電測法應(yīng)用于材料力學實驗中的教學實踐

湯占岐 武美先 侯亭波 趙濤

摘要：電測法是一種測定材料力學性能，并可對受力構(gòu)件進行應(yīng)力分析的實驗方法，在材料力學實驗和工程實際中有著廣泛的應(yīng)用。本文通過實踐，將電測法引入材料力學實驗，使學生掌握電測法的基本應(yīng)用，同時使學生對理論知識的理解和掌握得到強化。

關(guān)鍵詞：材料力學實驗；電測法；力學性能；實驗教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）48-0115-02

材料力學實驗一般涉及到測定材料在受載時的力學性能以及受力構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變測定，并與理論計算公式進行比較。電測法是應(yīng)用電阻應(yīng)變片測定受力構(gòu)件表面的應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種方法。其基本原理是：將電阻應(yīng)變片牢固黏貼于構(gòu)件表面，當構(gòu)件受力變形時，電阻應(yīng)變片內(nèi)的電阻絲也隨之產(chǎn)生變形，并導(dǎo)致其長度和橫截面積發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變儀可將電阻的變化測量出來，并換算成相應(yīng)的應(yīng)變值指示出來，最后依據(jù)胡克定律確定被測點的應(yīng)力狀態(tài)，從而達到利用實驗手段對受力構(gòu)件進行應(yīng)力分析的目的。電測法具有測量精度高、測量范圍廣、對構(gòu)件的應(yīng)力分布影響小等特點，在材料力學實驗中有著極為重要的應(yīng)用，同時在工程實踐中也被廣泛采用。

一、材料力學實驗引入電測法的總體目標

本學院過程裝備與控制工程專業(yè)原有的材料力學實驗僅有一項，即低碳鋼的單向拉伸實驗，并沒有電測法實驗設(shè)備和實驗項目，這會導(dǎo)致以下問題：材料力學實驗項目單一、實驗課時嚴重不足、在一定程度上影響了人才培養(yǎng)質(zhì)量、與我們設(shè)定的培養(yǎng)目標存在一定差距；電測法在工程檢測監(jiān)測、材料的力學性能測試等工程實踐中應(yīng)用廣泛，如果我們的學生在本科階段沒有受到此項訓(xùn)練，將造成學生的知識儲備不足，材料力學實驗技能訓(xùn)練弱化，影響今后的工作。

鑒于此，我們將電測法引入我院過程裝備與控制工程專業(yè)的材料力學實驗中，通過甄選實驗項目，編制實驗指導(dǎo)書并實施實驗教學，加強本專業(yè)材料力學教學的實踐環(huán)節(jié)、訓(xùn)練學生的動手實踐能力，使學生通過電測法實驗，對材料力學的一些基本概念，如應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、純彎曲、彎曲梁橫截面應(yīng)力分布等概念有較為深刻的認識，對電測法在應(yīng)力、應(yīng)變測量中的應(yīng)用有深刻的理解。

二、電測法在材料力學實驗中的應(yīng)用

（一）實驗項目的甄選

在實驗項目的選擇上，我們緊扣理論教學的重點和難點問題，力圖使所選擇的實驗項目經(jīng)過學生實施，能加深學生對相關(guān)理論知識的透徹理解，并能夠使學生掌握電測法基礎(chǔ)知識和基本技能。為此，我們甄選了3個典型的材料力學實驗項目，包括材料彈性模量和泊松比的測定、純彎曲梁的正應(yīng)力實驗、等強度梁實驗。這3個實驗，涉及到的基本知識點有應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、泊松比、胡克定律、純彎曲梁、梁橫截面上的應(yīng)力分布及應(yīng)力計算、等強度梁等基本概念和基本知識。通過這些基本知識點的及其相關(guān)理論知識的靈活應(yīng)用，結(jié)合實驗操作和數(shù)據(jù)分析，學生能夠更加牢固地掌握相關(guān)的材料力學理論知識，為深入學習理論知識，提高應(yīng)用材料力學基本知識解決工程實際的能力奠定扎實的基礎(chǔ)。

