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实验力学

应用测试技术及数据处理方法,通过实验进行力学分析的一门学科,它与理论分析互相依存、互相补充,形成解决力学问题的完整体系。研究的范围包括固体,液体、气体三个方面。本条仅限于固体力学实验的内容。固体力学实验有不同分类方法:①按荷载作用的性质,可分为静态实验和动态实验。若荷载作用过程中结构的加速度很小,惯性力可忽略不计时称为静态实验;否则就称为动态实验。②按实验研究对象可分为原型实验和模型实验。

应用测试技术及数据处理方法,通过实验进行力学分析的一门学科,它与理论分析互相依存、互相补充,形成解决力学问题的完整体系。研究的范围包括固体,液体、气体三个方面。本条仅限于固体力学实验的内容。

固体力学实验有不同分类方法:①按荷载作用的性质,可分为静态实验和动态实验。若荷载作用过程中结构的加速度很小,惯性力可忽略不计时称为静态实验;否则就称为动态实验。②按实验研究对象可分为原型实验和模型实验。若实验是在已建成结构上进行,称为原型实验。对验证设计理论,揭露工程弊病,指导科学运行管理是很重要的。进行原型静态实验,应根据需要观测的项目(如位移、沉陷、温度变化、基础反力、应变、裂缝开展等)预埋各种类型的传感器,进行长期量测。进行原型动态实验,需要使结构产生振动并具有将待测的动力参数(如频率、位移、速度、加速度,动应变、阻尼比等)接收记录下来的仪器设备。原型实验能反映结构的工作状态。然而在下述情况只能进行模型实验,设计阶段需要进行方案比较,原型上无法进行的实验(如研究各种最不利条件的组合对结构的影响),以及大型结构的破坏实验等。模型实验是在室内人为控制下进行的小比例尺实验,为使模型能正确反映原型的实际情况需要解决两个问题:模型应满足哪些条件才与原型相似;如何将模型实验结果推广到原型相似理论为解决这些问题提供理论指导。③按实验方法叮分为机测法、电测法、光弹性法。机测法是应用机械式量测仪表进行实验力学分析的方法。它具有一定精度,工作稳定,抗干扰能力强,使用操作简便等优点,随被测物理量不同,有不同型式和用途的仪表,如用于静态实验的千分表,杆杠检式应变计,张线位移计、扭角仪、倾角仪等,动态实验的转速表,万能测振仪,扭振仪等。电测法是应用电子技术将被测物理量转换成电量,通过电量的量测来进行实验力学分析的方法。具有灵敏度高,适用范围广(静、动态,高、低频、量测不同物理量等),远距离量测,连续自动记录,适时数据处理等优点。广泛应用于静、动态(电测系统如图),近、远程遥测(旋转、移动物体、爆炸,其他不可接近的实验),高、低温、高压液下,……实验。常用的量测仪器如静,动态电阻应变仪,测振仪,频谱分析仪,电子记忆示波器,光线示波器,磁带记录仪及各种用途的传感器,所得资料连续、完整、直观性强,便于保存和再现,是科学实验的重要手段。光弹性法是一种应用光学原理的实验应力分析方法。用光学灵敏材料按一定的比例尺做成模型,其边界条件与原型相似,受力后由于应力或应变的产生而变成光学各向异性,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,模型上呈现与力学量相关联的条纹图案,一组是主应力差的等值线,另一组是主应力方向相同点的迹线,分别称为等差线,等倾线。据此观测资料、运用弹性力学的原理和基本方程,辅以适当的数学分析,即可确定模型中一点的应力状态,然后应用相似条件转换成原型应力。

动态电测系统框图

光弹性法能给出直观的全场应力光图,对应力峰值反应敏感,既可测定表面应力,又能测定内部应力。能有效地确定应力集中系数和三维问题的应力。在大坝断面选型、孔洞应力以及水工结构内部应力分析方面起了重要作用,在各类机械、船体、飞行器的强度计算方向都有广泛应用。

为适应生产实际问题的需要,派生了许多方法,如分析三维应力的冻结切片法、散光法,可用于原体观测的贴片法,研究动应力、热应力的动光弹法、热光弹法,研究板,壳应力的磁光弹性,各向异性光弹性等。特别是60年代激光问世以来,激光全息干涉计量术的迅速发展并引进光测力学,产生了全息弹性法以及确定位移场和应变场的全息干涉法、散斑法等,不仅赋予古典的光弹性法以新的生机,而且使光测力学的领域大为扩展。

光测力学发展的主要特点表现在:①迅速吸收其它学科的新成就。以应用激光技术、电子技术和电脑为其主要标志开始步入观测记录自动化,数据处理计算机化的新阶段。②大力向新兴的学科领域渗透,诸如在岩石力学、断裂力学、生物力学,弹塑性力学、复合材料力学等新的力学分支的基本理论与应用问题的研究中,都显得极有活力。③比较重视物理模型的研制。模型材料除环氧树脂外,还有聚碳酸脂,聚氨甲酸脂橡胶可供选择,在改变模型材料弹性模量方向也取得了进展。但是要满足各种专门问题的研究,急需开发新的材料,提高模型加工的机械化程度和制做精度。