CN2758743Y - 拉压弯组合加载试件 - Google Patents

Abstract

一种拉压弯组合加载试件，涉及力学实验技术，特别是涉及一种拉压弯组合加载试件结构。被加载试件设计成一种板状曲率杆，该曲率杆两端为直杆，中间段为曲杆结构，其长度L₂＝180mm。利用电子万能试验机对具有不同曲率半径的试样进行偏心拉伸或压缩实验。工程实际中大量构件承受的都是多种载荷联合作用，《材料力学》课堂教学中也涉及到组合加载时的应力分析，简单地采用圆柱体或正六面体试样进行加载实验存在许多问题。利用本实用新型，可方便进行拉压弯多种组合加载实验，实验方法简单、试件夹持可靠、偏心距可任意设计。通过实验，对于高等学校本科生熟悉这类受力形式和应力分析方法，促进《材料力学》实验教学的发展具有重要的促进意义。

Description

拉压弯组合加载试件

技术领域

本实用新型属于力学实验技术，特别是涉及一种拉(压)弯组合加载试件结构。

背景技术

《材料力学》是与工程实践密切相关的一门力学基础课程，其涉及的相关理论都是有具体的工程应用背景的。同时，《材料力学》又是一门实验性很强的课程，实验在课程教学中占有极其重要的地位。为此，所开设的实验必须既要能反映书本理论知识，又要具有一定的工程应用背景。

在工程应用中，由于实际载荷形式及承载件几何结构的复杂性，构件内往往处于复杂应力状态。例如在实际工程中，即使一根杆件受单一轴向载荷的作用，也很难保证该载荷能恰好等效作用于其中心轴线上，这时该杆件就可能同时受到轴向拉压载荷和偏心弯曲载荷的作用。虽然《材料力学》课堂教学中涉及到偏心载荷作用的应力分析方法，但在实验方案设计上存在以下一些问题：

一、如果采用《材料力学》书本上介绍的用圆柱体或正六面体试样进行偏心加载实验，很难实现偏心拉伸，只能进行偏心压缩实验，即实验中只能模拟压弯组合加载，无法模拟拉弯组合加载。

二、标准的圆柱体或正六面体试样虽然结构简单，但端面尺寸较小，加载点偏离中心的距离(偏心距)非常有限，造成弯曲应力(由外加载荷和偏心距的乘积决定)相对于轴向应力(由外加载荷决定)较小。要想提高弯曲应力的影响，必须加大偏心距，这在实际实验中是非常危险的，因为偏心压缩加载随着试件变形的增加会产生较大的侧向力，而这种较大的侧向力完全靠夹具和试样上下表面的摩擦力进行抵消。随着偏心距的增加，侧向力加大，当侧向力大到摩擦阻力不足以抵消时，试样将会从上下夹具间滑移飞出，这时极有可能造成实验设备的损坏，甚至导致人身的伤亡。

三、为了保证实验的安全性，目前往往选用水泥等具有较高摩擦系数的材料进行实验，而水泥具有强烈的拉压不对称性(承压刚度要远大于承拉刚度)，这会给实验结果分析造成一定的困难。另外，水泥是一种脆性材料，载荷过大会造成其瞬间粉碎，也会给实验带来不安全因素。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题：

设计一套安全可靠的能实现拉(压)弯组合加载用的试件。

由于等截面杆很难产生较大的偏心距，弯曲应力相对于拉伸应力一般较小，而且这种试件很难实现拉伸加载，而压缩加载试件和夹具只是通过面接触，并不进行专门夹持固定，当有一定的偏心距且变形达到一定程度后，极易导致试件从上下夹具间滑出。因此，拉(压)弯组合加载试验的方案是要设计一种特殊的试件结构，既要能产生较大的偏心距，又要能进行拉压加载。

本实用新型的技术方案：

被加载试件设计成一种板状曲率杆，该曲率杆两端为直杆，中间为弯曲结构，其长度L₂＝180mm，实验时，在电子万能试验机上，按照简单拉伸实验方法对具有不同曲率半径的试样进行偏心拉伸或压缩实验。

本实用新型的有益效果：

工程实际中大量构件承受的都是多种载荷联合作用，《材料力学》课堂教学中也涉及到组合加载时的应力分析，但如果简单地采用圆柱体或正六面体试样进行加载实验存在许多问题。为此，设计一种适合于偏心加载实验的特殊试件结构，利用这类试件，可方便进行拉(压)弯多种组合加载实验，而且实验方法简单、试件夹持可靠、偏心距可任意设计。通过该实验，对于高等学校本科生熟悉这类受力形式和应力分析方法，促进《材料力学》实验教学的发展具有重要的促进意义。

附图说明

图1曲率杆试件结构主视图

图2曲率杆试件结构左视图

具体实施方式

以附图为具体实施方式对本实用新型作进一步说明：

被加载试件设计成一种板状曲率杆，该曲率杆两端为直杆，其长度L₁＝50mm，中间为弯曲结构，其长度L₂＝180mm，试件宽b＝10mm，高度h＝40mm，曲率半径R大于90mm。其它参见附图1和图2。

直杆长度以保证试验机夹具能对其进行有效夹持，而整个试件长度、厚度尺寸选取参照国家标准中关于金属板材拉伸的有关规定。这种试件结构，一方面可完全依照标准金属板材拉伸实验，两端直杆部分可实现试验机上下夹具的有效夹持和方便对中，外加载荷等效作用于直杆的中心线上；另一方面，在拉压载荷作用下，中间曲杆承受的是偏心载荷的作用(偏心距为所计算的部位距离直杆中心线的距离，即图示e值)，而且可以通过设计不同的曲率半径而改变弯曲载荷作用的大小(不同的曲率半径所对应的L值不同)。

