Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
инж мех лабы / Лабораторные работы.doc
Скачиваний:
54
Добавлен:
16.02.2016
Размер:
1.18 Mб
Скачать

Введение

Учебное пособие подготовлено в соответствии с лабораторным практикумом студентов инженерных специальностей Карагандинского государственного технического университета. Содержание соответствует требованиям учебных программ дисциплин «Сопротивление материалов» и «Инженерная механика».

Лабораторные работы развивают навыки самостоятельной работы, закрепляют в сознании связь между теорией и опытом, способствуют более глубокому раскрытию физической сути вопросов сопротивления материалов и их усвоению. В сопротивлении материалов лабораторные работы имеют особо важное значение ещё и потому, что сама теория сопротивления материалов в значительной степени основывается на экспериментальных данных.

Совокупность аналитических методов, служащих для определения внутренних усилий, и тех приемов, которыми пользуются при экспериментальном исследовании прочности элементов машин и конструкций, составляет предмет науки сопротивления материалов.

Современные учебные программы предусматривают проведение цикла лабораторных работ, в ходе которых решаются две принципиально разные проблемы. С одной стороны, проводится экспериментальная проверка справедливости допущений и гипотез, применяемых в теоретических выкладках при выводе окончательных формул. С другой стороны, расчет конструкций или их отдельных элементов не может быть произведен без знания важнейших механических характеристик материала: предельно допустимых напряжений и упругих постоянных материала (модулей упругости Е и G, и коэффициента Пуассона), которые определяются опытным путем. Таким образом, основными задачами лабораторного практикума являются: исследование механических свойств и определение механических характеристик материалов, опытная проверка теоретических выводов и законов, а также изучение студентами современных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояний материала и обработки экспериментальных данных.

При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с методами опытного исследования и техникой экспериментирования, учатся работать с приборами, производить замеры и расчеты, анализировать полученные результаты и делать необходимые выводы.

Правильное проведение лабораторных работ требует, прежде всего, осуществления максимально возможной самостоятельности их выполнения. Для этого, во-первых, студентам надо готовиться к каждому лабораторному занятию и, во-вторых, необходима надлежащая организация самих лабораторных работ.

В процессе выполнения работы и обработки её результатов студенту необходимо:

- точно соблюдать требования безопасности;

- внимательно относиться к проведению работы, в точном соответствии с методическими указаниями;

- тщательно и аккуратно производить необходимые наблюдения, записи, расчеты, эскизы и чертежи;

- уметь анализировать и критически оценивать полученные экспериментальные и теоретические результаты.

Оформление работы и зачет по каждой отдельной работе (прием работы) осуществляется в отведенное на выполнение этой работы время.

В учебном пособии приведено описание обучающего программного комплекса виртуальных лабораторных работ по шести разделам курса сопротивления материалов и краткая теория. Каждый раздел записан в отдельном файле в каталоге COLUMBUS -10.

В данной версии программного комплекса используется база данных, содержащая свойства материалов, полученные в результате реальных испытаний образцов.

Перечень лабораторных работ и указатель файлов лабораторного комплекса

Лабораторная работа № 1 - Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона – 9.exe.

Лабораторная работа № 3а - Растяжение металлического образца с построением диаграммы - 1.exe.

Лабораторная работа № 3б - Сжатие металлического образца с построением диаграммы - 2.exe.

Лабораторная работа № 3в - Испытание деревянных образцов на сжатие - 2.exe.

Лабораторная работа № 8 - Испытание валов на кручение с определением модуля упругости при сдвиге - 3.exe.

Лабораторная работа № 6 - Испытание стальной балки на чистый изгиб - 8.exe.

Лабораторная работа № 7 - Испытание стальной балки на поперечный изгиб - 4.exe.

Лабораторная работа № 10а - Внецентренное растяжение стального стержня - 5.exe.

Лабораторная работа № 10б - Внецентренное сжатие стального стержня - 10.exe.

Лабораторная работа № 11 - Испытание балки на косой изгиб - 11.exe.

Лабораторная работа № 14а - Исследование явления потери устойчивости при сжатии стержня большой гибкости - 6.exe.

Лабораторная работа № 14б - Исследование продольно-поперечного изгиба стержня большой гибкости - 6.exe.

Лабораторная работа № 15 - Определение ударной вязкости металлического образца - 7.exe.

Тензометрический метод определения напряжений

Для определения деформации и напряжений широко используется метод тензометрии, состоящий в замерах малых деформаций в отдельных точках объекта и последующем переходе от них к напряжениям с использованием закона Гука. Замеры деформации производятся с помощью тензодатчиков.

В основу тензометрии положена зависимость омического сопротивления R проводника от его длины l, удельного сопротивления S и площади сечения А:

R=Sl/A.

