最新华中科技大学工程力学实验理论课1概要课件PPT.ppt 65页

'华中科技大学工程力学实验理论课1概要 内容概述：本门课程共16个学时，其中理论课4个学时，实验课12学时实验一理论力学实验，振动基础实验实验二金属材料的扭转实验实验三金属材料的拉伸与压缩实验实验四电阻应变片的粘贴与应变测量实验五梁的弯曲正应力测量与位移互等定理验证实验六薄壁圆筒的弯扭组合变形实验2 时间安排：第二周：理论课（实验一，实验二，实验三）第3周—第8周，实验一、二、三第九周理论课（实验四，实验五，实验六)第10周—第16周，实验四、五、六17周或18周考试最后成绩设定：平时成绩70%，考试30%要求：每次实验前做好预习，实验后认真写实验报告3 一、实验目的用瞬态激振法测定梁的各阶固有频率。二、实验原理机械运动：指物体在平衡位置附近所作的具有周期性的往复运动。任何具有弹性的结构物或机器的各组成部分，如离开其平衡位置后就会发生振动。周期：指物体在平衡位置附近完成一次往复运动的时间。频率：单位时间内完成往复运动的次数。固有频率：物体做自由振动时，其位移随时间按正弦或余弦规律变化，振动的频率与初始条件无关，而仅与系统的固有特性有关（如质量、形状、材质等），称为固有频率，其对应周期称为固有周期1-4测定梁的各阶固有频率7 实验装置及仪器框图如图所示。通过变换支承块可改变梁的支承结构，移动支架的位置可改变梁的长短，因此该装置不仅可作为简支、固支系统，还可作为一端自由的悬臂系统。传感器支承块试件数据采集及分析电荷放大器测振仪力锤基座支架bla实验装置及仪器框图b梁模型8 试件是一组矩形截面梁，从理论上说，它应有无限个固有频率。如果给梁一个大小合适的瞬态力，相当于用所有频率的正弦信号同时激励。使用锤击进行瞬态激励时，要求响应时间T<2p/w，这里的w是感兴趣的频率上限。梁因敲击产生的振动信号由速度传感器获取并将其转换为与速度信号成正比的电信号，该信号通过测振仪放大后输出给数据采集分析仪。9 两端简支梁f1=26.250;f2=108.75;f3=241.2510 两端固支梁f1=31.250,f2=111.25,f3=223.7511 1-2单自由度弹簧质量系统的刚度和固有频率测定理论力学多功能实验台实验目的1．测定单自由度系统的等效刚度k。2．计算弹簧质量振动系统的固有频率fn12 实验原理由弹簧质量组成的振动系统，在弹簧的线性变形范围内，系统的变形和所受到的外力的大小成线性关系。据此，施加不同的力，得到不同的变形，由此计算系统的刚度k和固有频率fn。13 1-3用“三线摆”法验证均质圆盘转动惯量理论公式实验目的了解并掌握用“三线摆”方法测取物体转动惯量的方法。分析“三线摆”摆长对测量的误差。三线摆示意图实验原理：给摆一个微小偏转，然后自由释放，摆会产生扭振，摆动周期和摆长，圆盘转动惯量有关。设圆盘质量为m，当它向某个方向转动时，圆盘的最大转角qmax14 式中：Jc为圆盘对质心的转动惯量；m为圆盘质量；l为摆线长；r为悬线到转轴的距离；T为圆盘的摆动周期。rθ=lf，rθmax=lφmaxθ=θmaxsinωnt，圆盘扭转时最大动能：圆盘扭转时最大势能：15 圆盘的转动惯量理论值：注意事项：1.不规则物体的轴心应与圆盘中心重合。2.摆的初始角应小于或等于5°。3.两个摆的线长应一致。4.实际测试时，不应有较大幅度的平动。圆盘的转动惯量测量值：16 实验二、金属材料的扭转实验一、实验目的1.测定低碳钢（或铝合金）的切变模量G。4.观察并分析不同材料在扭转时的变形和破坏现象。3.测定低碳钢的屈服点ts或上屈服点tsu、下屈服点tsL和抗扭强度tb扭转试样2.测定铸铁的抗扭强度tb。17 二、设备和仪器1.RNJ-500微机控制电子扭转试验机1单片机测控箱2固定夹具3活动夹具4减速箱5导轨工作平台6手动调整轮7伺服电机8机架图附1-5-1RNJ－500型微机控制扭转试验机示意图18 扭转试验机测量系统组成图试验机测量系统主要由扭矩传感器、小角度扭角仪、光电编码器、单片机系统、计算机、网络打印机等组成，如图1-5-2所示。