《建筑力学》实验指导书

《建筑力学》实验指导书基本实验1低碳钢和灰口铸铁的拉伸、压缩实验一、实验目的1．试样在拉伸或压缩实验过程中，观察试样受力和变形两者间的相互关系，并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。2．测定该试样所代表材料的PS、Pb和ΔL等值。3．对典型的塑性材料和脆性材料进行受力变形现象比较，对其强度指标和塑性指标进行比较。4．学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。二、仪器设备和量具电子万能材料试验机，x-y函数记录仪，钢板尺，游标卡尺。三、低碳钢的拉伸和压缩实验1．低碳钢的拉伸实验在拉伸实验前，测定低碳钢试件的直径d和标距L。试件受拉伸过程中，观察屈服（流动）、强化，卸载规律、颈缩、断裂等现象；绘制p——ΔL曲线如图2—1（a）所示；记录试件的屈服抗力Ps和最大抗力Pb。试件断裂后，测量断口处的最小直径d1和标距间的距离L1。依据测得的实验数据，计算低碳钢材料的强度指标和塑性指标。图2—1低碳钢拉伸图及压缩图强度指标：屈服极限4,2dAAPss其中强度极限APbb塑性指标：延伸率%100110LLL断面收缩率%1002212ddd2．低碳钢的压缩实验实验前，测量试件的直径d和高度h。实验时，观察低碳钢试件压缩过程中的现象，绘出P—ΔL曲线，测定试件屈服时的抗力Ps，从而计算出低碳钢的屈服极限：ssPA四、灰口铸铁的拉伸和压缩实验1．灰口铸铁的拉伸实验实验前测定试件的直径d。试件在拉伸过程中注意观察与低碳钢拉伸试验中不同的现象（如变形小、无屈服、无颈缩、断口平齐等）；绘出P——ΔL曲线如图2—2（a）所示；记录断裂时的最大抗力Pb，从而计算出灰口铸铁的拉伸强度极限：APbb。图2—2灰口铸铁拉伸图及压缩图2．灰口铸铁的压缩实验实验前测定试件的直径d和高度h。实验时观察灰口铸铁试件在压缩过程中的现象，尤其是断口形状；绘出P——ΔL曲线如图2—2（b）所示；记录压缩破坏时的最大抗力Pb，计算灰口铸铁压缩强度极限。即APbb五、实验操作1．准备工作（1）打开试验机总电源和负载测量单元、位移测量单元、x-y记录仪的电源开关进行预热。（2）测量拉伸试样的标距长度L和直径d，测量低碳钢压缩试样的长度H和直径d，作好原始数据的记录。2．安装试件和调整荷载单元（1）调整荷载测量单元。按下传感器选择键：“拉”。根据低碳钢（A3）试件直径为10mm的承载力，大约在40kN左右即可拉断，故选择50kN为满量程，按下50kN键。然后调整荷载的零点，检查标定值。（2）将试件夹持于材料试验机的上夹头中，为了夹持方便可用速度100mm/min或250mm/min向下或向上运行调节下夹头的位置，使下拉伸夹头能夹住试件时立即停机，将横梁速度转到2mm/min挡，然后把试件夹持于下夹头中（此时试件可能已受到了夹紧过程中少量的轴力，故不要再调整仪器荷载的零点）。3．安装位移计和夹式引伸计（1）低碳钢试件拉伸时，把夹式引伸计直接安装在试件上。试件受拉力后，标距内的伸长量通过夹式引伸计转换为电量，经放大后输入给x-y函数记录绘制曲线图（力输入信号线接入y座标，伸长输入信号线接入x座标）。（2）做灰口铸铁拉伸、压缩实验和低碳钢压缩实验时，用固定在动横梁上的位移计。先关闭支持平台的磁性开关使之失磁，将平台支持住位移计芯轴并使其上下移动，使x-y函数记录仪上画笔接近零位时，打开磁性开关固定于柱上（平台须基本水平）。（3）实验时，位移计将试验机动横梁下降量作为试件的伸长量或压缩量转变为电压，经放大后把电压信号输入给x-y函数记录仪绘图。4．调整x-y函数记录仪（1）将纸放到x-y记录仪的画板上摆正，纸开关置于HOLD吸住记录纸。（2）检查或调整量程旋钮Y2或Y1坐标应置于10mV/cm。输入开关置于MEAS，调节POSITION使画笔到下边缘某零位置。