近代力学试验方法考试要点.docx

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近代力学试验方法考试要点

力学的内涵与发展历程：

是研究物质机械运动规律的科学，研究对象是宏观物质机械运动所遵从的客观规律。

人们实践基础上发展起来，十六、七世纪开始形成物理学的一个分支，一般把力学分为运动学、动力学和静力学三部分。

力学学科的发展是以新材料、新的生产工艺、新的工程应用环境、检测手段以及评价手段等近代力学性能实验方法的发展为基础，同时，实验方法反过来又进一步促进了力学学科的进步与发展。

力学性能实验方法及所要解决的问题：

内涵－是以近代力学理论为基础，以先进的科学方法为手段，正确真实地评价材料、零部件、结构等的技术手段与方法；

－是用来解决“物尽其用”问题的科学方法；

力学试验的总体目标

材料或产品的质量控制与质量保证

材料的筛选及相互比较

材料的设计计算与性能预报

材料在服役过程中的性能表征

理论发展的出发点及验证

材料的发展

－航天、航空及国防的迫切需求，高强质轻具有可设计性的新材料得以开发，出现了纤维增强复合材料。

现代的复合材料是在20世纪40年代以玻璃纤维增强聚合物基体复合材料发展而来。

现代复合材料的问世，是科学上一大突破，使原有的只能为特定结构选择材料发展成为为特定结构物设计材料。

现代复合材料的出现，是自喷气式发动机发明以来最大的技术革命。

现已经向民用化发展。

复合材料的定义及分类

定义－是两种或两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料，或概括的讲：

由两种或两种以上独立的物理相所组成的固体材料。

概念：

相物理：

各相材料的物理性能；相几何：

各相材料的几何形状及分布总称，二者的改变可获得功能不同的复合材料；界面：

混合效应）

分类：

按性能和用途分：

功能复合材料，结构复合材料。

前者利用其物理性能（如耐烧蚀材料、可透波材料等），后者可用在承力结构中。

复合材料层叠结构

单层板：

纤维＋基体；界面明显；复合材料而成的单板。

其力学性能确决于组分材料的力学、几何（形状、分布、含量）特性＋界面性能好坏。

层合板：

按不同的方式叠合而成的层合结构，是复合材料的主要形式。

其物理性能取决于单板的力学性能、叠层厚度、铺设方向、顺序等。

纤维增强树脂基复合材料的制备工艺大体可分为：

干法、湿法。

－根据铺设角度不同有单向叠层板、多向叠层板。

纤维增强复合材料的性能特点

－纤维增强复合材料是制作复合材料结构的主要材料。

高强度＋高模量＝理想载体通过基体复合提供了一个连续的介质，即保证了纤维的铺设方向；又从结构上保障了纤维的载荷传递，基体在纤维间起着分散合传递载荷的作用，同时也提高了纤维沿着纤维方向的承载能力。

总之，复合材料可以克服材料的弱点，发挥其综合能力。

优越性在于：

实现设计材料的要求。

由于复合材料是两层次材料（从力学观点来看，是需要在细观合宏观两个层次内进行复合材料的材料，这是复合材料区别于传统材料关键的区别），因此它的宏观性能可以根据人们的需要通过细观性能来设计，可充分发挥材料的潜力。