在试样承受扭矩时，产生扭转变形，标距间的扭转角由小角度扭角仪获得，同时通过光电编码器获取活动夹具的转动角度。这样，单片机系统将相应的扭矩、标距间扭转角以及活动夹具的转动角度信号分别进行放大，并作数字化处理后的结果通过RS-232传递给计算机系统，计算机系统对接受的数据按用户要求分别绘制出相应的测试曲线，并将最后试验结果输出。19 三、测量原理材料的切变模量G是在扭转过程中，线弹性范围内切应力和切应变之比。切变模量G是计算构件扭转变形的基本参数，可采用逐级加载法或图解法测定。1、测G(逐级加载法)先通过试验机采用手动形式施加初始扭矩T0，然后采用等增量加载，加载五次，第i次加载后扭矩按照定义：式中：为小角度扭角仪的测量标距；为试样截面对圆心的极惯性矩。20 也可以采用最小二乘法计算切变模量G。或者：标距间相对扭转角由试验机提供的小角度扭角仪测量获得，记录每级载荷下的扭转角。各级加载过程中的切变模量为：取平均值：21 拉伸时有明显屈服现象的金属材料（如低碳钢）在扭转时同样有屈服现象。通常T-j曲线有两种类型，如图。扭矩保持恒定而扭转角仍持续增加（曲线出现平台）时的扭矩称为屈服扭矩，记作TS图a），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为屈服点，记作tS2测屈服点及抗扭强度（低碳钢、铸铁）有明显屈服现象的T-曲线22 在屈服阶段，扭矩首次下降前的最大扭矩称为上屈服扭矩，按弹性扭转公式计算所得的切应力称为上屈服点：屈服阶段中的最小扭矩称为下屈服扭矩（不加说明时即指下屈服扭矩），按弹性扭转公式计算所得的切应力称为下屈服点：23 试样在断裂前所承受的最大扭矩，按弹性扭转公式计算得抗扭强度，从自动记录的曲线上读取试样断裂前的最大扭矩，按下式计算抗扭强度：铸铁：低碳钢：铸铁扭转曲线低碳钢的扭转曲线24 铸铁扭转破坏断口低碳钢扭转破坏断口25 低碳钢（Q235钢）和铸铁的拉伸实验一、实验目的：1．测定低碳钢（Q235钢）的强度性能指标：上屈服强度，下屈服强度和抗拉强度。2．测定低碳钢（Q235钢）的塑性性能指标：断后伸长率和断面收缩率。3．测定铸铁的强度性能指标：抗拉强度。4．观察、比较低碳钢（Q235钢）和铸铁两种材料的力学性能、拉伸过程及破坏现象。5.学习试验机的使用方法。实验三、低碳钢和铸铁的拉伸和压缩实验26 二、设备和仪器1．材料试验机（见下图）。2．电子引伸计（见下图）。3．游标卡尺。27 28 29 30 31 三、试样国标GB/T228－2002“金属材料室温拉伸试验方法”中规定:对金属拉伸试样通常采用圆形和板状两种试样，如图所示。它们均由夹持、过渡和平行三部分组成。平行部分中测量伸长用的长度称为标距。受力前的标距称为原始标距，记作L0，通常在其两端划细线标志。本次实验采用d0=10mm,原始标距等于5d0的圆形截面短比例试样。l0lbh(a)(b)32 四、实验原理低碳钢（Q235钢）的拉伸实验（图解方法）将试样安装在试验机的上下夹头中，引伸计装卡在试样上，启动试验机对试样加载，试验机将自动绘制出载荷位移曲线（F-ΔL曲线），如图。观察试样的受力、变形直至破坏的全过程，可以看到低碳钢拉伸过程中的四个阶段（弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和局部变形阶段）。33 上屈服强度下屈服强度抗拉强度式中：A0为试样原始横截面面积。34 测量断后的标距部分长度Lu和颈缩处最小直径du，按以下两式计算其主要塑性指标：断后伸长率式中：L0为试样原始标距长度,工程上把δ>5%的材料称为塑性材料，把δ<5%的材料称为脆性材料断面收缩率式中A0和Au分别是试样原始横截面积和断后最小横截面积35 移位法测定断后标距长度如果断口到邻近标距端距离小于或等于L0/3，就需要用移位法测定断后标距长度，因为断口附近发生严重的塑性变形，近的一端的颈缩端就只有一部分在标距长度内,如果直接测量，塑性伸长量就小。