第一章力学CAT体系

1-1第一章实验力学与力学CAT体系1.1固体的力学实验1.1.1实验的概念实验涵盖了测量、检测、监测、测试、试验、数值仿真等内容。其根本任务是认识和利用客观物体(客体)的运动规律。测量是将客体的运动信号通过一定的工具转换为人可以接受或可以利用的物理量的过程。测量的基本方法是将被测信号量与物理定量（物理量单位或实测标定量）进行比较，获得被测量对标定量的倍数，这种测量倍数称为测量数据。测量数据可由人们能接受的数字、图形、数值模型等形式实时或后继显示出来以应用于客体性能分析、工程设计、安全预警、产品检验、理论归纳等各种目的。测量包括物理信号的比较、处理、传递。物理量的比较量化过程称为信号比较，即，通过比较量化获得物理量相对于物理定量的倍数信息；信号处理表示对比较所取得的信息量进行变换、放大、计算等，目的是提高信息的确定性和可靠性，便于传递和显示；信号传递意为测量信息由一处传送至另一处。测量数据通过人视觉感观能识别的数字与曲线方式显示出来，并依靠手工记录与计算机存储器件完成数据存储。实验是指将受测对象置于一定的环境和状态下应用测量工具完成物理量测量并应用分析工具处理物理量测量信息，进而认识受测对象客观规律的过程。力学实验是通过特定的力学测试工具对在外部环境与载荷作用下结构和材料的变形、应力的行为规律认识过程，其目的是将所认识、归纳的普适理论应用于结构的数值仿真、安全控制和优化设计。对受测体进行实验必须首先完成测量过程，然后对测量结果进行特性提炼和规律性分析，是人类对自然客体从不知到知的过程。简而言之，实验＝测量＋分析。检测或监测是通过对受测对象的物理量进行测量，以判断其是否符合要求的过程。数值仿真是利用基于经实验验证的、具有普适性的数理方程组而发展起来的有限元方法并通过计算机有限元分析软件获得对客体力学行为的数值响应规律。数值仿真实验是利用计算机和已知理论工具对复杂未知客观实体运动规律的再认识过程。从广义的角度，名称“实验”等同于“试验”和“测试”而区别于“测量”。事实上，英文Test的中文译名既可以是“实验”，也可以是“试验”或“测试”，而“测量”英文名称是Measurement,它是一种“测度”的概念。“试验”一词习惯上多用来强调对未知领域的探索（飞行试验，人体试验，新材料试验），以及探索过程中的阶段和采用的手段，如常用“试验参数”、“材料试验机”、“试验方案”、“试验准备”、“试验控制”等等；“实验”则偏于强调对设想、理论和既有知识的验证性测试，如常用“实验验证”、“实验数据”、“实验课”、1-2“理论与实验”、“科学实验”等；“测试”相对“实验”或“试验”用法上比较中性，无习惯上的用法限制，所以应用词频较高。严格地讲，文字“实验”、“试验”与“测试”在科技交流中意义是等同的，原则上可以互换，但在同一篇文献中使用时应尽量做到用词统一，如欲交叉使用可适当顾及习惯用法。在认识论上（如图1.1所示），人类的认识过程是从A：客观个体到感性认识、B：感性认识到理论抽象（局部到整体）及C：抽象的理论再应用于客观个体（整体到局部）的过程，A-B-C,C-A-B两种认识过程都是实验过程，C-A-B过程是实验的高级阶段。A、B、C阶段的循环往复过程使人类的认识水平螺旋式上升。在力学实验领域，客观测试对象包括客体原型（零部件、全尺寸结构）以及客体模型（缩小模型、抽象简化模型、数值仿真模型）。通过测量获得对受测客体的力学量和破坏行为的感性认识。在测量信息基础上进行提炼、归纳、总结，以实现对客体测试对象力学行为的规律性认识，并基于合理假设、正确推导实现力学行为规律描述的数学解析模型或数值模型，昀终达到客体力学行为认识的理论高度。1.1.2力学实验的内函对构件原型的力学测量是利用测试装置来感应受测构件的物理量信号变化并将信号变化转化为可识别的力学量信号。力学测量会受到不同因素的影响，不可避免地存在测试误差。误差大小主要决取于测量工具的精度和测试方法的正确与否，有时直接测量结果或许会完全背离构件的实际受力状态。