实验力学.ppt

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1、实验力学实验力学刘彦菊刘彦菊理学楼理学楼537537TEL:86414825;13936515145TEL:86414825;13936515145E-MAIL:YJ_LIUHIT.EDU.CNE-MAIL:YJ_LIUHIT.EDU.CN1.1.总总 学学 时：时：50502.2.讲课学时：讲课学时：20203.3.实验学时：实验学时：30304.4.先修课程：材料力学、理论力学、弹性力学、结先修课程：材料力学、理论力学、弹性力学、结构动力学构动力学考核方式：实验成绩考核方式：实验成绩60%60%，期末考试成绩：，期末考试成绩：40%40%。课程安排课程安排授课学时：授课学时：2020起止周

2、次：起止周次：11-1511-15周周上课时间：周二上课时间：周二3-43-4节，周四节，周四3-43-4节节上课地点：正心上课地点：正心316316考试时间：考试时间：2020周周 周五（周五（7 7月月1313日）日）1313：45-1545-15：4545考试教室：致知考试教室：致知2121实验学时：实验学时：3030（七个实验）（七个实验）起止周次：起止周次：13131919周周教材及参考书：教材及参考书：1.1.实验力学实验力学，盖秉正主编，盖秉正主编，20062006年年2.2.实验力学实验力学，尹协振、续伯钦、张寒虹主编，尹协振、续伯钦、张寒虹主编，高等教育出版社，高等教育出版社

3、，20112011年年3.3.工程实验力学工程实验力学，计欣华、邓宗白等编著，机，计欣华、邓宗白等编著，机械工业出版社，械工业出版社，20052005年年4.4.实验力学实验力学，戴福隆、沈观林、谢惠民主编，戴福隆、沈观林、谢惠民主编，清华大学出版社，清华大学出版社，20102010年年课程内容（实验部分）课程内容（实验部分）1.1.复杂应力电测实验复杂应力电测实验,6,6学时，第学时，第1313周，周，L0427L04272.2.应变式传感器制作，应变式传感器制作，6 6学时，第学时，第14-1914-19周，周，L0427L04273.3.动态应变测量实验，动态应变测量实验，4 4学时，第

4、学时，第1515周，周，L0022L00224.4.光弹实验光弹实验,4,4学时，第学时，第1616周，周，L0415L04155.5.云纹、散斑干涉实验，云纹、散斑干涉实验，4 4学时，第学时，第1717周，周，L0415 L0415 6.6.纳米压痕实验纳米压痕实验,2,2学时，第学时，第1818周，周，L0414L04147.7.疲劳、断裂实验疲劳、断裂实验,4,4学时，第学时，第1919周，周，L0002L0002、L0023L0023第一章第一章 绪论绪论1实验力学的任务与作用实验力学的任务与作用2实验力学中的基本方法实验力学中的基本方法3实验力学的发展概况实验力学的发展概况一、实验

5、力学的任务与作用一、实验力学的任务与作用实验力学是用实验的方法对结构进行力学分实验力学是用实验的方法对结构进行力学分析的一门学科。析的一门学科。以结构物的原型或模型为研究对象，通过对以结构物的原型或模型为研究对象，通过对力学、物理量的测量来揭示其力学性态和变力学、物理量的测量来揭示其力学性态和变化规律。化规律。为理论研究提供验证，优化工程设计方案，为理论研究提供验证，优化工程设计方案，对工程结构进行失效分析对工程结构进行失效分析F-15凌空解体凌空解体(2007)波音波音737疲劳损坏疲劳损坏(2012)A380翼肋托架疲劳裂纹翼肋托架疲劳裂纹(2011)甬温线特别重大铁路交通事故甬温线特别重

6、大铁路交通事故(2011)意大利豪华邮轮触礁侧翻意大利豪华邮轮触礁侧翻(2012)上海在建楼房倒塌事故上海在建楼房倒塌事故(2009)载荷情况：载荷情况：载荷形式载荷形式 静、动静、动 载荷大小载荷大小材料材料结构形式结构形式支撑形式支撑形式环境：环境：动力、风、水动力、风、水温度、磁场温度、磁场运动状态：运动状态：位移、位移、速度、速度、加速度加速度变形：变形：应力、应力、应变应变材料：材料：材料性能材料性能 疲劳强度疲劳强度 断裂性能断裂性能结构：结构：固有频率固有频率阻尼、刚度阻尼、刚度强度强度船舶船舶建筑建筑飞行器飞行器安全性安全性可靠性可靠性稳定性稳定性海上钻井平台的结构健康在线监测

7、海上钻井平台的结构健康在线监测波音波音787的全尺寸疲劳试验的全尺寸疲劳试验波音波音787的模拟机翼试验件疲劳试验的模拟机翼试验件疲劳试验翼盒是将机翼与机身相连接的悬臂梁，能支撑前缘和后缘翼盒是将机翼与机身相连接的悬臂梁，能支撑前缘和后缘装置、操纵舵面、发动机以及起落架。试验结构件为机翼装置、操纵舵面、发动机以及起落架。试验结构件为机翼段的一部分，即从飞机中部到大约翼展的一半处，长度约段的一部分，即从飞机中部到大约翼展的一半处，长度约为为5050英尺（英尺（15.215.2米）的结构。试验件最宽处长约米）的结构。试验件最宽处长约1818英尺英尺（5.55.5米）。米）。为了达到认证要求，机翼必