При деформировании проволоки (проводника) пропорционально меняется ее удельное сопротивление, следовательно, омическое сопротивление в цепи. Замер этого изменения позволяет определить деформации. Тензодатчики измеряют деформацию на длине, равной своей базе.

Различают проволочные и фольговые тензодатчики (тензорезисторы). Проволочные тензорезисторы в качестве чувствительного элемента имеют решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром 2÷3 микрона. В качестве материала используют константан, а при повышенных температурах – нихром. У фольговых тензорезисторов чувствительный элемент выполнен из фольги толщиной 2÷10 микрона. Наилучшим материалом считается золото – серебряный или медно – никелевый сплав. Однако в массовом производстве для фольговых датчиков используется тот же материал, что и для проволочных датчиков.

Сопротивление тензорезисторов вследствие деформации меняется в пределах от миллионных до десятых долей ома. Для измерения этих малых сопротивлений используют потенциометрическую или мостовую измерительную схему. Наиболее распространенная мостовая схема, которая состоит из четырех последовательно соединенных сопротивлений, образующих плечи моста, источника питания и измерителя (рисунок 1).

К одной диагонали подключается источник питания, к другой – регистрирующий прибор. Наиболее часто применяют схему, в которой внешний полумост из тензорезисторов размещают на объекте исследования, а внутренний полумост из постоянных резисторов – в приборе.

Рисунок 1- Мостовая измерительная схема

Для определения коэффициента тензочувствительности (цены деления) тензодатчиков проводится их тарировка. С этой целью используются тарировочные устройства, позволяющие воспроизводить с помощью нагружения заданную деформацию.

Для измерения деформации используется измеритель деформации. Измеритель деформации состоит из блока запуска, блока коммутации и блока индексации. В блок коммутации входит внутренний полумост, который является частью измерительного моста. Активный и компенсационный тензорезисторы, входящие во внешний полумост, наклеиваются на поверхность объекта, подвергающегося сжатию или растяжению. При воздействии деформации на тензорезистор происходит разбаланс измерительного полумоста прибора. Сигнал разбаланса с моста поступает на вход усилителя. Усиленный сигнал разбаланса поступает на фазочувствительный детектор, вырабатывающий сигнал, полярность которого зависит от фазы разбаланса измерительного моста. Далее сигнал поступает в блок автоматического уравновешивания. В процессе автоматического разбаланса моста подключаются компенсирующие резисторы. Индексация осуществляется с помощью цифровых индикаторов на лицевой панели в условных единицах относительной деформации. Начальное показание принимается за условный нуль измерения. Величина относительной деформации определяется по формуле

,

где n0 – начальное показание;

n1 – показание при нагруженном объекте;

–цена деления измерителя деформации, зависящая от материала тензорезисторов.

В некоторых лабораторных работах для измерения перемещений применяются индикаторы часового типа. Подпружиненный штифт индикатора упирается на поверхность объекта в той точке, где требуется замерить перемещение. При перемещении этой точки перемещается и штифт. Перемещение штифта показывается стрелкой на циферблате индикатора.

Лабораторные работы проводятся по методическим указаниям к каждой работе, приведенным ниже.

Общий порядок работы на ПЭВМ

1. Открывается папка COLUMBUS-10. На экране появляются иконки одиннадцати исполняемых модулей. Для запуска программы лабораторной работы нужно щелкнуть мышью на месте соответствующей иконки.

2. При выполнении каждой лабораторной работы верхняя строка экрана содержит Главное меню лабораторной работы:

Эксперимент

Управление стендом

Студент

Вид

Помощь

При щелчке мышью по клавишам Главного меню открываются следующие подменю.

3. Вторая и последняя строка экрана содержат соответственно панель инструментов и строку состояния, изображением которых можно управлять с помощью подменю «ВИД»:

Показать панель инструментов.

Показать строку состояния.

4. Подменю «ЭКСПЕРИМЕНТ»:

Новый эксперимент

Ctrl + N

Записать файл результатов

Ctrl + S

Печать результатов

Ctrl + P

Выход

В режимах записи и печати открываются соответствующие стандартные диалоговые окна.

5. Подменю «УПРАВЛЕНИЕ СТЕНДОМ»:

Нагрузить

Разгрузить

Выбрать материал образца

6. Подменю «СТУДЕНТ»:

Фамилия

Имя

Отчество

Учебное заведение

Группа

Шифр

Каждой строке подменю п.п. 4,5 и названию подменю «СТУДЕНТ» на панели инструментов предусмотрена соответствующая клавиша.

7. На панели инструментов имеется клавиша «I», при нажатии которой на экран выводятся изображение и физические параметры стенда, использованного в данной лабораторной работе.