现阶段的复合材料主要有6项特点：

1.比强度高、比刚度大

只是指沿纤维方向受拉的优越性。

如有偏离纤维方向的力存在，这种材料的性能会很差。

因此，在多向受力时，为发挥复合材料的优越性，不能沿单一方向铺设。

如：

T300/环氧5280的比强度是铝的6.3倍；比刚度是铝的4.16倍

－目前，在航空工业中使用的结构复合材料，主要是利用它的高比刚度，如制造飞机的尾翼合安定面等。

至于比强度，由于现阶段强度数据分散，经验还不足，用作飞机承力结构还是有所顾虑。

2.抗疲劳性能好

复合材料的疲劳破坏机制与金属均匀材料完全不同。

金属材料往往出现单一裂纹，汇合成主裂纹，主裂纹控制着最终疲劳破坏。

而复合材料往往在高应力区出现大量损伤（界面脱胶、层间开裂、纤维断裂等）并于材料种类、铺设方式、

纤维断裂等）并与材料种类、铺设方式、疲劳载荷类型有关，机理复杂。

3.减振性能好

由于复合材料的比刚度大，故其自振频率甚高，可避免早起共振。

此外，在吸能能力强、振动阻尼大的特点，一旦振动，衰减也快。

如：

轻金属合金梁需9s,而复合材料梁只需2.5s。

4.抗高温性能好和膨胀系数小

－人们可根据不同工况条件选择抗高低温性能良好、膨胀系数小的复合材料。

一般铝合金在400度时弹性模量几乎接近零，而硼纤维/钛合金复合材料在此温度下性能不变，此外，韧性较好。

5.安全性能好－单一纤维的断裂不会导致突然破坏。

6.成型工艺好－可制备各种形状复杂的零部件，一次成型，工艺简单，无浪费。

本构方程构成的基本原理

－从广义上来讲，凡是反映物性的数学表达式，都可以叫本构关系式。

物质的本构方程必须服从一些共同的准则或原理。

1.物质的客观性原理－物质本身性质所决定，不因观测者而改变。

2.确定性原理－认为物体中某点的应力恒可以由物体内部各点的以往运动史唯一决定，而和未来的运动无关。

3.局部作用原理－临近有影响，远处无关。

－又被称为Noll三原则，因此可导出简单的物质的本构方程。

此外，本构方程还需满足其它一些原理，如物质对称性原理，即要反映出物质具有对称性，相容性和量纲一致性原理等。

根据弹性势能原理，可以获得弹性系数矩阵是对称的，也就是说，有21个独立的弹性常数（刚度系数矩阵）。

如弹性体在外力作用下变形时是在等温情况下，根据应变能密度函数的性质，可以证明。

－在实际应用过程中，复合材料多数是以层合板方式出现，为识别层合板中每层相对于材料主坐标系的材料性质以及层板铺叠的几何性质，需要一套明确的术语。

单向复合材料弹性常数数目是纤维在基体中排列堆积的形状函数

应变片电测法

应变片电测法主要有：

电阻应变片电测法，电容应变计电测法和电感应变计电测法等。

前一种电测法应用较广泛，后两种电测法应用较少。

电阻应变片电测法，通常简称为应变片电测法。

这种方法是将金属丝制成的电阻应变片（即应变转换元件）粘贴在构件的表面测点上，通过电阻应变片将构件表面的应变转换为电阻值的变化，然后由电子仪器测得其阻值的变化。

根据一定的比例关系，即可得到构件的应变值。

温度自补偿应变片

当温度变化时、应变片产生的电阻变化等于零或者相互抵消，而不产生虚假应变的应变片。

温度自补偿应变片有三种：

选择式、联合式、组合式，其中组合式利用两种电阻材料的温度系数不同（一个为正，一个为负）的特性将两者串联制成应变片，此应变片温度自补偿效果最佳。

电阻测量技术可分为静态应变测量和动态应变测量两类，

蠕变

定义：

对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。

产生的原因：

主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。

实验应变分析－主要的测试方法

电测法-包括电阻、电容、电感测试法

电阻法较常用，具有高灵敏度和精度。

因是电信号测量，易于实现数字化、自动化；可用于不同环境下的测量；成本低廉。

缺点是只能点测量固定方向应变，不能全域测量。

光测法－包括光弹性、全息干涉、激光散斑干涉、云纹法等

光弹性法应用广泛，是利用偏振光通过具有双折射效应的透明受力模型从而获得干涉条纹图，可观察全域应力分布情况；快速测定应力集中系数；内外部边界应力测量。

但周期长、成本高。

机械测试法－利用引伸仪测定试件变形需经过放大。

有杠杆式和齿轮式两种。

电阻测量应变原理及方法

电阻应变片测量技术

－是用电阻应变片测量构件的表面应变，在根据应力－应变关系式，确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。