对于这种试件形状，在外载荷P作用下，由轴向载荷产生的正应力为：

${\mathrm{\σ}}_N=\frac{P}{A}---\left(1\right)$

由于偏心造成的弯曲正应力为

${\mathrm{\σ}}_M=\frac{\mathrm{Pey}}{I_Z}---\left(2\right)$

其中e和y分别偏心距和所研究的点到中间层的距离(如图所示)，而A为曲杆的横截面积，I_Z为截面惯性矩。很显然，由于偏心造成的弯曲正应力在试件中间对称面(即图1中A-A截面)最上端为最大压应力，在最下端为最大拉应力。整个试件承受的正应力为

                  σ＝σ_N+σ_M              (3)

试件曲率半径R的选取(即设计不同的L值)主要考虑在拉伸载荷作用下，实现A-A截面最上端正应力分别大于零、等于零和小于零三种情况，即在拉伸载荷的作用下，曲杆的实际中性层(正应力为零)仍在试件内、在试件上表面和在试件外三种情况。为了保证曲杆的实际中性层在试件上表面，其曲率半径R的计算过程如下：

由 ${\mathrm{\σ}}_N={\mathrm{\σ}}_M\⇒\frac{P}{A}=\frac{{\mathrm{Pe}}_{\max }{y}_{\max }}{I_Z}=\frac{P(20+L)L}{I_Z}\⇒L^2+20L-\frac{I_Z}{A}=0---\left(3\right)$

对于几何结构确定的试件，A和I_Z为已知值，利用公式(3)可计算出L值，再利用下面直角三角形法则确定出曲率半径R值：

$R=\sqrt{{(R-L)}^2+{(180/2)}^2}---\left(4\right)$

对于曲杆的实际中性层位于试件内和试件外两种情况，其曲率半径应分别小于和大于中性层在试件上表面所对应的R值，具体差值可根据设计的偏心距大小来确定。

实验过程中，对于材料和几何尺寸确定的曲率杆，在A-A截面上从上到下等距离粘贴7个电阻应变片，并用游标卡尺精确测量每一个应变片中心点所对应的e和y值，实验中施加不同的拉伸或压缩载荷，通过公式(1)、(2)和(3)可计算出各点的理论正应力值。同时应变片记录的应变值乘以材料的弹性模量即得到各位置点不同时刻的实际正应力值，二者对比可以给出实验误差。此外通过该实验还可以研究截面核心的范围(即|σ_N|≥|σ_M|所对应的最大偏心距)，以及剪应力的分布规律。

该实验操作的基本步骤包括：

①设计具有一定曲率半径的曲率杆作为研究对象；

②量取曲率杆的几何参数；

③计算出曲率杆的横截面积和惯性矩；

④在曲率杆弯曲段A-A截面上从上到下等距离粘贴7个电阻应变片，焊线，联接；

⑤将曲率杆两端直杆部分用材料试验机上、下夹具夹持固定，调整对中；

⑥进行加载实验，记录不同载荷下各电阻应变片的输出应变；

⑦将实验载荷P代入公式(1)、(2)和(3)，计算理论应力值，与实测值(应变仪输出应变乘以材料的杨氏模量)比较，给出实验误差。

实验前在A-A截面上粘贴电阻应变片、焊线、联结电阻应变仪；实验时利用标准万能材料试验机的上下夹具固定夹持被测试的曲率杆两端的直杆部位，进行偏心拉伸或压缩实验；随着载荷的增加，曲率杆上的变形信号经应变片被应变仪记录，同时，载荷信号通过材料试验机上的力传感器记录得到，记录下不同时刻的应变信号和载荷信号；将载荷信号带入上面的公式(1)、(2)和(3)计算出试件的轴向应力、弯曲应力以及理论总应力值，再将应变片记录的应变信号乘以材料的弹性模量，得到实验值，分析实验值与理论值之间的差别，进行实验误差分析。

以试件材料为低碳钢，L₁＝50mm，L₂＝180mm，R＝440mm，试件截面积A＝10mm*40mm的试件为例偏心拉伸实验结果如下：

上表为单次偏心拉伸的实验结果，表中理论正应力σ_理i由公式(1)、(2)和(3)计算得到，实际值σ_实i由应变片测得的应变值乘以材料的弹性模量(低碳钢弹性模量为210GPa)。从表一可以看出，实验值均小于理论值，这可能主要由以下两个原因造成的：

一、根据弯曲正应力分布规律，A-A截面附近正应力小于其截面上值，理论计算的A-A截面上的正应力，而应变片记录的是A-A截面周围一小面积内的平均应变，这可能会造成一定的实验误差。

二、应变片粘贴时不完全与载荷线X-X平行也会造成一定的实验误差。但所有实验误差均小于15％，说明实验结果是真实可信的。

Claims (2)

1.一种拉压弯组合加载试件，其特征在于：被加载试件设计成一种板状曲率杆，该曲率杆两端为直杆，中间为弯曲结构，其长度L₂＝180mm，实验时利用电子万能试验机对具有不同曲率半径的试样进行偏心拉伸或压缩实验。

2.根据权利要求1所述的一种拉压弯组合加载试件，其特征在于：两端直杆长度L₁＝50mm，曲率半径R大于90mm。

Images