電測法在材料力學實驗中的應用

邱志華（西藏大學農牧學院水利土木工程學院）

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電測法在材料力學實驗中的應用

邱志華
（西藏大學農牧學院水利土木工程學院）

【摘要】材料力學實驗是課程教學中不可或缺的一個實踐環節，而電測法對材料力學研究對象受外力作用下應力的分析有著重要的作用，也是實驗中應用最廣泛的方法。

【關鍵詞】電測法；材料力學實驗；應用

材料力學課程是工科專業的重要技術基礎課程，而材料力學實驗又是課程的重要組成部分。材料力學的基本理論是建立在連續性假設和均勻性假設上的，而判斷理論以及計算的結果，則需要實驗來檢驗。

材料力學主要研究的是構件在受到外力作用下的應力與變形，而電測法是實驗應力分析中應用最普遍且效果更好的一種方法（它測量的精度高，范圍廣；應變片的尺寸小，粘結方便，對構件的應力分布影響小）。所以電測法在材料力學實驗中有著極其重要的作用。

1　電測法的工作原理

電測法就是將物理量、力學量、機械量等非電量通過敏感元件（主要是電阻應變片）轉換成電量的一種實驗測量方法。它與其他傳感器的測試技術相比，具有更高的測量靈敏度和測量精度。其最小應變為1με （με—微應變，1με=10-6ε）。在常溫靜態測量時，誤差一般為1%～3%；動態測量時，誤差在3%～5%范圍內。

電測法又被稱為應變電測法，其工作原理是用專用的粘結劑將電阻應變片貼在被測的結構構件表面，構件在受到外力的作用時，被測點會產生一個應變，應變片因感受構件測點的應變而發生電阻的改變，然后通過電阻應變儀轉換成電信號，顯示出靜態應變值或是輸出動態應變曲線給記錄儀記錄，再根據應變-應力關系確定構件表面應力狀態達到實驗對構件的應力分析。

2　電測法在材料力學實驗中的運用

材料力學主要研究材料在外力的作用下材料變形和所受外力的關系，以及材料抵抗變形與破壞的能力。應力分析可以確定構件失效有關危險點的應力集中部位和應力峰值。應力分析的方法主要有解析法、數值法和實驗法。在材料力學中，對于單個簡單的構件，一般運用實驗法，即在構件的原型或模型上，應用各種實驗方法測得構件的應力分布狀態和主應力值。在實驗應力分析的方法中電阻應變計測量技術應用較為普遍，精確度高，傳感元件小和測量范圍廣。在材料力學實驗中，運用電測法可以分析得到純彎曲梁的正應力、彎扭組合的主應力、測量彈性模量和泊松比等。

2.1電測法分析純彎曲梁的正應力

整個電測實驗儀器有純彎曲梁的組合裝置（如圖1）以及力&應變綜合參數測試儀。

圖1　純彎曲梁裝置

在外力作用下梁橫截面的應力分布值通過橫截面上的應變片變化和應變計電橋的應用輸出計算得到。為了測量梁在純彎曲時橫截面上正應力的分布規律，在梁的純彎曲段沿梁上下面和側面不同高度，平行于軸線貼上電阻應變片。（裝置的計算簡化圖如圖2）。

圖2　應變片在梁中的位置

實驗可采用全橋接、半橋接和四分之一橋接方法，采用不同的電路橋接，輸出的應變值與實際的應變值有相應的倍數關系。實驗采用等量逐級加載法，即每增加等量的載荷△P，加載后電阻應變片的電阻變化轉換成電量信號，通過靜態電阻應變儀輸出，即可記錄應變值。根據測得的各點實際應變值εi，求出應變增量平均值△εi，代入胡克定律計算各點的實驗應力值（其中1με=10-6ε）：

σi=E△εi×10-6

通過實驗方法來驗證理論的彎曲正應力公式。

2.2電測法分析彎扭組合構件的主應力

在材料力學構件中，有些構件在外力作用下的變形不是只有一種變形，有幾種變形的稱為組合變形。以下的薄壁圓筒構件（如圖3）在受到向下的拉力作用時，圓筒發生彎曲和扭轉組合變形。

圖3　彎扭組合裝置

圓筒的表面處于平面應力狀態下時，由于它的主應力方向無法判斷，故應力的分析采用電阻應變片測量法。應變花是把幾個敏感柵制成夾角形式，組合在同一基片上，通過電測實驗得到三個方向的應變值，根據這三個應變值確定出主應力的大小和方向。

本實驗用的是45°應變花，應變花上三個應變片的α角分別為-45°、0°、45°，測得應變ε-45°、ε0°、ε45°，然后運用應變-應力換算關系求出主應力的大小和方向，該點主應力大小和方向分別為：

3　結束語

材料力學研究的主要對象是單個的桿件，桿件在外力的作用下會發生變形。變形的基本形式有四種，分別為：軸向拉伸或是軸向壓縮、剪切、扭轉和彎曲。

基于電測法的基本原理，本文簡單介紹了利用電測法來分析構件彎曲和扭轉組合變形時的應力分布情況。電測法還可以加強大家對電阻應變片和電橋原理的認識，以及針對實驗進行橋路組合的能力。電測法也是重要的實驗應力分析法，對材料力學理論的驗證和應力的監測有著重要的作用。●

【參考文獻】

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