结构静动态实验技术第二章.ppt
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1、船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)结构静动态实验技术结构静动态实验技术李威李威 副教授副教授Email:Email:1船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)参考书目参考书目静态实验技术静态实验技术 李德葆,沈观林,冯仁贤李德葆,沈观林,冯仁贤.振动测试与应变电测基础振动测试与应变电测基础.清华大学出版社(第清华大学出版社(第7 71010章)章)动态实验技术动态实验技术 卢文祥,杜润生卢文祥,杜润生.工程测试与信息处理(第二
2、版)工程测试与信息处理(第二版).华华中科技大学出版社。中科技大学出版社。张维衡,熊志民,杜润生张维衡,熊志民,杜润生.振动测试技术振动测试技术.华中理工大华中理工大学。学。2船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)第一章第一章 应力应变测量概论应力应变测量概论为什么要研究实验应力分析?为什么要研究实验应力分析?为什么要研究实验应力分析?为什么要研究实验应力分析?在各种力学理论(包括材料力学、结构力学、弹塑性力学等)发在各种力学理论(包括材料力学、结构力学、弹塑性力学等)发在各种力学理论(包括材料力学、结构力学、
3、弹塑性力学等)发在各种力学理论(包括材料力学、结构力学、弹塑性力学等)发展十分完善,各种数值计算方法(包括有限元(展十分完善,各种数值计算方法(包括有限元(展十分完善,各种数值计算方法(包括有限元(展十分完善,各种数值计算方法(包括有限元(FEMFEM)、边界元)、边界元)、边界元)、边界元(BEMBEM)、无网格有限元()、无网格有限元()、无网格有限元()、无网格有限元(Meshless FEMMeshless FEM,SPHSPH)发展日趋成)发展日趋成)发展日趋成)发展日趋成熟的今天,为什么还是需要研究实验应力分析。熟的今天,为什么还是需要研究实验应力分析。熟的今天,为什么还是需要研究
4、实验应力分析。熟的今天,为什么还是需要研究实验应力分析。实验应力分析的作用。实验应力分析的作用。实验应力分析的作用。实验应力分析的作用。1.1.验证;验证;验证;验证;2.2.在无法确定外载荷和边界条件的情况下,只有进行实验分析。在无法确定外载荷和边界条件的情况下,只有进行实验分析。在无法确定外载荷和边界条件的情况下,只有进行实验分析。在无法确定外载荷和边界条件的情况下,只有进行实验分析。3船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)1.1.2 2 应力、应变基本概念及其关系应力、应变基本概念及其关系应力、应变基本概
5、念及其关系应力、应变基本概念及其关系式中式中式中式中A A为杆件的横截面积。杆件的轴向应变为杆件的横截面积。杆件的轴向应变为杆件的横截面积。杆件的轴向应变为杆件的横截面积。杆件的轴向应变 与位移(伸与位移(伸与位移(伸与位移(伸长量)长量)长量)长量)及法向应力及法向应力及法向应力及法向应力 有下列关系:有下列关系:有下列关系:有下列关系:这表明,在弹性范围内,应力和应变之间有比例关系。这这表明,在弹性范围内,应力和应变之间有比例关系。这这表明,在弹性范围内,应力和应变之间有比例关系。这这表明,在弹性范围内,应力和应变之间有比例关系。这也是单向应力状态下的虎克定律。也是单向应力状态下的虎克定律
6、。也是单向应力状态下的虎克定律。也是单向应力状态下的虎克定律。(1 11 1)(1 12 2)对于一维问题,例如杆件在简单拉伸荷载作用下。其横截对于一维问题,例如杆件在简单拉伸荷载作用下。其横截对于一维问题,例如杆件在简单拉伸荷载作用下。其横截对于一维问题,例如杆件在简单拉伸荷载作用下。其横截面上产生正应力面上产生正应力面上产生正应力面上产生正应力 ,其大小与荷载,其大小与荷载,其大小与荷载,其大小与荷载P P有如下关系有如下关系有如下关系有如下关系4船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)对于平面应力(二维)问
