材料力学所研究的构件通常都是一些可变形固体。
按几何形状来分类,构件可以分为杆、板、壳和块体等四类。其中杆是工程中最常用的构件,根据杆的轴线与横截面特征等要素,杆件又可以分为直杆与曲杆、等截面杆与变截面杆。
材料力学主要研究对象是弹性变形范围内的杆件。
1.2杆件变形的基本形式
杆件在外力作用下发生的变形是多种多样的,但是最基本的四种变形是:轴向拉伸(或压缩)、剪切、扭转和弯曲。其他一些复杂的变形都是可以由以上的四种基本变形组合而来。
轴向拉伸(或压缩):通常来说,杆件轴向拉伸或压缩时,外力或其合力的作用线都是沿杆件轴线的,而杆件的主要变形也通常为轴向伸长或缩短。一般作用线沿着杆件轴线的载荷,称为轴向载荷。而以轴向拉长或缩短为主要特征的变形形式,称为轴向拉压。以轴向拉压为主要变形的杆件,称为拉压杆。
扭转:构件为直杆,并在垂直于杆件轴线的平面内作用有力偶。在这种情况下,杆件各横截面绕轴线作相对旋转。通常是以横截面围绕着轴线作相对旋转为主要特征的变形形式,称为扭转。使杆件产生扭转变形的外力偶,称为扭力偶,其矩称为扭力偶矩。一般以扭转为主要变形的杆件,叫做轴。
弯曲:一般说来,当杆件承受垂直其轴线的外力,或在其轴线平面内作用有外力偶时,杆的轴线将由直线变为曲线。以轴线变弯为主要特征的变形形式,称为弯曲。凡是以弯曲为主要变形的杆件,称为梁。
1.3材料力学实验的地位
近年以来,各所高校的材料力学的理论课时都普遍有所减少。相反,为了提高学生的实验技能和工作实践能力,全面推进素质教育,材料力学实验课时不但没有减少,反而在逐渐增加,以此来增加实验在现代学习研究中的地位。
而材料力学实验的地位具体体现在以下的三个方面:
(1)在材料力学中,是新的理论研究以及计算方法提出的必要依据。运用新的理论,计算方法所得的结论也必要经过实验验证。
(2)可以解决许多理论研究解决不了的工程实际问题。
(3)是材料力学发展的三大支柱(新的理论,计算方法,力学实验)之一。
1.4材料力学实验的意义
我国目前正处于全面推进素质教育,提高学生的动手实验能力,然而许多高校都一样,存在在实验仪器缺乏的问题。尤其是我校的情况,在上实验课时,整个班级的学生都围绕着一台万能实验机,看着老师做实验给我们看。很多时候我们想在实验室看看力学实验都不可能,他们只能看着老师在电脑上面放的模拟实验,自己却不能感受到。力学实验是力学研究的重点,因此实验应该得到教育界的重视。而我们自己所做的基本变形杆件模拟实验装置虽然简单,却也是一个小的实验器材,可以更直观的把一些理论所体现出来,便于我们更好的理解这一门学科。
第二章 基本杆件实验装置的设计方案
2.1力学实验的原理分析
利用气缸加压或减压,通过其他装置对杆件进行拉压,运用气缸摆放于不同位置,对杆件形成的受力情况不同,从而形成模拟杆件的几种基本变形装置。
2.1.1拉伸或压缩变形实验原理
将试样安装在实验台上,气缸缓慢增压,试样将依次经过弹性、屈服、强化和颈缩四个阶段,其中前三个阶段都是均匀变形的。
不同材料在拉伸和压缩过程中表现出不同的力学性质和现象。例如低碳钢和铸铁就是塑性材料和脆性材料两种典型代表。而低碳钢材料具有非常好的塑性特性,在拉伸实验中,尤其是弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和紧缩阶段等最为明显。低碳钢材料在压缩实验中的弹性阶段、屈服阶段与拉伸实验基本相同,然而低碳钢试样最后只能被压扁而不能被压断,所以无法测定其压缩强度极限值。因此,通常对于低碳钢材料而言,我们只进行拉伸实验,却不进行压缩实验。
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