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实验力学读书报告

2012301890040 陈文剑 这学期，我们学习了实验力学这门课程。学完这门课程，我们必须清楚这门课程讲的是什么？是怎么讲述的?以及这门学习课程的对我们乃至社会有什么作用呢？我们先从这门课程的产生和发展说起。

力学作为一门科学技术，以大量的工程实践为背景。长期以来，人们为了解决衣食住行，面临着大量的力学问题，在解决这些力学问题的过程中，实验观测是人类开始研究力学问题的最主要手段。人们从大量第一性的认识中总结规律，研究出一系列试验方法，并开始研制初等测量仪器。20世纪初，实验力学从圆形实物实验开始转向实验室模拟实验，这一进步大大促进了相似理论的发展。大量模拟设备的研制以及更精细实验仪器的出现，使实验力学开始形成一门独立学科。60年代激光技术的出现，给实验力学技术带来了革命性的进展。一系列新的实验技术相继出现，一批新的测量仪器市场化，反过来有促进了实验力学的发展。90年代，随着计算机的普及，不仅使得计算力学取得巨大发展，而且大大丰富了实验力学的内容。现在实验研究、数值模拟和理论模化已经成为力学研究的三个最主要手段，其中实验研究占据了不可替代的地位。

那么实验力学主要讲了什么呢？实验力学主要讲述了用实验分析方法确定构件在受力情况下的应力状态，并研究处于不同环境中的构件，在荷载的作用下，其内力、位移、应力、应变的变化规律，为合理地选择构件的几何尺寸和截面形状提供依据，使强度设计达到既经济又安全的目的。实验分析方法在应力分析中尤其独特的作用，它能有效解决许多理论工作不能解决的工程实际问题，因此它不能被理论所替代。 实验应力分析方法主要有电阻应变测量、光弹性实验法、脆性图层法、云纹法、全息干涉法、色斑干涉法、声全息法、声弹性法、比拟法、X射线法等。 而我们这门课程，主要讲了电阻应变计及各种应力应变测量技术、各种传感器机器原理和构造、超声检测新技术、以及光学测量技术。

首先，我们了解了实验力学应变电测技术。早在1856年W.Thomson铺设海底电缆时，就发现了电阻阻值会随应变的变化而变化，用电学方法测量其阻值变化，便可得到应变的变化，这就是电阻应变计的原理。电阻应变计随之诞生。而随着科学技术的发展，电阻应变计及其测量方式也在不断地发展。

电阻应变计在用于测量结构和机械部件的应变中，有着很好的优点，但也有其缺点，比如只能逐点测量，这里就不一一说明。电阻应变计的三个最重要的工作特性分别为：灵敏系数，横向效应和热输出。 关于灵敏系数，我们在实验中已经了解，其表示的是应变计在轴向受到单位应力时电阻的变化与由此单位应力引起的试件表面的轴线应变之比。在有关的实验中，我们已经学会其测量方法。而横向效应系数则表示应变计横向灵敏系数与纵向灵敏系数之比值。要注意的是，应变计会随环境温度的变化而产生电阻的变化，这便是其热输出特性。

电阻应变计种类非常多，不同的分类方法也很多，主要有按温度分类，用途分类，敏感栅分类等。而关于电阻应变计的粘贴安装技术，我们进行过相关的实验，已经有所了解。

在了解了电阻应变计后，我们要将它用于相关的测量工作。电阻应变计是将结构、材料的应变转化为电阻变化得到测试结果，考虑到电阻变化值很小，不利于进行精确测量，将电阻变化转化为电桥的电压变化进行测量。应变计接到电桥电路中有多种接法。对于不同测量需要，可使用不同的接法。应变测量仪器则分为静态电阻应变仪和动态电阻应变仪两种。其区别是

静态应变测试的为平均应变，动态应变测试的为应变时程。 需要注意的是在非常温情况下，应变的测量比常温情况下的测量要复杂的多。其特点是：一、需要专门的电阻应变计；二、采用特殊的额应变计安装方法和测量导线；三、应同时测量温度分布和变化；四、测量数据处理分析比常温下的应变测量复杂得多。同理高压液下的测量也有很多需要注意的地方。

另外当我们在研究机械的强度时，常常需要在运动的机械构件上进行应力应变测量。测量实际运动工况下机械构件所受荷载和应力的分布和变化，对于实际荷载状况不很清楚的机械构件强度设计尤其重要。运动构件的应变一般分为静态应变和动态应变两类。运动构件中的应力应变需解决的技术问题：

（1）机械构件运动时，由于空气摩擦使构件表面温度升高，且温度分布不均匀和不稳定，应采取特殊的应变计温度补偿技术。

（2）构件运动时，应变计受惯性力和气流冲刷，因此对应变计和连接导线应进行专门的防护，以免损坏而使测量失败。

（3）在旋转运动构件上测量应变时，因应变计安装在构件上随构件旋转，而电阻应变仪是固定不动的，因此应变计信号不能直接用导线传递到应变测量仪器，需采用集流器装置。 （4）对旋转或其他运动形式构件进行应变测量时，有时需采用无线电发射方法，这称为应变遥测技术。