一般来说，对构件原型的力学测量是在构件特定部位的局部力学参量测试，所获力学量的代表性由所选测点部位的重要性决定。通过构件原型力学实验可以发现人们未知的或意科之外的现象，不仅可用于质量控制也可用于结构改性或进一步提出问题由力学模型（试样模型或数值模型）实验解释。对力学模型的测量是将构件原型作抽象简化，加工成相同材质、构形相对规则的试验样品(试样)或者采用相似比拟的方法将构件原型缩小加工成试样然后进行的测量。若采用相似比拟的方法，模型选材也可与原型相异。模型实验的目标是将测量结果通过影响因素修正运用于构件原型的设计与安全评定。力学模型测量除了存在测量误差，还包括构件原型到模型及模型到构件原型的转换误差。模型实验通常在实验室进行，实验条件相对构件原型的现场工况理想。模型实验虽然较构件原型实验脱离了复杂的实际运行条件，但因其可以较方便和经济地调整材料与试样几何因素以及各种受力与环境因素并测量各类因素对力学行为的影响，故可用以获得对构件原型的力学现象与规律的抽象认识，从而不仅对结构设计与安全防护具有实验与理论指导意义，还可以为有限元仿真分析所依赖的材料代表性单元弹塑性本构理论关系、损伤演化规律提供充分的力学基础规律。图1.1认识论与力学认识1-3二十世纪九十年代以来，数值仿真模拟在经济性、方便性、可靠性等方面已经有了令人惊奇的进展。CAD三维图形设计技术的飞速发展使得建立更为接近构件原型的有限元计算模型成为可能，同时计算机技术的高速发展使得即使在家用计算机上实现建模和运算也变得越来越高速、方便、经济、普通。特别是在理论上已较成熟的弹性与比例加载弹塑性材料力学、运动力学范畴，有限元数值仿真已经有广泛的实用性（人们已经可以完成类似汽车碰撞过程中人和汽车构件的运动、受力直至破坏的过程）。数值仿真引伸出优化设计与仿真实验。一方面可以通过调整仿真结构或载荷与约束状态使结构构形趋于合理，另一方面可以通过调整仿真模型约束条件、载荷条件、运动条件使仿真模型与构件原型对应测量部位的应力或变形相同，这样，对构件原型不宜或难以实测的部位可以得到较为真实的结果，而且还可以对仿真模型施加因安全考虑不允许施加在构件实验原型上的现实边界与载荷条件。仿真实验是昀为有前途的实验方法。但是仿真实验的上述优点是有限的，即，它的计算模型必须建立在成熟的理论基础上。由于诸如非比例加载条件、多面接触、微动磨损、非均质材料、微尺度效应等条件下材料弹塑性变形与损伤演化的一系列理论或规律认识还远未成熟，因而在这些领域内数值仿真所依赖的理论还需要完善，还需要模型实验规律的支持。图1.2给出了实验力学的任务类型与相互关系。三类实验间的关系为互补关系，构件原型实验离不开仿真实验的指导，数值仿真在理论基础上离不开构件原型和模型实验提供的力学现象与规律，仿真模型需要构件原型或构件模型上特定测点的校核，构件原型测点或模型试样的设计要依靠数值仿真实验结果的指导。无论那种实验方法都是人通过特定的工具实现对运动与静止客体的认识。由于实际构件原型复杂（如，几何、约束、载荷等条件复杂），因此各类实验测量对构件原型力学变化所反映的真实程度必定有一定距离，这个距离便是误差，它由材料分散性、测量工具精度、环境的变化、人为造成及测试方法等因素引起。误差越小则实验所反映的构件原型的力学规律越真实。图1.2实验力学的任务、性质与相互关糸1-4传统观念认为构件原型的直接测量更能反映实际，力学试样模型实验次之，数值仿真模型（如有限元模型）实验更次之。这种认识有偏颇。事实上三类实验的重要性应根据各自的特点和相互关系视具体情况而论。实验的内涵可表述为如图1.3所示的框图，本质上就是测量加分析。实验力学的任务就是利用电测、光侧等工具将测试对象的力、位移、应变等力学物理量P转化为模拟量V，并将模拟量（如电压）数字化送给计算机处理后得到具有一定误差带±e。的测试对象物理量的固有规律：P'=P(x1,...,xn,t)±e。x1,...,xn为影响物理量P响应规律的制约因素，t表示时相关量。