我們的目標是提供實驗教學的新方式,將材料力學實驗從實驗室搬到機房,使學生在局域網上也可以做拉伸、壓縮、扭轉等基本實驗,實現以“軟”代“硬”、以“虛”代“實”,再結合真實的實物實驗,從而更好地達到材料力學實驗教學的目的。
材料力學仿真實驗系統應具備實驗原理、實驗操作步驟和方法、模擬實驗、數據處理工具以及實驗報告指南等功能,系統涉及的實驗內容及其深度與廣度應符合《材料力學實驗》教學大綱的有關要求。具體內容考慮:1)與實驗原理相關的國家標準、規范以文本的形式插入;2)實驗操作步驟利用實際錄像以視頻的形式展現或者用數碼相機拍攝實驗主要過程圖片加以滾動的字幕表示;3)模擬手段包括:基于數據庫的互動3D動畫模擬,基于動態數學模型的仿真模擬,并通過控件實現對不同材料數據庫的調用和控制,以獲得和真實實驗一樣的操作結果;4)自動進行數據處理,包括實驗操作結果的自動生成記錄,數據的記錄與處理,實時加載曲線的繪制等。該系統基于Windows平臺,采用模塊化結構。各模塊相對獨立,可作為一個單獨的可執行文件來運行,組合后構成整體系統。各模塊出現故障可單獨進行調整,對系統整體的運行影響不大。
1)原理規范:介紹了每個實驗的基本原理,實驗依據,實驗設備和相應的取樣,操作程序,其形式為文本形式。學生可以初步掌握實驗的總體過程。
2)實驗步驟:實驗步驟是在實驗原理的基礎上,為剛開始使用本系統的學習者設計一個作為參考用的實驗指導步驟。它采用圖文混合方式,將實驗步驟具體到對每個實驗設備的個別操作,能有效地、快速地輔助學習者了解該實驗的操作過程,它是對實驗的總體指導,其步驟是規范和標準的。但本實驗步驟中的具體數值是為方便介紹所選,不具限制性。學習者在熟悉實驗步驟后,可根據自己的意愿調整各參數,獨立并自由地操作實驗。3)視頻演示:主要是部分相關實驗教學內容的錄像資料,采用真實的設備、素材進行實驗,以連續的活動圖像,真實、有序、同步、形象地實現實驗的全過程,主要用于學生的自學輔助。
4)模擬實驗:是整個軟件的核心,包含了拉伸、壓縮等互動實驗,在模擬實驗過程中,系統隨時對實驗步驟進行錯誤提示、修正,利用控件對實驗數據進行自動處理。通過模擬實驗,學生不僅可以掌握實驗過程、實驗原理,同時也能很好地掌握儀器設備的操作。
5)輔助教學和即時交流功能:學生在線上機操作過程中遇到的問題疑難點可以隨時與同學交流探討或向教師請教,教師也可以隨時發送測試題來檢查學生的掌握程度。
》材料力學虛擬教學實驗室
拉伸實驗
壓縮試驗
扭轉實驗
彈性模量與泊松比電測實驗
梁彎曲正應力電測實驗
彎扭組合及等強度梁電測實驗
》材料力學數值仿真實驗室
梁彎曲虛擬實驗影響因素分析
懸臂梁受力分析-材料力學
懸臂梁受力分析2-材料力學
截面中性線-材料力學
簡支梁受力分析-材料力學
梁彎曲Ansys數值仿真
材料力學實驗目錄
第一部分 基本實驗
一、 材料的基本力學性能實驗
實驗一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉時的力學性能
二、 材料彈性常數的測定
實驗二 工程材料彈性常數E、μ的測定
實驗三 鋼材切變模量G的測定
三、 梁應力與變形實驗
實驗四 直梁彎曲實驗
實驗五 梁變形實驗
四、 組合變形實驗
實驗六 偏心拉伸實驗
實驗七 彎扭組合實驗
第二部分 演示實驗
實驗八 薄壁圓筒壓縮失穩演示實驗
實驗九 光彈性演示實驗
實驗十 疲勞演示實驗
實驗十一 主動控制阻尼減緩演示實驗
第三部分 綜合實驗
實驗十二 薄壁復合梁實驗 1
第一部分 基本實驗
實驗一 材料在軸向拉伸、壓縮、扭轉時的力學性能
一、實驗要求
1. 測定低碳鋼在拉伸時的屈服極限、強度極限、延伸率和斷面收縮率；
2. 觀察低碳鋼和鑄鐵在拉伸時的各種現象；
3. 觀察低碳鋼和鑄鐵在壓縮時的各種現象；
4. 觀察低碳鋼和鑄鐵在扭轉時的各種現象;
5. 觀察試件的斷口特征，分析其破壞原因，建立強度概念。
二、實驗儀器和設備
1. 微機控制電子萬能試驗機；
2. 劃線機；
3. 引伸儀；
4. 游標卡尺。
三、實驗課安排