36 铸铁的拉伸实验铸铁拉伸时没有屈服阶段，拉伸曲线微微弯曲，在变形很小的情况下即断裂，断口为平端口。因此对铸铁只能测得其抗拉强度，即铸铁的抗拉强度远低于低碳钢的抗拉强度△LFFb0图1-4铸铁拉伸37 低碳钢（Q235钢）和铸铁的压缩实验一、实验目的1．测定低碳钢（Q235）的压缩屈服点σsc和铸铁的抗压强度σbc。2．观察、分析、比较两种材料在压缩过程中的各种现象。二、设备和仪器1．材料试验机。2．游标卡尺。38 三、试样一般细长杆压缩时容易产生失稳现象，因此在金属压缩实验中常采用短粗圆柱形试样。其公差、表面粗糙度、两端面的平行度和对试样轴线的垂直度在国标GB/T7314-2005中均有明确规定。目前常用的压缩实验方法是两端平压法。由于试样两端面不可能理想地平行，实验时必须使用球形承垫（见图），39 试样应置于球形承垫中心，藉球形承垫自动调节实现轴向受载。由于试样的上下两端与试验机承垫之间会产生很大的摩擦力，它们阻碍着试样上部及下部的横向变形，导致测得的抗压强度较实际偏高。当试样的高度相对增加时，摩擦力对试样中部的影响就会相应变小，因此抗压强度与比值ho／do有关.同时考虑压杆的稳定性因素，为此国家标准对试样高度ho与直径do之比规定在1～3的范围内。本次实验采用φ10×15的圆柱形试样。40 四、实验原理试验时对试样缓慢加载，试验机自动绘出试验力F—位移ΔL曲线。低碳钢试样压缩图如图1-5b所示。暂时的恒定值或减小的最小值即为压缩屈服载荷FSC。有时屈服阶段出现多个波峰波谷，则取第一个波谷之后的最低载荷为压缩屈服载荷FSC随着塑性变形的增长，试样横截面相应增大，增大了的截面又能承受更大的载荷。试样愈压愈扁，甚至可以压成薄饼形状（如图1-5a所示）而不破裂，因此测不出抗压强度。41 铸铁试样压缩图如图1-6a所示，其开始时接近于直线，以后曲率逐渐增大，载荷达最大值Fbc后稍有下降，然后破裂，能听到沉闷的破裂声。铸铁试样破裂后呈鼓形，破裂面与轴线大约成45°，如图1-6b所示，这主要是由切应力造成的。42 低碳钢压缩,愈压愈扁铸铁压缩,约45开裂43 实验原理渐加载荷、突加载荷、冲击载荷和振动载荷是常见的四种载荷。将不同类型的载荷作用在同一台秤上，可以方便地观察到各自的作用力与时间的关系曲线，进行相互比较，可清楚地了解不同类型的载荷对承载体的作用力是不同的。附比较渐加、突加、冲击和振动四种不同类型载荷44 渐加载荷:将重物缓慢、渐渐地倒入台秤上的托盘中；振动载荷:打开偏心振动装置上的电源开关，然后轻轻置于台秤的托盘上。仔细观察台秤指针的运动。冲击载荷:再将沙袋拎起至某一高度（如5cm）后自由释放，沙袋对台秤造成一定的冲击，仔细观察台秤指针的变化；突加载荷:当重物刚好接触托盘时突然释放，实现突加载荷特征，仔细观察台秤指针的变化；(最大晃动量应该等于显示值)45 “空间与图形”的教学实践与策略琼海市小学教研室许志坚 一、什么是空间观念？如果要刻画一个图形需要刻画它的特征，所以要学习图形的认识；需要刻画它的大小，所以要学习图形的测量；需要刻画它的位置，这个正方形跟那个正方形形状和大小是一样的，但是一个在这个地方，另一个在那个地方，那就要刻画它们的位置，所以要学习图形与位置；需要刻画它的运动，所以要学习图形的变换。 空间观念主要表现在：能由实物的形状想象出几何图形，由几何图形想象出实物的形状，进行几何体与其三视图、展开图之间的转化；能根据条件做出立体模型或画出图形；能从较复杂的图形中分解出基本图形；能描述实物或几何图形的运动和变化；能采用适当的方式描述物体间的位置关系；能运用图形形象地描述问题，利用直观来进行思考。 具体分析，有这么几个角度：第一，就是转化，这个转化既包括二维和三维的转化，也包括现实生活与抽象图形之间的转化过程。