1.1.3实验中人的主观作用在学习与应用实验技术与方法时，人的主观因素对实验结论真实性认识起到决定作用，树立正确实验观，有利于培养正确的科学观，对指导实验者的科研实践有深远意义。实验者应注意：(1)实验涉及知识广泛，应密切注意和不断吸收相关学科的发展与知识;(2)实事求是，切忌人为臆造（主观造数和习惯性思维），但也要考虑实验误差的因素力求去伪存真（通过分析消除误差和伪现象）；(3)在科技发展中，“理论”与“实验”相互依存、相互促进，割裂之间的相互联系，孤立强调任何一方面的作用都不可取；(4)物理概念与定量分析相结合,注重从构件原型系统中抽象出力学模型和数值模型，注重以正确物理概念与理论指导实验设计、实施与分析；(5)重视实验过程中影响测试精度的各个环节，进行充分而规范的实验准备，严谨的实验准备与数据分析是实验成功、结论正确的首要保证；(6)重视提高计算机的应用能力，有能力实现实验任务的计算机辅助设计与实验控制，有效应用计算机辅助测试软件高效率地提取实验规律；(7)在实验过程中注意锻炼创造性思维能力，学会创造条件完成创造性实验。理论、实验都是获取客观规律的方式，源于实验获取假设并根据力学基本方程和数学工具（包括解数理方程组的有限元工具）获得力学规律认识的间接方式，实验是根据设备信号测试直接获取现象认识的直接方式，两类方式或混合方式都是认识论的基础，不可割裂，不能论轻重，对于科研工作者，应创造条件，努力提高理论与实验的科研综合能力。现代科技中，实验和理论难以独立认识规律，刻意轻视理论或轻视实验都不P→测量工具→v→P'分析工具P'=P(x1,...,xn,t)±e人与知识图1.3实验过程框图1-5正确。实验设备、测试精度与过程、实验方法是客观提取规律的关键，不能重复的实验或经不起再实验检验的实验，不能被理性解释的实验，不了解误差范围的实验与理论的结果是存在问题的。“只要是理论的就是可信的”或“只要是实验的就是正确的”，都是错误理念。通过实验认识规律，切忌：创伪（无中生有、扭曲作直）和片面（挂一漏万、盲人摸象）。可以根据反映客观规律的昀小二乘原理进行数据回归、光滑化，可以根据实验数据获得理论方程参量，不可无根据的增添数据和改造数据，必须坚持正确的科研态度。1.1.4实验力学课程性质与任务实验力学是固体力学专业的一门主要专业技术课，它的任务是在已学过的物理学、计算机学、电学、力学等相关课程的基础上，学习通过实验方法获得零构件和模型试样中应力、应变、位移及外延力学量的技术和知识。课程在认识论上涵盖了图1.1所示的Ａ、B、Ｃ三范畴。要求通过课程学习，了解应力、应变和位移的一些常用的计算机辅助测试(CAT)的方法和原理，并具有一定的运用现代CAT技术的动手能力、分析解决问题的能力，树立创新意识。学习实验力学应理解力学实验技术在应用上的目标与意义：(1)测定力学模型的力学量，测试数据和结论可用于设计构件的合理尺寸、改进材料工艺、优化结构设计；(2)测定构件原型和力学模型的真实应力、应变状态，确定发生昀大应力、昀大变形的位置与数值，评估构件的安全可靠性，为提高构件承载能力和确定剩余服役期提供科学依据；(3)对破坏或失效的构件进行分析，提出改进措施，防止再次出现破坏或失效现象；(4)探索材料与构件的力学响应规律，有利于发现新现象、新规律，有利于理论验证和理论创新。广义来说，实验力学提供了对物理模型或构件原型通过力学参量测试与数值仿真而完成构件原型强度分析的方法。广义实验力学的技术与方法涉及广泛，包括：(1)结构与零构件原型与力学模型的CAT测试技术（包括虚拟仪器测试技术）与应用；(2)固体与流体的力学实验技术与应用(3)材料与结构的强度与振动测试技术与应用，包括电测技术与应用，断裂与疲劳力学测试技术与应用，结构模态测试技术与应用；(4)力学光测技术与应用，包括光弹性法、云纹法、焦散法及激光全息技术和应用；1-6(5)远程测试技术与应用；(6)微纳米测试技术与应用；(7)基