1、讓學生做出低碳鋼標準試件的拉伸應力——應變曲線，以加深對塑性材料在拉伸時四個階段力學性能特點的認識；
2、教師采用現場演示、講解與學生觀察、討論相結合的講授方法，使學生了解不同類型材料在拉伸、壓縮、扭轉時的不同力學性能；
3、集中分析斷口特點，使學生認識其破壞原因，從而建立強度概念。
2
實驗二 工程材料彈性常數的測定 ——電測法測鋼材彈性模量E和泊松比μ
——引伸儀測鋁材彈性模量E
一、實驗目的
1.電測法測量鋼材彈性模量E和泊松比μ；
2.用引伸儀測鋁材彈性模量E；
2.驗證單向拉伸虎克定律；
3.學習電測法的基本原理。
二、實驗儀器和設備
1. 微機控制電子萬能試驗機
2. 電阻應變儀
3. 引伸儀
4. 游標卡尺
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，材料的屈服極限360MPa。
矩形截面鋁試件，材料的屈服極限280MPa。
試件
實驗裝置
四、實驗原理和方法
電測法測定鋼材彈性常數E、μ, 一般采用比例極限內的拉伸試驗。材料在比例極限內服從虎克定律，其關系式為：
0APEii⋅ΔΔ=ε =μεε′
用引伸儀測鋁材的彈性常數E，要求精確地測量試件標距內的變形。其關系式為： AllPE⋅Δ⋅= 3
五、思考題
1. 如果試件上的應變片位置及角度貼得不準，對試驗結果有無影響？
2. 電測法測彈性模量E，提出最佳布片方案？
3. 本實驗的數據處理方法有什么優缺點？有無其他處理方法？
4
實驗三 鋼材切變模量的測定
一． 實驗目的
1．測定鋼材的切變模量G；
二． 實驗設備和器材
1．微機控制電子萬能試驗機；
2．扭角儀；
3．電阻應變儀；
4．百分表,游標卡尺。
三． 試件
中碳鋼圓軸試件，直徑d = 40mm, σs= 360MPa
四． 實驗方法
1．扭角儀測切變模量G
測量扭轉角的裝置如圖所示
實驗原理 G =pITLΦ
實驗扭轉角為：φ = bδ
δ——百分表桿移動距離
b——百分表桿觸點至試件軸的距離
2.電測法測切變模量G
實驗原理 G =0452εpWT−
通過電測法可測出450方向的正應變045ε
實驗貼片:在試件表面貼直角電阻應變花（如下圖）。
－45°
＋45°
測量方法：四分之一橋；二分之一橋；全橋。 5
實驗四 直梁彎曲實驗
一. 實驗目的：
1. 用電測法測定純彎梁橫截面上的正應變分布，并與理論計算結果進行比較。
2. 驗證純彎理論的兩個假設；
3. 學習電測法的多點測量。
二. 實驗設備：
1. 微機控制電子萬能試驗機；
2. 電阻應變儀。
三． 實驗試件：
本實驗所用試件為中碳鋼矩形截面梁，其橫截面設計尺寸為h×b
=(50×30)mm2 ( 圖1 ), 材料的屈服極限σs= 360MPa, 彈性模量E=210GPa。
圖1 實驗裝置圖
四.實驗原理：
梁受純彎曲時（見圖1），根據平面假設和單向受力假設，其橫截面上的正應力為線性分布，距中性層為 y 處的正應力和正應變分別為：
ZIyMy⋅=)(σ ZIEyMy⋅⋅=)(ε 6
實驗采用電測法，在梁純彎曲段某一橫截面A—B的不同高度（梁的頂面、底面、中性層及距中性層±15mm）處粘貼縱向電阻應變片（見圖1），并在梁的上下表面處粘貼橫向應變片。
實驗加載方案采用增量法，分別測得上述各點在載荷增量△P作用下的應變增量Δεi 。
五.思考題：
1.本次實驗采用的夾具有何要求？
2.按擬定好的加載方案，如何用互補半橋接線法測定最大彎曲正應變？
3.在試件A-B截面的上表面和下表面（圖1），沿縱軸方向分別再貼上R1’和R5’兩個應變片，按擬定好的加載方案，如何用全橋接線法測最大彎曲正應變？
4．如果已有兩個溫度補償片，在僅有R1和R1’或僅有R5和R5’兩個應變片的情況下，如何用全橋接線法組成對橋測量電路？請畫出接線圖。
5．安裝試件時應當注意什么問題？
7
實驗五 梁變形實驗
（1）簡支梁實驗
（2）懸臂梁實驗
（1）簡支梁實驗
一、 實驗目的：
1、簡支梁在跨度中點承受集中載荷P，測定梁最大撓度和支點處轉角，并與理論值比較；
2、驗證位移互等定理；