7、题,应变分量与这一点附近的对于平面应力(二维)问题,应变分量与这一点附近的对于平面应力(二维)问题,应变分量与这一点附近的对于平面应力(二维)问题,应变分量与这一点附近的位移函数有下列关系:位移函数有下列关系:位移函数有下列关系:位移函数有下列关系:(1 13 3)式中式中式中式中u u、v v为为为为x x、y y方向的位移,方向的位移,方向的位移,方向的位移,为剪应变,为剪应变,为剪应变,为剪应变,、为线为线为线为线应变。应变。应变。应变。而其主应力方向,即以该方向为法线的截面上只有法向而其主应力方向,即以该方向为法线的截面上只有法向而其主应力方向,即以该方向为法线的截面上只有法向而其主应
8、力方向,即以该方向为法线的截面上只有法向应力而无剪应力,也是主应变方向,即只有线应变而无应力而无剪应力,也是主应变方向,即只有线应变而无应力而无剪应力,也是主应变方向,即只有线应变而无应力而无剪应力,也是主应变方向,即只有线应变而无剪应变。主应力和主应变之间有如下广义虎克定律关系:剪应变。主应力和主应变之间有如下广义虎克定律关系:剪应变。主应力和主应变之间有如下广义虎克定律关系:剪应变。主应力和主应变之间有如下广义虎克定律关系:(1 14 4)5船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)反之,反之,反之,反之,式中
9、式中式中式中 为材料的泊松比,为材料的泊松比,为材料的泊松比,为材料的泊松比,。如果已知非主应力方向的应变分量,则可由如下公式求如果已知非主应力方向的应变分量,则可由如下公式求如果已知非主应力方向的应变分量,则可由如下公式求如果已知非主应力方向的应变分量,则可由如下公式求解主应变解主应变解主应变解主应变(1 15 5)6船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)对于空间一点(三维)的应力状态,可用六个应力分量对于空间一点(三维)的应力状态,可用六个应力分量对于空间一点(三维)的应力状态,可用六个应力分量对于空间一点
10、(三维)的应力状态,可用六个应力分量来表示,相应的,应变分量也是六个。对于主应力方向,来表示,相应的,应变分量也是六个。对于主应力方向,来表示,相应的,应变分量也是六个。对于主应力方向,来表示,相应的,应变分量也是六个。对于主应力方向,只有三个主应力和三个主应变,两者之间的在弹性范围只有三个主应力和三个主应变,两者之间的在弹性范围只有三个主应力和三个主应变,两者之间的在弹性范围只有三个主应力和三个主应变,两者之间的在弹性范围内有下列广义虎克定律关系:内有下列广义虎克定律关系:内有下列广义虎克定律关系:内有下列广义虎克定律关系:(1 16 6)7船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威
11、(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)1.1.3 3 应力应变测量的各种方法及其比较应力应变测量的各种方法及其比较应力应变测量的各种方法及其比较应力应变测量的各种方法及其比较一、电阻应变测量法一、电阻应变测量法一、电阻应变测量法一、电阻应变测量法 它是采用电阻应变片(又称电阻应变计)作为传感元件将它是采用电阻应变片(又称电阻应变计)作为传感元件将它是采用电阻应变片(又称电阻应变计)作为传感元件将它是采用电阻应变片(又称电阻应变计)作为传感元件将构件表面应变转换成电阻变化,然后用电阻应变仪把电阻变化转构件表面应变转换成电阻变化,然后用电阻应变仪把电阻变化转构件表
12、面应变转换成电阻变化,然后用电阻应变仪把电阻变化转构件表面应变转换成电阻变化,然后用电阻应变仪把电阻变化转换成电压或电流变化,经过放大并测量这种变化再用其他仪器记换成电压或电流变化,经过放大并测量这种变化再用其他仪器记换成电压或电流变化,经过放大并测量这种变化再用其他仪器记换成电压或电流变化,经过放大并测量这种变化再用其他仪器记录,由所测应变换算出应力。录,由所测应变换算出应力。录,由所测应变换算出应力。录,由所测应变换算出应力。二、光弹性实验法二、光弹性实验法二、光弹性实验法二、光弹性实验法n n光弹性模型法:将具有双折射效应的透明材料研制成的与实际构光弹性模型法:将具有双折射效应的透明材料
13、研制成的与实际构光弹性模型法:将具有双折射效应的透明材料研制成的与实际构光弹性模型法:将具有双折射效应的透明材料研制成的与实际构件相似的模型,在受力条件下置于偏振光场中,即可观察到在模件相似的模型,在受力条件下置于偏振光场中,即可观察到在模件相似的模型,在受力条件下置于偏振光场中,即可观察到在模件相似的模型,在受力条件下置于偏振光场中,即可观察到在模型上产生的干涉条纹。测量条纹,并通过计算,就能确定构件模型上产生的干涉条纹。测量条纹,并通过计算,就能确定构件模型上产生的干涉条纹。测量条纹,并通过计算,就能确定构件模型上产生的干涉条纹。测量条纹,并通过计算,就能确定构件模型的应力状态。型的应力状
