我们的目标是提供实验教学的新方式,将材料力学实验从实验室搬到机房,使学生在局域网上也可以做拉伸、压缩、扭转等基本实验,实现以“软”代“硬”、以“虚”代“实”,再结合真实的实物实验,从而更好地达到材料力学实验教学的目的。
材料力学仿真实验系统应具备实验原理、实验操作步骤和方法、模拟实验、数据处理工具以及实验报告指南等功能,系统涉及的实验内容及其深度与广度应符合《材料力学实验》教学大纲的有关要求。具体内容考虑:1)与实验原理相关的国家标准、规范以文本的形式插入;2)实验操作步骤利用实际录像以视频的形式展现或者用数码相机拍摄实验主要过程图片加以滚动的字幕表示;3)模拟手段包括:基于数据库的互动3D动画模拟,基于动态数学模型的仿真模拟,并通过控件实现对不同材料数据库的调用和控制,以获得和真实实验一样的操作结果;4)自动进行数据处理,包括实验操作结果的自动生成记录,数据的记录与处理,实时加载曲线的绘制等。该系统基于Windows平台,采用模块化结构。各模块相对独立,可作为一个单独的可执行文件来运行,组合后构成整体系统。各模块出现故障可单独进行调整,对系统整体的运行影响不大。
1)原理规范:介绍了每个实验的基本原理,实验依据,实验设备和相应的取样,操作程序,其形式为文本形式。学生可以初步掌握实验的总体过程。
2)实验步骤:实验步骤是在实验原理的基础上,为刚开始使用本系统的学习者设计一个作为参考用的实验指导步骤。它采用图文混合方式,将实验步骤具体到对每个实验设备的个别操作,能有效地、快速地辅助学习者了解该实验的操作过程,它是对实验的总体指导,其步骤是规范和标准的。但本实验步骤中的具体数值是为方便介绍所选,不具限制性。学习者在熟悉实验步骤后,可根据自己的意愿调整各参数,独立并自由地操作实验。3)视频演示:主要是部分相关实验教学内容的录像资料,采用真实的设备、素材进行实验,以连续的活动图像,真实、有序、同步、形象地实现实验的全过程,主要用于学生的自学辅助。
4)模拟实验:是整个软件的核心,包含了拉伸、压缩等互动实验,在模拟实验过程中,系统随时对实验步骤进行错误提示、修正,利用控件对实验数据进行自动处理。通过模拟实验,学生不仅可以掌握实验过程、实验原理,同时也能很好地掌握仪器设备的操作。
5)辅助教学和即时交流功能:学生在线上机操作过程中遇到的问题疑难点可以随时与同学交流探讨或向教师请教,教师也可以随时发送测试题来检查学生的掌握程度。
》材料力学虚拟教学实验室
拉伸实验
压缩试验
扭转实验
弹性模量与泊松比电测实验
梁弯曲正应力电测实验
弯扭组合及等强度梁电测实验
》材料力学数值仿真实验室
梁弯曲虚拟实验影响因素分析
悬臂梁受力分析-材料力学
悬臂梁受力分析2-材料力学
截面中性线-材料力学
简支梁受力分析-材料力学
梁弯曲Ansys数值仿真
材料力学实验目录
第一部分 基本实验
一、 材料的基本力学性能实验
实验一 材料在轴向拉伸、压缩、扭转时的力学性能
二、 材料弹性常数的测定
实验二 工程材料弹性常数E、μ的测定
实验三 钢材切变模量G的测定
三、 梁应力与变形实验
实验四 直梁弯曲实验
实验五 梁变形实验
四、 组合变形实验
实验六 偏心拉伸实验
实验七 弯扭组合实验
第二部分 演示实验
实验八 薄壁圆筒压缩失稳演示实验
实验九 光弹性演示实验
实验十 疲劳演示实验
实验十一 主动控制阻尼减缓演示实验
第三部分 综合实验
实验十二 薄壁复合梁实验 1
第一部分 基本实验
实验一 材料在轴向拉伸、压缩、扭转时的力学性能
一、实验要求
1. 测定低碳钢在拉伸时的屈服极限、强度极限、延伸率和断面收缩率；
2. 观察低碳钢和铸铁在拉伸时的各种现象；
3. 观察低碳钢和铸铁在压缩时的各种现象；
4. 观察低碳钢和铸铁在扭转时的各种现象;
5. 观察试件的断口特征，分析其破坏原因，建立强度概念。
二、实验仪器和设备
1. 微机控制电子万能试验机；
2. 划线机；
3. 引伸仪；
4. 游标卡尺。
三、实验课安排
1、让学生做出低碳钢标准试件的拉伸应力——应变曲线，以加深对塑性材料在拉伸时四个阶段力学性能特点的认识；