以上大致是有关电阻应变计及应变测量方法的所有内容。 而之后我们又学习了传感器和超声波新检测技术。传感器是一个测量装置，它能把被测物理量转换为有确定对应关系的电量输出，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求。传感器一般有敏感元件、传感元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源。传感器有静态特性和动态特性，可根据不同的需求选择不同的传感器。主要有：应变计式传感器、测力或称重传感器、压强传感器、位移传感器、扭矩传感器和压电式传感器等。超声检测是目前应用最广泛的无损检测方法之一。 超声波是超声振动在介质中的传播，实质是以波动形式在弹性介质中的传播的机械振动。超声波检测方法利用进入被检材料的超声波（>20KHz）对材料表面与内部缺陷进行检测。利用超声波进行材料厚度的测量也是常规超声检测的一个重要方面。此外，作为超声检测技术的特殊应用，超声波还用于材料内部组织和特征的表征以及应力的测量。超声波用于无损检测，有以下几项特性决定：一、超声波的方向性好；二、超声波的穿透能力强；三、超声波的能量高；四、遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波形转换；五、设备轻便，对人体及环境无害，可作现场检测。

而最近，发展迅速的光学测试技术，也是一项非常重要的内容。光能用于力学测量是由于它的特性决定的，所以要学习光学测试技术，首先得熟悉掌握光的各项特性。例如，光的叠加、光的干涉以及光的偏振。

我们最主要了解的且最重要的则是光弹性原理。有光力定律可知当光通过各向异性的透明物体时（水晶），光的速度在各个方向上是不相同的，一般情况下即使同一传播方向如果偏振面不同其速度也不一样。通过理论分析和公式推导，我们可得出公式：光程差Δ=c*d*（σ1-σ2）。式中c为模型材料的绝对应力光性系数，与材料有关。公式表明沿主方向通过得两束偏振光之间，其光程差与模型厚度及主应力差成正比。这种关系加上偏振光沿主方向分解的性质，称为光力定律。是光弹性实验方法的理论基础。并且，我们可以有平面偏振干涉装置测量光力效应。

在实验中，我们绘制了等色线及等倾线。等色线又叫做等主应力差线，同一条干涉条纹上光程差相等也就是主应力差相同。等倾线则是干涉条纹上主应力的方向相同且和偏振镜的光轴一致，我们将偏振镜和分析镜同步旋转就会有不同的等倾线出现，根据这些等倾线就可以知

道模型上各点的主应力方向。这便是将光弹性应用于应力测量的原理。

然后我们学习了散斑干涉法，散斑干涉法是20世纪70年代发展起来的一种实验力学方法，它是一种非接触式的测量物体位移和应变的技术。它有很多优点：一、全面，只管；二、不必在所测构件上附加一些感受元件；三、光路简单、计算方法简便；四、可以用于实物和模型的测量；五、对于透明物体来说还可以测量物体内部的变形和应力。 当相干光照射到引起漫反射的物体表面时，物体各部位所发出的次波在物体表面的前方相干而形成大量的明暗的斑点，叫做散斑。这种散斑是非定域的，在物体前方空间的各个位置都存在，也叫做客观散斑。散斑的分布是随机的，但是对于一定物体表面的固定的光源来说，其分布规律是一定的。也就是散斑的空间结构之决定于照射的光源以及被照射物体表面的结构。由于散斑和所照射的表面存在着固定的关系，我们在物体位移前和位移后分别将散斑记录在一张照相底板上。底板上的复合散斑图即反映了物体表面各点位移的变化。通过适当处理可以将这种位移信息显露出来而加以量测。 我们通过老师的演示实验，了解了相关的装置及其光路。并观察了悬臂梁受向下的集中力时的位移情况。

以上大致就是这门课程我所总结的主要内容，由于能力有限，可能会有所遗漏。那么学习这门课程，对我们有什么用呢？纵观科学发展的历史，我们不免陷入真理和谬论的博弈中，探寻真理的道路总是崎岖部品的。例如，力是不是维持物体运动的因素；热的本质是什么；光的波粒二象性等等的问题。而探寻真理的道路确是唯一的，那就是实验。实验力学更是实验中的关键。掌握实验力学，我们能熟练地将实验运用于我们需要应用的任何地方，我们能各位更为精确的确定理论解释无法解答的问题。而现今科技迅速，各种热门的新兴物质，机器和理论都在迅速繁衍，实验力学更是为解决这些问题提供的实验方法。所以学习掌握实验力学，对我们的好处是毋庸置疑的。