3、測定簡支梁跨度中點受載時的撓曲線（測量數據點不少于7個）。
P
fmax
θ
二、 實驗設備：
1、簡支梁及支座；
2、百分表和磁性表座；
3、砝碼、砝碼盤和掛鉤；
4、游標卡尺和鋼卷尺。
三、 試件及實驗裝置：
中碳鋼矩形截面梁，=sσ360MPa，E=210GPa。
實驗裝置圖 8
四、 實驗原理：
1、簡支梁在跨度中點承受集中載荷P時，跨度中點處的撓度最大；
2、梁小變形時，簡支梁某點處的轉角)(θθtg≈；
3、驗證位移互等定理部分請參照理論課教材的相關內容，自行確定實驗方案；
五、 思考題：
1、簡支梁非支點處的轉角是否可以通過本實驗測出？為什么？
2、驗證位移互等定理時，是否可在梁上任選兩點進行測量？
3、在測定梁撓曲線時，如果要求百分表不能移動，能否測出撓度曲線？怎樣測？
9
（2） 懸臂梁實驗
一. 實驗目的：
利用貼有應變片的懸臂梁裝置，確定黑色砝碼的質量m。
二.實驗設備：
1.懸臂梁支座；
2.電阻應變儀；
3.白色砝碼兩個，黑色砝碼一個，砝碼盤和掛鉤。
4.游標卡尺和鋼卷尺。
三.實驗試件及裝置：
中碳鋼矩形截面梁，屈服極限бs=360MPa,彈性模量E=210GPa。
RB
RA
mg
圖（1）實驗裝置示意圖
四.實驗原理：
在某一橫截面的上下表面A點和B點分別沿縱向粘貼電阻應變片。
加載方案采用重復加載，要求重復加載次數n≥4。ΔP = mg 。
由梁的彎曲正應力公式導出黑色砝碼重量mg的計算公式
lWEmgz⋅Δ⋅=ε
五.思考題：
1.如果要求只用梁的A點或B點上的電阻應變片，如何測黑色砝碼的質量？
2.如果要求梁A點和B點上的電阻應變片同時使用，如何測黑色砝碼的質量？
3.比較以上兩種方法，分析哪種方法實驗結果準確？
4.如果懸臂梁因條件所限只能在自由端端點處安裝百分表，如何測得懸臂梁自由端受載時的撓曲線。（要求測量點不少于5點）
10
實驗六 偏心拉伸實驗
一、實驗目的
1．測最大正應變maxε
2．測中碳鋼材料的彈性模量E
3．測構件的偏心距e
4．進一步學習電測方法
二、實驗設備
1．微機控制電子萬能試驗機；
2．電阻應變儀；
3．游標卡尺。
三、試件
中碳鋼矩形截面試件，（如圖所示）。
截面的名義尺寸為h×b = (7.0×30)mm2 ，σS = 360MPa。
四、實驗原理
在外載荷作用下，試件承受偏心拉伸，偏心距為e。在試件兩側面的a點和b點處分別沿試件縱向粘貼應變片Ra和Rb ,則：
εa =εp +εM +εt
εb =εp -εM +εt
式中： εp——軸力P產生的應變
εM——彎距M產生的應變
εt——溫度t產生的應變
通過不同的組橋方式即可將式中的εp+εM、εp及εM值分離出來，進一步求得最大正應變maxε，彈性模量E和偏心距e值。
思考題
1．材料在單向偏心拉伸時，分別有哪些內力存在。
2．用不同的組橋方式測εP時，哪種方式測量精度高。 11
實驗七 彎扭組合試驗
一． 實驗目的
1． 用電測法測定平面應力狀態下一點處的主應力大小和主平面的方位；
2． 測定彎扭組合變形桿件中，分別由彎矩和扭矩引起的應變，并確定該截面上彎矩、扭矩的數值；
3． 學習電阻應變花的應用。
二． 實驗儀器和設備
1． 微機控制電子萬能試驗機；
2． 電阻應變儀 ；
三． 試驗裝置
彎扭組合試驗裝置如圖所示，中碳鋼材料屈服極限sσ＝360MPa，彈性模量E＝206GPa，泊松比μ＝0.28。
實驗裝置圖
四． 實驗原理
圓軸試件的一端固定，另一端通過一拐臂（l1＝150mm）承受集中荷載P，圓軸處于彎扭組合變形狀態，在軸某一橫截面A－B(l2＝150mm)的上、下兩點沿0°和±45°方向貼電阻應變片。
本次實驗采用三軸直角應變花，沿θa＝－45°、θb＝0°、θc＝+45°粘貼，測得以上三個方向的線應變值，根據材料力學公式：12
αγαεεεεεα2sin22cos22xyyxyx+−++= （1）
可求得εx、εy、γxy。
再根據廣義虎克定律、主應力計算公式和主平面方位角計算公式，即可得到某點處主應力的大小和主平面的方位。
