，在彈性體的兩面粘貼應(yīng)變片，連成惠斯頓電橋接入電阻應(yīng)變儀，鋼鋸條的一端固定在材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基座上，另一端頂在矩形截面簡(jiǎn)支梁的下表面(見圖1)。當(dāng)簡(jiǎn)支梁承載發(fā)生彎曲時(shí)，推動(dòng)鋼鋸條的一端使鋼鋸條發(fā)生變形，電阻應(yīng)變片將這種變形檢測(cè)出來，在電阻應(yīng)變儀上顯示出來。

3 研究過程

根據(jù)材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的具體尺寸確定彈性體的長(zhǎng)度，在離接觸點(diǎn)60 mm處的彈性體上下表面各粘貼一枚應(yīng)變計(jì),在電阻應(yīng)變儀輸入端接成半橋。經(jīng)過Instron5848MicroTester標(biāo)定，其靈敏度為68 με/mm。傳感器的分辨率比百分表還低，顯然，無法滿足測(cè)試要求。

圍繞如何提高位移傳感器的靈敏度，我們做了三件事：1)盡量將應(yīng)變計(jì)的粘貼位置離接觸點(diǎn)遠(yuǎn)一點(diǎn)，由于彈性體尺寸有限，將距離增加為80 mm。2)減小應(yīng)變計(jì)粘貼處的橫截面尺寸。3)在彈性體上下表面各粘貼兩枚應(yīng)變計(jì),在電阻應(yīng)變儀輸入端接成全橋(見圖2)，使應(yīng)變儀讀數(shù)擴(kuò)大一倍。

經(jīng)過標(biāo)定，改裝后的位移傳感器的靈敏度為240 με/mm。在實(shí)驗(yàn)中一級(jí)荷載作用下的撓度不小于0.06 mm，這樣就保證每一級(jí)荷載下顯示的有效數(shù)字不少于兩位，基本滿足測(cè)試的精度要求。

在位移傳感器的頂端，擰上一顆Φ3的螺絲，配兩個(gè)螺帽，一方面牢牢的固定住螺絲，另一方面可以任意調(diào)節(jié)螺絲的高度，使其接觸矩形截面梁的底面，并保持一定的壓力(見圖3)。

由于材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)的空間有限，就利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)原有的螺絲，將傳感器的彈性體的一端打磨成弧形，以配合固定螺絲。

位移傳感器安裝的好壞直接影響傳感器的測(cè)試精度。

4 結(jié)語

工程實(shí)際中的梁在承載時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲變形，而此時(shí)梁的橫截面上的正應(yīng)力按一定的規(guī)律分布，這二者是同時(shí)發(fā)生并有緊密的聯(lián)系。根據(jù)測(cè)試規(guī)范，在了解構(gòu)件局部變形前應(yīng)先了解整體變形，測(cè)量構(gòu)件的整體變形應(yīng)該是第一位的。本項(xiàng)目的研究就是為了解決這個(gè)問題，使課堂教學(xué)與工程實(shí)際實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接。

本項(xiàng)目就是讓同學(xué)們了解在研究構(gòu)件局部變形前應(yīng)優(yōu)先知道構(gòu)件的整體變形這一測(cè)試要求；引導(dǎo)學(xué)生拓展分析問題的思路，了解到解決問題的多樣性，觀察構(gòu)件承載的力學(xué)現(xiàn)象，提高綜合分析問題的能力。

本項(xiàng)目充分利用力學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)室人員的工作能力。

[1] 肖建富，高 瞻，李桂新.綜合性實(shí)驗(yàn)的界定與作用探析[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25(12)：143-147.

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The comprehensive experimental development of mechanics of materials

SONG Xian-hui GUO Jian YANG Qiao

(WuhanUniversityofTechnology,HuaxiaCollege,Wuhan430223,China)

Starting from the point of improving students’ quality and cultivating innovative talents, we combed the current experiments of mechanics of materials so that unreasonable experiments were abolished, replication experiments reduced and comprehensive experiments increased. During the development of comprehensive experiments, a kind of sensor was made based on the existing equipment, which cost little but also enhanced the operational capability of our laboratory personnel.

mechanics of materials, comprehensive experiment, sensor making, ability training

1009-6825(2014)11-0273-02

2014-02-05

宋顯輝(1948- )，男，教授； 郭 劍(1958- )，男，工程師; 陽 橋(1984- )，男，助教

G642.0

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