（3）检查或调整x轴的量程旋钮应置于50mV/cm，将x轴的输入开关置于MEAS，调节POSITION旋钮使笔架移到图纸左边某零点位置。（4）最后将笔开关置于DOWN，放下笔准备绘图。5．加载试验（1）检查速度选择键应置于2mm/min（在2～10mm/min速度范围内可任意选择）；荷载单元应为拉传感器，量程50kN；x-y记录仪的笔已在左下角放下。（2）按横梁下降开关，即开始加载实验。在此实验中注意弹性范围和屈服现象，记下屈服时的荷载。屈服段之后，可提高加载速度，按下5mm/min键或按下10mm/min。注意观察材料的强化和颈缩现象，记录荷载极限值。6．仪器复原实验完后要使仪器复原，尤其是要使x-y记录仪的笔开关置于UP，Y2或Y1轴和x轴的输入开关置于ZERO以防止画笔乱画乱动。7．铸铁拉伸试验操作步骤与低碳钢试验基本相同，不同之处有：（1）速度选择置于2mm/min直至断裂。（2）在实验中注意读取荷载极限值。8．低碳钢压缩实验其操作步骤与拉伸时基本相同，不同之处有：（1）试件放于下压头的中心处，移动横梁使上压头逐渐接近试样。但不能接触试样。（2）调好荷载单元，用压力传感器，量程为100kN。（3）用速度2mm/min加压，使上压头接触试样（荷载单元可显2～3kN的预压力）。然后安装位移传感器芯轴支持平台。（4）试验速度在屈服前用2mm/min，屈服后用5mm/min。（5）试样不会断裂，曲线画到一定程度即可结束试验；在实验中注意读取屈服时的荷载值。9．铸铁压缩实验操作步骤与低碳钢压缩相同，不同的是试件破断后停机。10．其它（1）两根拉伸试件的P——ΔL曲线绘在一张图纸上，两根压缩试件的P——ΔL曲线绘在一张图纸上。因为它们的坐标相同好作比较。（2）全部实验完毕后，机器和仪器的各开关按键应置于原始位置，然后关掉电源。六、预习思考题1．试比较低碳钢和铸铁在拉伸时的力学性能。2．压缩时为什么必须将试件对准试验机压头的中心位置，如没有对中会产生什么影响？3．说明铸铁和低碳钢断口的特点。4．低碳钢和铸铁在拉伸、压缩中，各要测得哪些数据？观察哪些现象？基本实验2低碳钢拉伸时弹性模量E与泊桑比μ的测定实验一、实验目的①学习使用双向引伸计测量材料的弹性模量E和泊桑比μ。②学习使用电阻应变仪。③再次熟悉电子万能试验机的使用。二、仪器设备电子万能试验机、电阻应变仪、双向引伸计。三、双向引伸计简介双向引伸计是用于测量材料拉伸试件变形的一种装置，其特点是能同时测量试件的轴向应变和横向应变。双向引伸计外形结构及其与试件的安装关系见图2—3。由于双向引伸计是一个娇弱的仪器，可调范围小，装卡时易损坏，故不由学生装卡，在这里也就不介绍双向引伸计的装卡过程。双向引伸计主要由A、B、C、D杆、主体和弓形曲板组成。图中A、C杆间和B、D杆间用于测量试件轴向应变度量，弓形曲板是测量试件横向应变的弹性元件。图2—3双向引伸计与试样（尺寸单位：mm）当试件承受轴力伸长时，装夹在试件上的双向伸计的A、C杆和B、D杆悬臂距离随之变化，由于C杆和D杆的刚度大，可以认为不变形，而A杆和B杆在轴向厚度很小，因此试件受力后的伸长量引起A杆和B杆的弯曲变形，在A杆和B杆的根部粘贴有应变片，并组成电桥线路。当A、B杆产生弯曲变形时，电桥就有电信号输出，经过换算可以得到试件的纵向应变值。试件承受轴向拉伸后，横向尺寸要减小，即A、B杆及C、D杆间的距离缩短，这时贴在弓形曲板上的应变片被拉伸，电桥就有电信号输出，经换算后可以得到试件的横向应变值。试验加载方式，采用加一初载后，按等量荷载递增加载的方法，其每次的荷载增量为一常值ΔP。在每一级荷载下，电阻应变仪输出纵向应变值和横向应变值，进而可得与ΔP对应的纵向应变增量纵和横向应变增量横。为了保证测量的可靠性，需重复做三次试验，选其中一次线性较好的数据计算平均应变值纵平与横平。平均应变增量必须乘以转换系数，才能得到试件的真实应变增量，即横平横横纵平纵纵21KK注意：式中的横纵和21KK，对于每一只双向引伸计来说都不相同）从而可以计算出材料的弹性模量E值和泊桑比μ值：纵横纵APE四、实验操作步骤1．