14、态。型的应力状态。型的应力状态。n n光弹性贴片法:它是在实际构件表面上粘贴光弹性材料薄片,利光弹性贴片法:它是在实际构件表面上粘贴光弹性材料薄片,利光弹性贴片法:它是在实际构件表面上粘贴光弹性材料薄片,利光弹性贴片法:它是在实际构件表面上粘贴光弹性材料薄片,利用偏振光干涉现象,构件受力后薄片上显示干涉条纹,用反射式用偏振光干涉现象,构件受力后薄片上显示干涉条纹,用反射式用偏振光干涉现象,构件受力后薄片上显示干涉条纹,用反射式用偏振光干涉现象,构件受力后薄片上显示干涉条纹,用反射式偏光系统可观察记录条纹进而计算出构件表面应力分布。这种方偏光系统可观察记录条纹进而计算出构件表面应力分布。这种方偏
15、光系统可观察记录条纹进而计算出构件表面应力分布。这种方偏光系统可观察记录条纹进而计算出构件表面应力分布。这种方法可以在实物上进行测量,并可用于弹塑性应力分析、疲劳扩展法可以在实物上进行测量,并可用于弹塑性应力分析、疲劳扩展法可以在实物上进行测量,并可用于弹塑性应力分析、疲劳扩展法可以在实物上进行测量,并可用于弹塑性应力分析、疲劳扩展问题研究。问题研究。问题研究。问题研究。8船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)例子:例子:例子:例子:模拟机车挂钩模拟机车挂钩模拟机车挂钩模拟机车挂钩圆形试样圆形试样圆形试样圆形试
16、样 型试样型试样型试样型试样光弹性实验法的优点:光弹性实验法的优点:光弹性实验法的优点:光弹性实验法的优点:n n直观性强,可以直接观察到模型全域的应力分布概况;直观性强,可以直接观察到模型全域的应力分布概况;直观性强,可以直接观察到模型全域的应力分布概况;直观性强,可以直接观察到模型全域的应力分布概况;n n能有效和准确的测量构件的应力集中系数;能有效和准确的测量构件的应力集中系数;能有效和准确的测量构件的应力集中系数;能有效和准确的测量构件的应力集中系数;n n借助模型实验可以给出边界和内部的应力分布情况,为强度设计借助模型实验可以给出边界和内部的应力分布情况,为强度设计借助模型实验可以给
17、出边界和内部的应力分布情况,为强度设计借助模型实验可以给出边界和内部的应力分布情况,为强度设计提供较完美的资料以寻求合理设计。提供较完美的资料以寻求合理设计。提供较完美的资料以寻求合理设计。提供较完美的资料以寻求合理设计。缺点:需要价格较贵的光弹性仪等设备;实验技术比电缺点:需要价格较贵的光弹性仪等设备;实验技术比电缺点:需要价格较贵的光弹性仪等设备;实验技术比电缺点:需要价格较贵的光弹性仪等设备;实验技术比电阻应变测量方法复杂,实验精度稍低,周期较长。阻应变测量方法复杂,实验精度稍低,周期较长。阻应变测量方法复杂,实验精度稍低,周期较长。阻应变测量方法复杂,实验精度稍低,周期较长。9船舶与海
18、洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)表表1 11 1 各种主要应力应变测量方法比较各种主要应力应变测量方法比较10船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)1.4 1.4 电阻应变测量方法基本原理及优缺点电阻应变测量方法基本原理及优缺点电阻应变测量方法基本原理及优缺点电阻应变测量方法基本原理及优缺点1.4.1 1.4.1 电阻应变测量方法基本组成电阻应变测量方法基本组成电阻应变测量方法基本组成电阻应变测量方法基本组成1 1 电阻应变计电阻
19、应变计电阻应变计电阻应变计它的作用是把被测构件的应变它的作用是把被测构件的应变它的作用是把被测构件的应变它的作用是把被测构件的应变 转换为单位电阻转换为单位电阻转换为单位电阻转换为单位电阻变化变化变化变化 ,它是一个传感元件。,它是一个传感元件。,它是一个传感元件。,它是一个传感元件。2 2 电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪电阻应变仪它的作用是把电阻应变计的电阻变化它的作用是把电阻应变计的电阻变化它的作用是把电阻应变计的电阻变化它的作用是把电阻应变计的电阻变化 转转转转换为电压或电流的变化,然后通过放大器放大并输出电信号。此换为电压或电流的变化,然后通过放大器放大并输出电信号。此换为电压或电流的