第二，就是制作，或者画出来。有了图形以后，怎么去把它表达出来，无论是制作模型还是画出来。第三，就是分析。从复杂图形中去分解基本图形，在分析的过程中去体会图形的特征。第四，就是想象。既包括描述和想象物体或图形的运动变化，也包括描述和想象物体或图形的位置关系。第五，就是图形直观的作用。 “空间与图形”的教育价值在于：（1）“空间与图形”的学习，有助于学生认识和理解人类的生活空间。（2）“空间与图形”的学习，有助于培养学生的创新精神。（3）“空间与图形”的学习，有助于学生获得必须的知识和必要的技能，并初步发展空间观念、学会推理。（4）“空间与图形”的学习，有助于促进学生全面、持续、和谐的发展。 培养学生的空间观念（1）结合学生的生活经验，为学生提供多种素材进行探究活动。（2）要重视观察、操作、想象、推理、表达的结合。（3）根据学生实际发展空间观念。（4）图形的认识、图形的变换、图形的位置、图形的测量对培养学生空间观念都有着重要价值，应将四部分有机结合。（5）要时刻把握几何直观的培养，要有图形意识。直观上、整体上认识图形和空间，多装一些具体的东西在学生头脑中。 二、小学数学“空间与图形”知识梳理 三、“空间与图形”教学策略体验教学（一）创设情境，让学生在情境中体验，在自主建构中丰富空间观念。在教学中，我们只要把教材与现实生活有机的结合起来，就能使学生体会到数学离不开生活，体会到数学的用途。 1、提供“玩”的机会，让学生在玩耍中体验。心理学研究结果表明：促进人们素质、个性发展的最主要途径是人们的实践活动，而“玩”正是儿童这一年龄阶段特有的实践活动形式。（二）提供机会，让学生在实践中体验。 2、提供“做”的机会，让学生在操作中体验。“做”就是让学生动手操作，通过操作，可以使学生获得大量的感性知识，同时也还有助于提高学生的学习兴趣，激发学生的求知欲。因此，多让学生动手操作，创造一个愉悦的学习氛围，是提高教学效果的重要环节，也是学生体验学习和发展空间观念的一种方式。（二）提供机会，让学生在实践中体验和发展空间观念。 （二）提供机会，让学生在实践中体验。3、提供“表达”的机会，让学生在描述中体验。 （三）回归生活，让学生在应用中体验，在拓展和运用新知提升空间观念。《新课标》中指出，要使学生在活动中和现实生活中学习数学，发展数学。要通过解决实际遇到的问题，培养学生初步的逻辑思维能力，运用数学思维、方法，进一步分析解决问题的能力；在数学应用过程中，培养学生的创新意识；让数学回归生活，并获得学有所用的积极情感体验。 操作感知学习策略皮亚杰曾说：“数学的抽象乃是属于操作性质的，它的发生发展要经过连续不断的阶段。而最初的来源又是十分具体的行动。”因小学生的年龄特点和认知规律（动作感知——建立表象——形成概念），决定小学生的数学学习离不开操作感知的学习策略。因此教师要根据教学内容积极创造条件，组织学生动手操作，以此来参与知识的形成过程，使他们在亲身体验和合作研讨中认识和感悟数学，理解和掌握基本的数学知识和基本技能，并发展学生的思维，提高实践能力。 实验探究学习策略实验探究学习策略主要是指学生在实验中通过一定的操作程序，去发现隐藏在活动过程中的数学规律。教师作为学生学习的促进者，虽然不能控制学生实验探究的结果，但适时的引导、鼓励和监控也是必要的。 迁移类推学习策略迁移类推策略是学生在数学学习中广泛应用的学习策略，特别是那些与旧知识联系比较紧密的新知识的学习更是离不开迁移和类推。平行四边形的面积： 三角形的面积： 对比变式学习策略1．对比区别，形成系统几何概念的混淆是小学生普遍存在的问题。因此，为了帮助学生建立清晰的概念，教学中要注意既要找出同类形体的基本特征，又要将相似的几何形体加以区别。让学生掌握形体间的内在联系，使知识系统化。 2．运用变式，把握实质在教学中有些概念的实质学生难以理解，因此，要设计一些变式的练习，让学生加以辨析。对比变式学习策略 空间与图形教学的关键词：观察操作猜测想象推理体验表达 谢谢！'