SY-Ⅲ型应变仪调试（1）把双向引伸仪装卡在试件上，并把试件夹于万能试验机的上、下拉伸夹头中。（2）把双向引伸仪的引线A、B、C、D分别接于应变仪背板上A、B、C、D柱上。（3）应变仪按键置于“系数”位置，用改锥调节系数电位器，使其显示值为1000。（4）按下系数键，把应变仪按键置于“调零”位置，用改锥调节调零电位器，使其显示值为零或±1均可。（5）按下平衡键，用改锥调节调零电位器，使显示值为零或±1均可。（6）应变仪调试工作结束后，等待加载读数。2．WD-10A万能机的调试（1）负荷单元：按下“2”、调零、标定。（2）速度单元：按下“2mm/min”键。3．加载顺序5kN——100mV或5kN——10mV10kN——200mV或10kN——20mV15kN——300mV或15kN——30mV20kN——400mV或20kN——40mV4．实验操作（1）在“速度单元”按“下降”按钮进行加载。负载表显示为规定数值时，按“停”按钮，分别在应变仪上读出纵向应变值和横向应变值。（2）重复（1）的操作方法，继续加载，读取纵、横向应变值。（3）实验完毕。卸负荷：按速度单元的“上升”按键，负荷显示为“0”左右时，按“停”按钮，松开下拉伸夹头，关闭试验机及应变仪电源。五、预习思考题1．试验时为什么要加初荷载？2．测定E值时，最大荷载如何确定？为什么应力不能超过比例极限？3．电阻应变仪是以什么原理制造的？专门用来测试何种参量？能否直接测得“应力”？基本实验3矩形梁纯弯曲时正应力分布电测实验一、实验目的1．学习使用电阻应变仪，掌握测试技能。2．测量纯弯曲梁上应变随高度的分布规律，验证平面假设的正确性。二、仪器设备弯扭试验台、电阻应变仪。图2—8纯弯曲试验装置三、弯扭试验台弯扭试验台可以做弯曲试验、扭转试验，以及弯曲-扭转的组合试验。这里暂时只叙述其弯曲试验部分，其纯弯曲的加载系统如图2—8，试样简支于A、B两点。在对称的C、D两点通过拉杆和横杆螺旋加载使梁产生弯曲变形，CD段试件受纯弯的作用。采用转动手轮使螺旋下移加载，总荷载的大小用荷载传感器来测量。试件的受力如图2—9。图2—9试件的受力图四、纯弯曲梁电测实验原理已知试件受纯弯时的正应力公式为：zIyM式中，M为横截面上的弯矩，Iz为梁横截面对中性轴z的惯性矩，y为由中性轴到欲求应力点的距离。本实验在施加初荷载后，采用逐级等量加载的方法，每次增加等量的荷载为ΔP，测定各点相应的应变增量一次，分别取应变增量的平均值。，求出各点应力增量实实平zIyME理实平实，把实与理论公式算出的应力增量理加以比较，从而可验证公式的正确性，上述理论公式的ΔM按下式求出：)17021mmNPM（五、电阻应变片的粘贴位置电阻应变片及电阻应变仪的有关说明请参看指导书的第一部分。为了测量应变随试件截面高度的分布规律，应变片的粘贴位置如图2—10。这样可以测量试件上下边缘处的最大应变和中性层无应变的特殊点，及其它中间点便于了解应变沿截面高度变化的规律。六、SY-Ⅲ型数字应变仪及DSP-10型平衡箱操作使用方法应变仪的使用方法见第一章有关内容。七、试验结果的整理1．求出各测量点在等量荷载作用下，应变增量的平均值。2．以各测点位置为纵座标，以应变增量为横坐标，画出应变随试件高度变化曲线。3．根据各测点应变增量的平均值，可计算出测量的应力值。4．根据实验装置的受力图和截面尺寸，应用弯曲应力的理论公式，可计算出在等量荷载作用下，各测点理论应力值。5．比较试件上下边缘处的理论计算值和试验测定值，并计算相对误差，其计算公式为：%100理实理6．比较梁中性层的应力。由于电阻应变片是测量一个区域内的平均应变，粘贴时又不可能刚好贴到中性层上。所以只要实测的应变是一个很小的数值，就认为测试是可靠的。八、预习思考题1．影响实验结果准确性的主要因素是什么？2．在中性层上理论计算应