20、变化,然后通过放大器放大并输出电信号。此换为电压或电流的变化,然后通过放大器放大并输出电信号。此电信号与应变成正比。电信号与应变成正比。电信号与应变成正比。电信号与应变成正比。3 3 记录仪与数据处理记录仪与数据处理记录仪与数据处理记录仪与数据处理记录仪是把电阻应变仪输出信号记录下来。记录仪是把电阻应变仪输出信号记录下来。记录仪是把电阻应变仪输出信号记录下来。记录仪是把电阻应变仪输出信号记录下来。对于静态应变,可采用数字显示或者自动打印记录。对于动态应对于静态应变,可采用数字显示或者自动打印记录。对于动态应对于静态应变,可采用数字显示或者自动打印记录。对于动态应对于静态应变,可采用数字显示或者
21、自动打印记录。对于动态应变则记录动态应变随时间的变化曲线,再用电子计算机按预定程变则记录动态应变随时间的变化曲线,再用电子计算机按预定程变则记录动态应变随时间的变化曲线,再用电子计算机按预定程变则记录动态应变随时间的变化曲线,再用电子计算机按预定程序进行数据处理。序进行数据处理。序进行数据处理。序进行数据处理。11船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)1.4.3 1.4.3 电阻应变测量方法优缺点:电阻应变测量方法优缺点:电阻应变测量方法优缺点:电阻应变测量方法优缺点:(1)(1)测量应变的灵敏度(测量应变的灵
22、敏度(测量应变的灵敏度(测量应变的灵敏度(1 1 )和准确度高(约)和准确度高(约)和准确度高(约)和准确度高(约l l3%3%),而且数据),而且数据),而且数据),而且数据稳定可靠。稳定可靠。稳定可靠。稳定可靠。(2)(2)测量技术较简单,易于掌握。测量技术较简单,易于掌握。测量技术较简单,易于掌握。测量技术较简单,易于掌握。(3)(3)可以在高、低温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊环境可以在高、低温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊环境可以在高、低温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊环境可以在高、低温、高压、高速旋转、强磁场、核辐射等特殊环境中进行应力应变测量。中进行应力应
23、变测量。中进行应力应变测量。中进行应力应变测量。(4)(4)电阻应变测量法输出为电信号,测量易于自动化,远距离传输。电阻应变测量法输出为电信号,测量易于自动化,远距离传输。电阻应变测量法输出为电信号,测量易于自动化,远距离传输。电阻应变测量法输出为电信号,测量易于自动化,远距离传输。(5)(5)用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器来测量力、压力、用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器来测量力、压力、用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器来测量力、压力、用电阻应变计作为传感元件可制成各种传感器来测量力、压力、扭矩、位移、加速度等物理量。扭矩、位移、加速度等物理量。扭矩、位移、加速度等物理
24、量。扭矩、位移、加速度等物理量。(6)(6)测量应变范围大,一般可测到几千微应变,最大可测测量应变范围大,一般可测到几千微应变,最大可测测量应变范围大,一般可测到几千微应变,最大可测测量应变范围大,一般可测到几千微应变,最大可测5 52020。(7)(7)电阻应变计尺寸小、重量轻,粘贴在试件表面上对试件工作状况电阻应变计尺寸小、重量轻,粘贴在试件表面上对试件工作状况电阻应变计尺寸小、重量轻,粘贴在试件表面上对试件工作状况电阻应变计尺寸小、重量轻,粘贴在试件表面上对试件工作状况和应力分布影响极小。和应力分布影响极小。和应力分布影响极小。和应力分布影响极小。(8)(8)频率响应好,可测量频率响应好
25、,可测量频率响应好,可测量频率响应好,可测量050050万赫兹的振动,惯性极小,对动应变反万赫兹的振动,惯性极小,对动应变反万赫兹的振动,惯性极小,对动应变反万赫兹的振动,惯性极小,对动应变反映很快。映很快。映很快。映很快。12船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(船舶与海洋工程学院,李威(20201010)缺点主要有:缺点主要有:缺点主要有:缺点主要有:(1)(1)应变计测量的是敏感栅面积内的平均应变,对于应力集中部位应变计测量的是敏感栅面积内的平均应变,对于应力集中部位应变计测量的是敏感栅面积内的平均应变,对于应力集中部位应变计测量的是敏感栅面积内的
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