测试过程：

被测部件应变片测量电路放大线路显示记录

电阻应变式传感器--应变片

电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化象。

当试件受力在该处沿电阻丝方向发生线变形时，电阻丝也随着一起变形（伸长或缩短），因而使电阻丝的电阻发生改变（增大或缩小）。

应变片的工作原理

因绝大部分金属丝受到拉伸或缩短时，电阻值会增大（或减小），这种电阻值随形变发生变化的现象，叫做电阻应变效应．

电阻应变片就是基于金属导体的电阻应变效应制成的。

光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法，因为测量是全域性的，所以具有直观性强，能有效而准确地确定受力模型各点的主应力差和主应力方向，并能计算出各点的主应力数值。

尤其对构件应力集中系数的确定，光弹性试验法显得特别方便和有效。

光弹性物理基础

光弹性法：

是一种应用光学原理的实验应力分析方法。

－传统上，用光学各向同性的透明材料按一定比例做成与实物相似的模型，在载荷作用下成为光学各向异性体（具有如同天然晶体一样的双折射性质），当用偏振光装置观察时，模型上显现出与应力相关联的条纹图案，应用弹性力学基本方程，通过数学分析可确定模型表面及内部任意一点的应力状态；然后应用相似性原理转换成原型应力。

光弹性法的特点：

能给出直观的全场应力光图，对应力峰值敏感，对于测定应力集中区域及应力集中系数十分便捷，因此，在许多领域得到广泛应用。

光的干涉

1光干涉－是指两个或两个以上的光波相遇时，在其重叠区域，光强呈明暗起伏的现象。

2相干条件

•频率相同的两光波相遇点有相同的振动方向和固定的相位差；

•两光波在相遇点所产生的振幅相差不悬殊；

•两光波在相遇点的光程差不能太大；

相干光的获得

1.产生相干光的条件

1.频率相同；

2.振动方向一致

3.有恒定的相位差；

4.光强差不太大。

5.光程差不太大；

2.产生相干光的方法。

普通光源：

1发光的间隙性2发光的随机性

结论：

普通光源不是相干光源。

原理：

使同一个点光源发出的光分成两个或两个以上的相干光束使它们各经过不同的路径后再相遇以产生干涉。

1.分波面法

在同一波面上两固定点光源发出的光产生干涉的方法为分波面法。

如杨氏双缝干涉实验。

2.分振幅法

一束光线经过介质薄膜的反射与折射，形成的两束光线产生干涉的方法为分振幅法。

如薄膜干涉、等厚干涉等。

云纹法的定义：

云纹法是测量位移和应变场的一种光学方法。

其主要特点

是量程较大，弹性、塑性破坏时的大应变都可测量。

由于

测量可在由原型材料制成的模型上进行，所以能够较准确

地模拟原型所经历的各种物理过程，无论静态或动态载荷

都适用。

且工作稳定性好，实验设备简单，但灵敏度较低。

栅板的定义：

栅板是云纹测量法的基本元件，由透明和不

透明相间的等距平行线组成，不透明的暗线条成为栅线。

相邻两栅间的距离P的倒数称为密率。

光纤传感器的基本原理

光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量）。

光纤传感技术的分类

光纤传感器可分为传感型（本征型）和传光型

（非本征型）两大类。

本征型：

利用外界因素改变光纤中光的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器

－具有传感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。

非本征型：

是指利用其它敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输。

－充分利用现有的传感器，便于推广应用。

两类传感器都可分成光强调制、相位调制、偏振态调制和波长调制几种形式。

常见的复合材料缺陷

1.类型：

孔洞（voids,porosity）

脱胶（debonds）

分层（delaminations）

撞击（impactdamage）

纤维断裂（brokenfibres）

树脂裂纹（resincracks）

常见的无损检测方法

超声检测

定义

超声波在被检测材料中传播时,材料的声学特性