（二）實驗設(shè)計

本文以材料彈性模量E和泊松比μ的測定實驗為例，詳細說明實驗項目設(shè)置的目的和實驗內(nèi)容。

材料彈性模量E和泊松比μ的測定實驗，目的是使學生認識電阻應(yīng)變片，理解電橋的原理，掌握電測法原理及其在材料力學實驗中的應(yīng)用方法，在此基礎(chǔ)上，掌握應(yīng)力、應(yīng)變的概念及其電測方法，掌握彈性模量、泊松比的概念，深刻理解胡克定律及其應(yīng)用。學生需在測定單向拉伸桿的軸向應(yīng)變及橫向應(yīng)變的基礎(chǔ)上，應(yīng)用胡克定律，計算該桿件材料的彈性模量和泊松比。

該實驗對一矩形截面桿進行拉伸，載荷為P，桿的橫截面面積A=150mm2，在桿的左右兩側(cè)面對稱位置處布置三組縱向應(yīng)變片R1、R1'，R2、R2'，R3、R3'，一組橫向應(yīng)變片R4、R4'，分別測量縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，如圖1所示。

根據(jù)電阻應(yīng)變測量技術(shù)的原理，將對稱布置的電阻應(yīng)變片R1和R1'按全橋接法接入電橋的相對橋臂，兩溫度補償片接入其余兩相對橋臂，則可消除偏心彎曲的影響，如圖2所示。其余各組應(yīng)變片均按全橋接法接入各自的電橋橋臂。

（三）實驗教學環(huán)節(jié)的設(shè)計

由于本專業(yè)學生所具備的電測法相關(guān)知識較為薄弱，因此在所有實驗開始之前，需用2課時左右的時間講授電測法基本原理、電橋原理及電阻應(yīng)變儀的使用，使學生掌握相關(guān)理論知識，為后續(xù)實驗的順利開展打下良好的基礎(chǔ)。

在每次實驗開始前，首先向?qū)W生介紹本次實驗的目的，同時啟發(fā)學生回顧理論課程中的相關(guān)知識，利用理論公式計算相應(yīng)點的應(yīng)力，隨后鼓勵學生運用電測法的相關(guān)知識對實驗方案進行初步設(shè)計，如畫出應(yīng)變片布置草圖、選擇電橋接法，畫出電橋接線圖等，引導(dǎo)學生利用現(xiàn)有實驗設(shè)備和元件器材完善實驗方案。這一階段耗時較多，可安排在實驗預(yù)習階段，學生組成實驗小組查閱資料、討論并設(shè)計實驗方案。

正式實驗時，要求各小組介紹所設(shè)計的實驗方案，實驗指導(dǎo)教師需評價實驗方案的優(yōu)劣，最后下發(fā)合理的實驗方案及實驗指導(dǎo)書，引導(dǎo)學生正確安裝實驗元器件，并進行連線、調(diào)試，認真觀察實驗現(xiàn)象，詳細記錄實驗數(shù)據(jù)。

實驗結(jié)束后，要求學生對其中一組實驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場進行計算，以便與理論計算結(jié)果進行對比，并分析實驗誤差。若誤差過大，引導(dǎo)學生分析誤差產(chǎn)生的原因，必要時要求學生重做實驗，最后要求學生完成實驗報告。

（四）實驗考核

實驗成績按10%計入《材料力學》課程總成績，而實驗成績包括實驗預(yù)習情況、實驗數(shù)據(jù)的準確性與完整性、實驗報告3個部分，各部分的比例分別為40%、30%和30%。

三、結(jié)束語

我們將工程中廣泛應(yīng)用的電測法引入材料力學實驗，通過3年的教學實踐，取得了良好的效果。我們認識到，電測法的引入可以使學生較早地接觸到工程實際問題，有利于學生工程素養(yǎng)的提高，也有助于提高學生分析問題、解決實際問題的能力。其次，電測法引入材料力學實驗，并開展了典型受力構(gòu)件的電測法實驗，加強了本專業(yè)材料力學教學的實踐環(huán)節(jié)，提高了學生的實踐操作能力。

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Abstract：The resistance straingauge method is a way to measure the materials' mechanical properties，also it can be used in stress analysis of actual components. So it is widely adopted in material mechanics experiment and engineering. We introduce this method in material mechanics experiment in order to make the students master the basic application of it and intensify the students' understanding and fully master of material mechanics theories.

Key words：material mechanics experiment；resistance straingauge method；mechanical property；experiment teaching