《实验力学》
浅谈现代材料力学实验常用测试手段宋志勇(黑龙江科技学院数学力学系黑龙江哈尔滨)摘要：力学实验是研究力学的重要手段之一，现在已经独立发展为一门独立的学科…实验力学。本文介绍了现代材料力学实验中常用的测试手段，比较了各类测试方法在实验和工程应用中的特点。对于在力学实验教学和工程测试中具有参考意义。关键词：实验力学工程测试材料力学中图分类号：TB3文献标识码：A文章编号：(2007)07(c)一0179叭1引言力学是现代科学的基础学科之一，其应用范围十分广泛，从铁路与机车、到飞机轮船，以至于高层建筑与地下隧道、大水利工程等中，都离不开力学的指导。力学不仅具有理论性，而且更具有实践性。力学中许多理论是建立在将真实材料理想化、实际构件抽象化、公式推导假设化基础之上的。它的结论是否正确以及能否在工程中应用，只有通过实验验证才能确定。同时，对于工程中的复杂问题，一般很难直接用理论得到满意的结果，而这时往往借助实验的手段解决。材料力学实验在工程中不仅对理论分析做出验证，而且也能有效的解决许多理论工作不能解决的工程实际问题，别是在解决工程设计中的强度、刚度及稳定性等问题时，首先要知道材料的力学性能和表达其力学性能的材料常数，而这些常数必须通过试验才能准确测定。例如研究桥梁的强度和刚度时，就需要对它的上、下部结构，进行缺陷的无损检测、模态测定和应力测试。此外，在构建的几何形状或所受载荷十分复杂的情况下，要想了解构件内部应力情况，也必须借助于实验测试的手段，才能正确解决。2实验测试的概述随着近代光学、物理学的进步和计算机技术的广泛应用，大大的加速了材料力学实验的全面发展。在动力机械、土木建筑、航空航天的个方面都得到了普遍应用，而且向动应力、热应力、复合材料力学等各领域交叉渗透；测试手段从传统的机械测试法和电测法，到近代出现的光测方法、声波测试方法等等，传统的电测方法也出现很多分支。这些测试技术极大的丰富了材料力学实验方法，同时也在工程中发挥了重要作用。例如为了解决南昆铁路进口重轨应力集中导致多处断裂的重大国际积极纠纷，我国科学家在现场应用应变仪检测残余应力，向国际仲裁组织递交了规范的验定报告，否定了外商的质量报告，于1997年向外商首批索赔了3000万美元；在葛洲坝工程中，设计新桥双曲薄拱坝时，通过光弹实验，削去无应力区的8条泄洪孔旁的钢筋混凝土加筋肋，并通过有限元计算，得出应力分布规律，克服河槽软弱、坝基需要深挖的传统设计方法，减少了开挖和钢筋混凝土扩大基础，节省了大量资金。此外在导弹弹翼的振动测量、海洋采油平台的应力分析、压力容器内裂缝的检测、机器人水下力传感器的应力分析等工程问题中，材料的力学实验测定也发挥了重要作用。3现代常用测试技术材料力学实验中常用的测试手段有机械测试法、电测法、光测法、声学方法、X射线应力测定法等常用方法。3．1机测法原理是通过实验机直接测定试件材料机械性质的载荷值，经数据处理，求得实验的应力值。机测法主要在实验室进行，采用实验机对材料进行拉伸、压缩、弯曲、扭转等实验，获得不同条件下的力学性能指标，同时能够得到应力应变关系，对于了解材料的变形过程和本构关系具有重要价值。此外材料的冲击、疲劳和断裂等实验一般采用机测方法，不仅能获得材料的相关力学性能指标，而且对于断裂力学和疲劳冲击理论的发展起到了重要作用。3．2电测法原理是应用电桥平衡的原理测定构件上某一点应变值，通过胡克经数据处理求得实验的应力值。电测方法中根据传感器的不同，有电阻、电容和电感等多种方法，而以电阻应变仪测量技术的应用较为普遍，实际效果也较好。电阻应变测量技术不仅可以用于模型实验，而且可以用于实际工程结构在各种条件下的应变及其他参数测量。利用无线电遥控技术及红外技术还可以远距离遥测。根据特殊用途，还可以组成相应的传感器和测力装置。片，可以测得横梁在弯曲变形中各测点的应变，进而了解应力分布。又如图5的工程结构，同样可在该结构上布置大量测点，得到结构在受荷载下的应力分布情况，进而发现薄弱部位。但是对于结构复杂的情况，测点的数量巨大使得测量和计算工作量很大。3．3光测法原理应用光学的偏振光原理，测定材料模型试件的应力条纹及数值，经数据处理，求得实验的应力值。包括光弹性法、云纹法、全息光弹法、全息干涉法、散斑干涉法等。近年来，光纤传感器、光纤传输技术在力学领域中也得到了广泛的应用，特别是在构件内部应力的测试中，开辟了广泛的应用前景。光弹法是建立在物理光学和弹性力学基础上的一种模型实验技术，采用具有双折射效应的透明材料作为结构模型，再加载条件下，通过观测模型上的干涉条纹判断应力状态和分布情况。光弹性法的优点是直观性强，可以直接获得整个结构的应力分布。对于较复杂工程结构，可以事先制作结构的模型试件，模拟原结构的荷载条件，通过光弹仪，测试结构的应力分布情况。3．4其他测试方法声学方法一般有声弹性法、声发射法和声全息法。x射线应力测定方法主要用于无损伤直接测定试件表面的应力或残余应力。4结语以上各种方法不仅可以测定应变、应力和位移，还可以测定压力、加速度、裂纹扩展速率以及构件的残余应力等物理量。针对不同的现场环境和结构，选择合适的方法。机测法实验简单，但是通常设备庞大，而且一般只能测量结构简单的试件，因而通常只是在实验室进行，适合于材料的基本力学性能指标的测定；光测方法能够直接得到复杂结构的应力分布，但是一般也适合于在实验室进行；电测方法测量的范围广泛，设备便于携带，而且可以较远距离测量，所以既适合在实验室进行也适合在工程现场测量。当今世界随着高新技术的发展，新的材料力学性能测试方法也不断涌现，因而现有的实验手段也需要不断更新和完善。参考文献[1】刘鸿文等．材料力学实验．北京：高等教育出版社，1992．【2】莫淑华等．工程力学实验．北京：中央广播电视大学出版社，1999．【3]张如一等．实验应力分析．北京：机械工业出版社，1981．科技资讯SOlENOE＆TEOHNOLOOYINFORMATION179