船舶与海洋工程结构力学实验

船舶与海洋工程结构力学实验船舶与海洋工程实验教学中心实验项目板的弯曲与稳定实验(2学时)等强度梁实验(以下三项实验为2学时)弯扭组合实验矩形截面梁的纯弯曲实验一、板的弯曲与稳定实验（一）实验目的（二）实验原理（三）实验仪器、装置及工具（四）实验方法与步骤（五）注意事项（六）预习要求（七）问题讨论（一）实验目的1、对平板筒形弯曲现象有一感性认识和比较明确和清晰的概念，为理论学习打下基础。2、使对船舶结构模型实验概念初步了解。3、通过对圆柱壳进行抽真空，验证其壳板局部失稳形式，观察失稳波形；4、学习掌握实验的技能、仪器操作方法、测量方法。（二）实验原理1、板的弯曲部分2、板及板架失稳、圆柱壳失稳3、测试部分4、应变片的粘贴技术5、电阻应变仪的测量电路1、板的弯曲部分1）讨论的对象为承受各种垂直于板面载荷的，具有不同边界条件的矩形平板弯曲的应力与变形问题。其中应力主要是弯曲应力，变形在实验中主要是看挠度。2）板在弯曲时，一般在x和y方向均有曲率，因此问题要比梁的弯曲复杂。但是在最简单的情况下板只有一个方向有曲率，这时板的弯曲与梁的弯曲有许多类似的地方，并可应用梁的弯曲公式求解，这种情况叫做板发生筒形弯曲。当板的边长比小于（2.5—3）时，会发生对称弯曲。3）讨论板的筒形弯曲和板的一般弯曲及边界条件对板的影响。（1）板发生筒形弯曲的条件是什么？假定板的边长比相当大（≥2.5—3），并且外载荷沿板的长边不变化。在这种情况通过实验表明板除了短边支界相邻的一小部分外，中间大部分的弯曲变形为筒形，即沿短边有曲率，沿长边无曲率，故名筒形弯曲（板的筒形弯曲是单向弯曲，因此与梁的弯曲有基本共同之处）。当板的边长比小于（2.5—3）时，会发生对称弯曲。（2）板条梁与普通梁的弯曲变形是一致的差别，差别仅在于板条梁两个侧面受到相邻板的约束而不能自由变形，而普通梁的侧面是自由的，这种侧面约束的差别使得板条梁在变形后的截面仍为矩形，而普通梁弯曲后截面不再保持矩形。由以上分析可知，板条梁的弯曲与普通梁的弯曲完全相同，因此板条梁的计算可直接套用普通梁结果。（3）筒形板的复杂弯曲：在船体结构中横骨架式的甲板板和船底板，它们的边长比足够大，并且除了横载荷外还在长边受到作用于板平面内的均布的总弯曲应力（中面应力），在这种情况下板仍将发生筒形弯曲，在板中取出的板条梁将处于如图所示的复杂弯曲状态，因此板条梁的求解就要用到复杂曲梁的结果。根据前面同样的分析，不难得到板条梁复杂弯曲的微分方程式及基本关系为：1、板的弯曲部分NTwDwMDwqTwDwIV''''''式中为筒形刚度，为板条梁所受的轴向力，若总弯曲应力为，则，前面的负号用于拉力，正号用于压力。000tT我们在梁的复杂弯曲中曾经指出，船体中的梁因为刚度较大，故而参数u的值很小（一般u≤0.5），从而辅助函数接近于1，因此在实验计算中可以不计轴向力对弯曲要素的影响。对于船体板，因板的厚度不大，板条梁的刚度较小，使得板条梁在复杂弯曲时的参数u相当大（一般u≥0.5）。对于一般的海船，数字计算表明，板条梁的u值约比梁的u值大10倍左右，辅助函数于1相差很大，因此中面力对板的弯曲要素影响很大，不可不计。这一现象说明板的中面力的作用十分敏感。因此，若板受到中面拉力，它将减少板的弯曲应力，是有利的，反之若是受到中面压力，它将增大板的弯曲应力，是不利的。2、板及板架失稳、圆柱壳失稳板架因其中一根杆受压失稳而导致整个板架变形，叫做板架失去了稳定性。在均匀外力作用下，圆柱壳失稳的形状有若干种可能，取决于它的结构型式与结构尺寸。我们以具有肋骨的圆柱壳为例来讨论壳板局部失稳和失稳肋骨。1）壳板局部失稳当肋骨的刚度足够大，即使超过它们的临界刚度时，在均匀压力P增大时可能首先出现这种失稳形状。这时主肋骨保持它们自身的正圆形不变，成为壳板的刚性支座周界，壳板在肋骨之间形成一个半波，在许多间距内形成若干连续的凹凸交替半波，切开横剖面看，则在整个圆周上形成许多凹凸交替半波。