8. Нажатие левой клавиши мыши на диаграмме приводит к увеличению масштаба по оси деформации в два раза. Нажатие правой клавиши мыши на диаграмме приводит к уменьшению масштаба по оси деформации в два раза.

Лабораторная работа № 1

Определение модуля упругости и коэффициента Пуассона

Цель работы: экспериментальное определение величины модуля упругости и коэффициента Пуассона стали при растяжении и сравнение их с табличными.

Испытания проводятся с помощью разрывной машины Р-5 с максимальным усилием 49 кН, вызывающей растяжение образца увеличением расстояния между захватами машины. Испытывается стальная полоса с проушинами для захватов в виде серег. Расчетный участок, подвергаемый центральному растяжению, имеет длину 0,23 м. Поперечное сечение полосы прямоугольное со сторонами 0,006 х 0,03 м. На двух противоположных широких гранях полосы наклеивают по паре тензодатчиков с базой S = 0,02 м. С помощью тензодатчиков можно экспериментально определить абсолютную деформацию участка S материала.

С помощью специальных приборов – тензометров – определяется абсолютное удлинение отрезка и вычисляется средняя на длине базы относительная деформация. Чем меньше база, тем ближе средняя величина относительной деформации к истинной. В данной работе применяются электрические тензометрыдатчики омического сопротивления - представляющие собой константановую проволоку (сплав меди с никелем) диаметром 0,02 мм, наклеенную на бумагу в виде петель с двумя выводами, служащими для подключения к измерительной схеме.

Краткие сведения из теории

Для подавляющего большинства конструкционных материалов с достаточной для практики точностью можно считать, что в известных пределах центрального нагружения прямого стержня между продольной деформацией и соответствующим (действующим в ее направлении) нормальным напряжением существует прямо пропорциональная зависимость. Это положение носит название закон Гука при растяжении (сжатии) и записывается в виде

. (1)

Коэффициент пропорциональности Е называют модулем упругости (модуль Юнга). Модуль имеет размерность напряжения (поскольку –безразмерная величина), выражается в () и является физической постоянной данного материала, характеризующей упругие свойства материала (способность сопротивляться линейным деформациям), т.е. жесткость.

Если стержень, площадь поперечного сечения которого , растягивается силой, тогда при известной, из (1) можно определить :

. (2)

При растяжении или сжатии стержня наряду с его продольной деформацией происходит поперечная деформация, т.е. изменение размеров поперечного сечения. Опытным путем установлено, что в упругой стадии работы любого изотропного материала между величинами поперечной и продольной деформации существует линейная зависимость

или (3)

где – коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) –постоянная величина для данного материала и характеризует упругие свойства материала.

Так как закон Гука справедлив при напряжениях, меньших предела пропорциональности рr, то при опытах сила не должна превосходить максимальной величины

. (4)

Для проведения испытаний используется плоский образец.

Продольные и поперечные деформации в упругой стадии материала определяются при помощи симметрично установленных четырех тензорезисторов.

Если определяются продольные деформации, тензорезисторы 1 и 2 являются активными, а тензорезисторы 4 и 3 – компенсационными, в случае определения поперечной деформации, тензорезисторы 4 и 3 являются активными, а 1 и 2 – компенсационными.

Рисунок 2 - Опытный образец

Последовательность проведения работы

1. Нажимается кнопка «Запустить гидронасос» - в динамиках включается характерный звук.

2. Курсор устанавливается на кнопку с голубой стрелкой вниз – включается режим «Нагрузить».

3. Курсор перемещается на красную кнопку «Остановить гидронасос», на которую нужно нажать, когда на динамометре стрелка не достигнет отметки 4 кН.

4. Последовательное нажатие на кнопку «№» дает возможность записи отсчетов из окна индикатора в журнал испытаний показаний тензодатчиков, увеличенные в 105раз.

5. Последовательно выполняются пункты 2,3,4, доводя силу Р до величины 20 кН.

Обработка результатов испытаний

1. Вычисляются разности показаний индикатора по каждому тензометру на каждом шаге нагрузки и вычисляются четыре средние показания для интервала изменения нагрузки 4 кН: ,,,.

2. Вычисляются средние абсолютные деформации базы вдоль и поперек оси стержня-полосы по формулам:

3. Вычисляются продольная и поперечная относительные деформации, делением на базу S= 0,02 м:

4. Вычисляется коэффициент Пуассона

.

5. Вычисляется площадь поперечного сечения стержня-полосы А = bxh.

6. Вычисляется нормальное напряжение в точках поперечного сечения

.

7. Вычисляется модуль упругости

.

8. Сравните экспериментальные значения модуля упругости и коэффициента Пуассона с табличными значениями: Ет=2·105 МПа, т=0,3.

Соседние файлы в папке инж мех лабы