構件受彎矩M和扭矩MT作用，其表面的任一點皆為平面應力狀態。
任一截面彎矩、扭矩的測試方法如下：
彎矩測量
以某截面上應力最大的上點或下點作為測量點。因為軸向應力бx由彎矩M引起，故應利用沿X方向的應變片，由于
бx＝EεX＝M／WZ
故 M＝EWZε0
式中ε0的測量可用1/4橋接法，也可采用半橋接法。
扭矩測量
剪應力τxy是扭矩MT引起的，MT應通過τxy來測量。由式(1)可知γxy與ε±45°有關，故測MT時應利用沿±45°方向的應變片。
γxy的測量可按半橋或全橋組橋。
五、思考題
如果要求一次加載同時測出作用在A-B截面上的彎矩和扭距，如何實現。
13
第二部分 演示實驗
實驗八 薄壁圓筒壓縮失穩演示實驗
一、實驗目的：
1、觀察薄壁圓筒受壓時變形特點；
2、分析薄壁圓筒受壓破壞的原因，加深對穩定性問題的認識。
二、實驗設備：
1、微機控制電液伺服萬能試驗機；
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解試件的不同破壞特點，激發學生對力學學科的興趣。
14
實驗九 光彈性演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀平面光彈性實驗裝置，觀察純彎梁的應力場及帶孔拉伸試件的孔邊應力場；
2、參觀近代光學測試裝置，用焦散線法測裂紋尖端應力強度因子；
3、通過三組演示實驗，直觀了解光測法的基本原理及特點，并加深對局部應力的認識。
二、實驗設備：
1、409-2型光彈儀；
2、激光光源；
3、傅立葉光學鏡片；
4、圖像采集系統。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解不同的實驗測試方法。
15
實驗十 疲勞演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀疲勞實驗設備；
2、了解疲勞載荷的特點；
3、了解疲勞強度和疲勞特性曲線的測定方法；
4、觀察金屬材料在交變載荷作用下的破壞特點。
二、實驗設備：
1、懸臂式疲勞試驗機；
2、純彎疲勞試驗機；
3、高頻疲勞試驗機。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解試件在動載荷作用下的力學行為特點，觀察疲勞破壞試件斷口，認識動載荷與靜載荷對構件的不同作用效果。
16
實驗十一 主動控制阻尼減緩演示實驗
一、實驗目的：
1、參觀主動控制阻尼減緩系統實驗裝置；
2、了解梁的長度對梁振動模態的影響；
3、了解利用智能材料控制梁振動的方法及其應用。
二、實驗設備：
1、表面貼有壓電陶瓷的不同長度懸臂梁裝置兩個；
2、控制箱；
3、數據采集系統。
三、實驗課安排：
實驗課采用教師現場演示、講解與學生參觀、討論相結合的講授辦法，使學生了解梁振動的特點以及智能材料的應用。
17
第三部分 綜合性實驗
實驗十二 薄壁復合梁實驗
一、實驗內容
薄壁復合梁的實驗應力與變形分析：
學生可以自行選擇兩種材料的組合形式：搭接、搭接加潤滑油、膠接加鉚接等。自己提出實驗目的和實驗內容、擬定實驗方案，獨立實驗，獨立查閱參考文獻和分析實驗結果。如果對實驗結果不滿意，在分析原因和制定新的實驗方案后，可以多次進行實驗。教師應學生要求，在實驗過程中參與討論，進行必要的指導。
鼓勵學生探討與材料力學理論公式不相符的實驗結果，對材料力學的力學模型，理論公式的精度及適用范圍結合實驗結果進行分析評價，鼓勵學生提出自己的見解，對具體的問題提出改進方案。
二、實驗設備與試件：
1、微控電子萬能實驗機；
2、電阻應變儀與相應的配套設備；
2、鋁合金薄壁矩形截面型材（開口和閉口兩種），中碳鋼板條；
3、上述兩種型材的復合梁（膠接加鉚接）。
鋁合金型材
鋼板型材
三、實驗時間
課內時間一般為４～６學時，第一次課集中上，以后約定時間（開放實驗室）。
18
四、考核方式
學生提交試驗小論文一篇。教師根據學生的實驗能力、小論文的深度進行評分。注重學生的動手能力，注重獨立見解。