2）肋骨失稳当肋骨刚度小于其临界刚度，压力P超过其临界压力时，肋骨将连同壳板一起在舱段内失稳。这时，仅舱段的两端舱壁保持正圆形不变，成为壳板的刚性支座周界。壳体在母线方向上，整个舱段只形成一个半波，在切开横剖面看，则在整个圆周上形成两个、三个或四个整波。3、测试部分1、应变电测法电测法以电阻应变仪量测为主。电测法的基本原理是：将一种特制的电阻应变片作为传感元件，粘贴在被测试件上，当试件由于受到外荷载的作用而发生变形时，电阻应变片也随之变形，并发生电阻的变化。在一定的工作范围内，电阻应变片的电阻变化与试件发生的应变成比例关系。根据测得的电阻变化，通过应变仪可获得试件上被测点的应变值。在弹性范围内，通过虎克定律又可将该点的应变转换为该点的应力值。图1-为应变电测法的简单流程图。图1应变电测法流程图3、测试部分2、电阻应变片的原理及构造电阻应变片的工作原理是基于电阻丝具有应变效应，即电阻丝的电阻值随其变形而发生改变。由物理学知道，金属丝的电阻R及与长度L量和截面积A有如右关系：（1）电阻应变片的原理(2)电阻应变片的构造图2应变片的构造1一敏感栅2一上线3一粘合剂；4一盖层；5一基底图3敏感栅的尺寸图4丝式应变片(3)电阻应变片的分类4、应变片的粘贴技术试件的应变是通过粘结剂将应变传递给电阻应变片的丝栅，因而应变片的粘贴质量将直接影响应变的测量结果。应变片的粘贴技术包括选片、选粘结剂、粘贴和防水防潮处理等，具体要求如下。1)应变片检查分选分选应变片时，应逐片进行外观检查，应变片丝栅应平直，片内元气泡、霉斑、锈点等缺陷，不合格的应变片应剔除，然后用万用电表检查，应元短路或断路。2)选择粘合剂粘合剂分为水剂和胶剂两类。3)测点表面清理为使应变片能牢固地贴在试件表面，应对测点表面进行加工。4)应变片的粘贴选择合适的胶粘剂，在试件上画出测点的纵横中心线，纵线应与应变方向一致。5)焊接导线先在应变计引出线底下贴胶布或胶纸，以保证引出线不与试件形成短路；然后用胶固定端子或用胶布固定电线，要保证电线轻微拉动时引出线不断；最后用电烙铁把测量导线的一端与引出线焊接，焊点应圆滑、丰满，无虚焊，测量导线的另一端与应变仪测量桥联接。6)应变片的粘贴质量检查首先是借助放大镜用肉眼进行外观检查，应变片应元气泡，粘贴牢固，方位准确。7)防潮和防水处理5、电阻应变仪的测量电路由电阻应变片的工作原理可知，当电阻应变片的灵敏系数K为2.0、被测量的机械应变为10e-3~10e-6时，电阻变化率为△R／R＝2×10e-3~2×10e-6。这是个非常微弱的电信号，用量电器检测是很困难的，所以必须借助放大器将微弱信号放大，才能推动量电器工作。而电阻应变仪就是电阻应变片的专用放大器及量电器。(1)全桥电路；全桥电路就是在测量桥的四个臂上全部接人工作应变片，如图5(a)所示。其中相邻臂上的工作片兼作温度补偿用。路桥输出电压。图5标准实用电路(2)半桥电路半桥电路由两个工作片和两个固定电阻组成。工作片接在AB和BC臂上，另一半桥上的固定电阻设在应变仪内部。利用输出公式可得即电桥输出灵敏度提高了两倍，温度补偿也由这两个工作片自动完成。(3)l／4桥电路l／4桥电路常用于测量应力场里的单个应变，这种接线方式对输出信号没有放大作用。桥路输出灵敏度取决于应变片在受力试件上的贴片位置和方向以及它在桥路中的接线方式。（三）实验仪器、装置及工具图中：①真空泵②蓄压器③真空表④阀门⑤模型⑥千分表⑦应变仪1、静态电阻应变仪、测厚仪、真空泵；2、蓄压器、实验模型；3、卷尺、钢板尺、电烙铁、剪刀、测试线。（四）实验方法与步骤（一）、筒形弯曲模型1、测量筒形弯曲模型的厚度t、长度L、宽度B，测量三次取其平均值；2、确定筒形弯曲模型的布片位置、粘贴应变片、焊接导线；3、连接应变仪、蓄压器、真空泵、实验模型；4、加载过程：关闭阀门④，启动真空泵①，将蓄压器抽到740mm汞柱，关闭真空泵。缓慢打开阀门④给模型⑤加载。观察平板材料模型变形状态，读真空表③、千分表⑥和应变仪⑦。