电测法在材料力学实验中的应用

邱志华（西藏大学农牧学院水利土木工程学院）



电测法在材料力学实验中的应用

邱志华
（西藏大学农牧学院水利土木工程学院）

【摘要】材料力学实验是课程教学中不可或缺的一个实践环节，而电测法对材料力学研究对象受外力作用下应力的分析有着重要的作用，也是实验中应用最广泛的方法。

【关键词】电测法；材料力学实验；应用

材料力学课程是工科专业的重要技术基础课程，而材料力学实验又是课程的重要组成部分。材料力学的基本理论是建立在连续性假设和均匀性假设上的，而判断理论以及计算的结果，则需要实验来检验。

材料力学主要研究的是构件在受到外力作用下的应力与变形，而电测法是实验应力分析中应用最普遍且效果更好的一种方法（它测量的精度高，范围广；应变片的尺寸小，粘结方便，对构件的应力分布影响小）。所以电测法在材料力学实验中有着极其重要的作用。

1　电测法的工作原理

电测法就是将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件（主要是电阻应变片）转换成电量的一种实验测量方法。它与其他传感器的测试技术相比，具有更高的测量灵敏度和测量精度。其最小应变为1με （με—微应变，1με=10-6ε）。在常温静态测量时，误差一般为1%～3%；动态测量时，误差在3%～5%范围内。

电测法又被称为应变电测法，其工作原理是用专用的粘结剂将电阻应变片贴在被测的结构构件表面，构件在受到外力的作用时，被测点会产生一个应变，应变片因感受构件测点的应变而发生电阻的改变，然后通过电阻应变仪转换成电信号，显示出静态应变值或是输出动态应变曲线给记录仪记录，再根据应变-应力关系确定构件表面应力状态达到实验对构件的应力分析。

2　电测法在材料力学实验中的运用

材料力学主要研究材料在外力的作用下材料变形和所受外力的关系，以及材料抵抗变形与破坏的能力。应力分析可以确定构件失效有关危险点的应力集中部位和应力峰值。应力分析的方法主要有解析法、数值法和实验法。在材料力学中，对于单个简单的构件，一般运用实验法，即在构件的原型或模型上，应用各种实验方法测得构件的应力分布状态和主应力值。在实验应力分析的方法中电阻应变计测量技术应用较为普遍，精确度高，传感元件小和测量范围广。在材料力学实验中，运用电测法可以分析得到纯弯曲梁的正应力、弯扭组合的主应力、测量弹性模量和泊松比等。

2.1电测法分析纯弯曲梁的正应力

整个电测实验仪器有纯弯曲梁的组合装置（如图1）以及力&应变综合参数测试仪。

图1　纯弯曲梁装置

在外力作用下梁横截面的应力分布值通过横截面上的应变片变化和应变计电桥的应用输出计算得到。为了测量梁在纯弯曲时横截面上正应力的分布规律，在梁的纯弯曲段沿梁上下面和侧面不同高度，平行于轴线贴上电阻应变片。（装置的计算简化图如图2）。

图2　应变片在梁中的位置

实验可采用全桥接、半桥接和四分之一桥接方法，采用不同的电路桥接，输出的应变值与实际的应变值有相应的倍数关系。实验采用等量逐级加载法，即每增加等量的载荷△P，加载后电阻应变片的电阻变化转换成电量信号，通过静态电阻应变仪输出，即可记录应变值。根据测得的各点实际应变值εi，求出应变增量平均值△εi，代入胡克定律计算各点的实验应力值（其中1με=10-6ε）：

σi=E△εi×10-6

通过实验方法来验证理论的弯曲正应力公式。

2.2电测法分析弯扭组合构件的主应力

在材料力学构件中，有些构件在外力作用下的变形不是只有一种变形，有几种变形的称为组合变形。以下的薄壁圆筒构件（如图3）在受到向下的拉力作用时，圆筒发生弯曲和扭转组合变形。

图3　弯扭组合装置

圆筒的表面处于平面应力状态下时，由于它的主应力方向无法判断，故应力的分析采用电阻应变片测量法。应变花是把几个敏感栅制成夹角形式，组合在同一基片上，通过电测实验得到三个方向的应变值，根据这三个应变值确定出主应力的大小和方向。

本实验用的是45°应变花，应变花上三个应变片的α角分别为-45°、0°、45°，测得应变ε-45°、ε0°、ε45°，然后运用应变-应力换算关系求出主应力的大小和方向，该点主应力大小和方向分别为：

3　结束语

材料力学研究的主要对象是单个的杆件，杆件在外力的作用下会发生变形。变形的基本形式有四种，分别为：轴向拉伸或是轴向压缩、剪切、扭转和弯曲。

基于电测法的基本原理，本文简单介绍了利用电测法来分析构件弯曲和扭转组合变形时的应力分布情况。电测法还可以加强大家对电阻应变片和电桥原理的认识，以及针对实验进行桥路组合的能力。电测法也是重要的实验应力分析法，对材料力学理论的验证和应力的监测有着重要的作用。●

【参考文献】

［1］孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2002.8.

［2］关莹.材料力学实验指导书［M］.黄河水利出版社，2012.6.

［3］温州大学建筑与土木工程学院编写组.土木工程实验-实验指导书［M］.北京：科学出版社，2012.3.

［4］袁海庆.材料力学［M］.武汉理工，2014.3.

［5］戴福隆.实验力学［M］.清华大学出版社，2010.7.

［6］秦莲芳.基础力学实验［M］.北京航天航空大学出版社，2015.1.