8、须能承受相当于最大气动载荷为了达到认证要求，机翼必须能承受相当于最大气动载荷1.51.5倍，即倍，即150%150%的载荷。的载荷。东方明珠电视塔抗震模型试验东方明珠电视塔抗震模型试验 （破坏部位、破坏形式、抗震能力）（破坏部位、破坏形式、抗震能力）二、实验力学中的基本方法二、实验力学中的基本方法直接法直接法间接法间接法比拟法比拟法机械引伸计法机械引伸计法电测法电测法脆性涂层法脆性涂层法莫尔法莫尔法光测法光测法声测法声测法X射线法射线法薄膜比拟法薄膜比拟法流体比拟法流体比拟法电网比拟法电网比拟法电场比拟法电场比拟法直接法直接法-引伸计法引伸计法直接法直接法-电阻应变测量电阻应变测量 传感器是借

9、助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。换成电信号的装置。如电阻应变计把外界输入的应变如电阻应变计把外界输入的应变 （非电信号）（非电信号）转换成电阻信号的装置。转换成电阻信号的装置。电阻应变计电阻应变计电阻应变计电阻应变计电阻应变仪，电桥电阻应变仪，电桥电电 桥桥 盒盒DViBC显显示示记记录录仪仪放放大大器器案例：案

10、例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量电阻应变计电阻应变计应变传感器应变传感器动应变测量实例动应变测量实例 润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成润扬长江公路大桥，是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特大桥梁，于的组合型特大桥梁，于20002000年年1010月月2020日开工，日开工，20052005年年4 4月月3030日建成日建成通车，总投资通车，总投资5858个亿，该桥全长为个亿，该桥全长为35.6635.66公里，桥面平均宽公里，桥面平均宽31.531.5米米（行车道宽（行车道宽3030米），全线采用双向六车道高速公路标准设计的，米），全线采用双向六车道高速公路标准设计

11、的，设计车速度设计车速度100100公里公里/小时。小时。动应变测点照片动应变测点照片应应变变测测点点照照片片直接法直接法-脆性漆层法脆性漆层法在被研究的物体表面涂上一层特殊的漆料，当在被研究的物体表面涂上一层特殊的漆料，当应力作用时，某点的变形达到一定的数值后，应力作用时，某点的变形达到一定的数值后，漆层即沿着与最大主应力垂直的方向裂开，根漆层即沿着与最大主应力垂直的方向裂开，根据裂纹的出现顺序及方向，便可确定主应力的据裂纹的出现顺序及方向，便可确定主应力的数值。数值。直接法直接法-莫尔法（云纹法）莫尔法（云纹法）云纹（云纹（MoireMoire）是一）是一种物理现象。种物理现象。将两块相同

12、的丝绸物将两块相同的丝绸物重叠起来，对着明亮重叠起来，对着明亮的背景看去，可以看的背景看去，可以看到明显的黑白相间的到明显的黑白相间的条纹条纹云纹云纹【实验操作与现象】间接法间接法-光弹性方法光弹性方法间接法间接法-散斑法散斑法散斑：散斑：SpeckleSpeckle相干性好的激光照射在相干性好的激光照射在有漫反射表面的物体上，有漫反射表面的物体上，这些表面漫反射光犹如这些表面漫反射光犹如无数小的相干光源所发无数小的相干光源所发出的光，它们之间也是出的光，它们之间也是相干光，彼此之间也要相干光，彼此之间也要发生干涉，因而在物体发生干涉，因而在物体表面前边的空间形成了表面前边的空间形成了无数随机

13、分布的亮点和无数随机分布的亮点和暗点。暗点。三、实验力学的发展概况三、实验力学的发展概况18561856年，年，Kelvin&Thomson,Kelvin&Thomson,电阻应变片的基础电阻应变片的基础19541954年，年，SmithSmith，半导体压阻效应半导体压阻效应19571957年年,Manson&Thurston,Manson&Thurston,半导体应变片半导体应变片18161816年，年，David David BrensterBrenster，人工双折射现象人工双折射现象1919世纪中叶，纽曼世纪中叶，纽曼马克斯韦尔应力光学定律马克斯韦尔应力光学定律19361936年，年

14、，OppelOppel，三向光弹的应力冻结法三向光弹的应力冻结法19451945年，年，云纹法云纹法2020世纪世纪6060年代，全息干涉和全息光弹，激光散斑年代，全息干涉和全息光弹，激光散斑效应效应现在，结合计算机技术的各种数字化测试技术现在，结合计算机技术的各种数字化测试技术近代测试技术和方法近代测试技术和方法压痕法压痕法原子力显微镜、扫描隧道显微镜原子力显微镜、扫描隧道显微镜声发射技术声发射技术超声扫描技术超声扫描技术压痕示意图压痕示意图 PUnloadingLoading载荷载荷-位移曲线位移曲线h硬度硬度:杨氏模量杨氏模量:Oliver-Pharr方法：方法：压痕法压痕法SiC(ce

15、ramic)50035 mN16 nN100 nmDepth500 nm1002 mNLoadPE(polymer)ZWICK/ROELL公司的ZHU 2.5压痕仪器 纳米压痕实验结果纳米压痕实验结果纳米材料薄膜的粘结强度纳米材料薄膜的粘结强度原子力显微镜原子力显微镜三代显微镜的观察范围及典型物体三代显微镜的观察范围及典型物体 使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质。在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为八着重大的意义和广阔的前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。十年代世界十大科技成就之一。19861986年，年，STMSTM的发明者被授予诺贝尔物理学奖。的发明者被授予诺贝尔物理学奖。宾尼等人宾尼等人19861986年研制作成功的原子力显微镜（年研制作成功的原子力显微镜（AFMAFM）弥补了弥补了STMSTM的某些不足。的某些不足。葛宾尼(Gerd Binning)海罗雷尔(Heinrich Rohrer)普通名片纸和照片质量纸陶瓷膜表面形貌的三维图象