5、确定加载方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三级加载；6、记录实验数据，测毕，取下模型，整理现场。（四）实验方法与步骤（二）板及板架模型1、连接蓄压器、真空泵、实验模型；2、确定加载方案：10毫米汞柱、20毫米汞柱、30毫米汞柱三级加载；3、对板及板架模型分别进行逐级加载，记录实验数据；4、测毕，取下模型，整理现场。（四）实验方法与步骤（三）圆柱壳模型1、连接蓄压器、真空泵、实验模型；2、分别对两种不同直径模型进行逐级加载，直至出现失稳波形；3、测毕，取下模型，整理现场。（五）注意事项1、由于模型易损，对板及板架模型要按照要求进行加载，对圆柱壳模型进行逐级加载，速度要慢；2、对实验仪器要按照说明书进行操作，电源、电烙铁安全使用；3、实验分组进行，并选组长一人。实验时应该有严格组织纪律性，注意培养良好的实验作风。4、实验报告要在仔细观察，深入思考理解的基础上认真分析比较，以便获得明确而清晰的概念。（六）预习要求1、复习有关理论，了解应变片的原理、焊接方法、使用方法，了解测试方法；2、实验中记录那些数据？数据如何分析？3、板的对称弯曲与筒形弯曲现象是如何发生的？对称弯曲与筒形弯曲发生的条件是什么？4、板架失稳是如何发生的？5、圆柱壳板局部失稳是如何发生的？圆柱壳失稳有几种形式？圆柱壳端部与中部失稳是否一致？（七）问题讨论1、平板筒形弯曲有何条件、特点？简化成什么样的力学模型？筒形弯曲的实质是什么？2、筒形弯曲板的长边相对移动与不移动有何差别？3、本实验装置与理想情况有何不同？4、板及板架的应变结果说明了什么？5、实验误差分析。二、等强度梁实验（一）实验目的：1、学习电桥的接法，练习1/4桥、半桥、全桥接法2、测定等强度梁的应变，验证等强度梁各横截面上应变相等3、验证互等定理（）206EGPa（二）实验仪器：应变片若干、等强度梁、砝码、应变仪（三）实验方法与步骤：1、设置应变仪的灵敏度2、将一个轴向应变片按1/4桥连接3、调电桥平衡4、每次加2个砝码，并记录数据5、将一个轴向片、一个横向片按半桥连接，重复3、46、将上或者下面两个轴向片全部按半桥连接，重复3、47、将上下四个轴向片按全桥接，重复3、48、砝码数量增加至四个，重复2~7（四）实验数据记录（五）实验数据分析（六）问题讨论1、比较本实验所用的三种测量电桥方法的优缺点（1/4桥与全桥）2、测定等强度梁的应变、验证互等定律三、弯扭组合实验一、实验目的：弯扭组合实验是为船舶力学实验教学制作的。它可以完成船舶力学教学实验中的复合抗力下应变的测量、主应力和主应力方向的测定、加载弯矩和剪力时应变的测定。二、实验仪器、装置：装置操作简单，手轮加载，数字显示载荷，便于保管使用三、实验方法与步骤：1、将数字测力仪开关打开，预热10分钟，并检查该装置是否处于正常实验状态2、将应变片按实验要求接至应变仪3、逆时针旋转手轮，预置50N初载荷4、对每片应变片用零度法，预调平衡或记录下各应变片的初始值5、分级加载，以每级100N，200N，300N，400N记录各级载荷下各应变片的应变值6、实验完毕，卸去载荷，将测力仪开关置关7、根据实验要求进行数据处理（四）实验数据记录（五）计算出主应力大小和方向（六）注意事项：每次实验时，必须先打开测力仪，方可旋转手轮，以免损坏实验装置每次实验完，必须卸载，即测力仪显示为零或出现“—”号，再将测力仪开关置关该装置只允许加450N载荷，超载会损坏实验装置。本装置贴片方式如图，连接方法是：四、矩形截面梁的纯弯曲实验一、实验目的：1、熟悉电测法的基本原理和静态电阻应变仪的使用方法2、测量矩形截面梁在纯弯曲时横截面上正应力分布规律3、比较正应力的实验测量值与理论计算值的差别二、实验设备和仪器：1、多用电测实验台2、静态电阻应变仪3、载荷显示仪三、实验原理：将五个工作片和温度补偿片分别接入电阻应变仪面板上的五个通道中组成五个电桥，当梁在载荷作用下发生弯曲变形时，工作片的电