2、教师采用现场演示、讲解与学生观察、讨论相结合的讲授方法，使学生了解不同类型材料在拉伸、压缩、扭转时的不同力学性能；
3、集中分析断口特点，使学生认识其破坏原因，从而建立强度概念。
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实验二 工程材料弹性常数的测定 ——电测法测钢材弹性模量E和泊松比μ
——引伸仪测铝材弹性模量E
一、实验目的
1.电测法测量钢材弹性模量E和泊松比μ；
2.用引伸仪测铝材弹性模量E；
2.验证单向拉伸虎克定律；
3.学习电测法的基本原理。
二、实验仪器和设备
1. 微机控制电子万能试验机
2. 电阻应变仪
3. 引伸仪
4. 游标卡尺
三、试件
中碳钢矩形截面试件，材料的屈服极限360MPa。
矩形截面铝试件，材料的屈服极限280MPa。
试件
实验装置
四、实验原理和方法
电测法测定钢材弹性常数E、μ, 一般采用比例极限内的拉伸试验。材料在比例极限内服从虎克定律，其关系式为：
0APEii⋅ΔΔ=ε =μεε′
用引伸仪测铝材的弹性常数E，要求精确地测量试件标距内的变形。其关系式为： AllPE⋅Δ⋅= 3
五、思考题
1. 如果试件上的应变片位置及角度贴得不准，对试验结果有无影响？
2. 电测法测弹性模量E，提出最佳布片方案？
3. 本实验的数据处理方法有什么优缺点？有无其他处理方法？
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实验三 钢材切变模量的测定
一． 实验目的
1．测定钢材的切变模量G；
二． 实验设备和器材
1．微机控制电子万能试验机；
2．扭角仪；
3．电阻应变仪；
4．百分表,游标卡尺。
三． 试件
中碳钢圆轴试件，直径d = 40mm, σs= 360MPa
四． 实验方法
1．扭角仪测切变模量G
测量扭转角的装置如图所示
实验原理 G =pITLΦ
实验扭转角为：φ = bδ
δ——百分表杆移动距离
b——百分表杆触点至试件轴的距离
2.电测法测切变模量G
实验原理 G =0452εpWT−
通过电测法可测出450方向的正应变045ε
实验贴片:在试件表面贴直角电阻应变花（如下图）。
－45°
＋45°
测量方法：四分之一桥；二分之一桥；全桥。 5
实验四 直梁弯曲实验
一. 实验目的：
1. 用电测法测定纯弯梁横截面上的正应变分布，并与理论计算结果进行比较。
2. 验证纯弯理论的两个假设；
3. 学习电测法的多点测量。
二. 实验设备：
1. 微机控制电子万能试验机；
2. 电阻应变仪。
三． 实验试件：
本实验所用试件为中碳钢矩形截面梁，其横截面设计尺寸为h×b
=(50×30)mm2 ( 图1 ), 材料的屈服极限σs= 360MPa, 弹性模量E=210GPa。
图1 实验装置图
四.实验原理：
梁受纯弯曲时（见图1），根据平面假设和单向受力假设，其横截面上的正应力为线性分布，距中性层为 y 处的正应力和正应变分别为：
ZIyMy⋅=)(σ ZIEyMy⋅⋅=)(ε 6
实验采用电测法，在梁纯弯曲段某一横截面A—B的不同高度（梁的顶面、底面、中性层及距中性层±15mm）处粘贴纵向电阻应变片（见图1），并在梁的上下表面处粘贴横向应变片。
实验加载方案采用增量法，分别测得上述各点在载荷增量△P作用下的应变增量Δεi 。
五.思考题：
1.本次实验采用的夹具有何要求？
2.按拟定好的加载方案，如何用互补半桥接线法测定最大弯曲正应变？
3.在试件A-B截面的上表面和下表面（图1），沿纵轴方向分别再贴上R1’和R5’两个应变片，按拟定好的加载方案，如何用全桥接线法测最大弯曲正应变？
4．如果已有两个温度补偿片，在仅有R1和R1’或仅有R5和R5’两个应变片的情况下，如何用全桥接线法组成对桥测量电路？请画出接线图。
5．安装试件时应当注意什么问题？
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实验五 梁变形实验
（1）简支梁实验
（2）悬臂梁实验
（1）简支梁实验
一、 实验目的：
1、简支梁在跨度中点承受集中载荷P，测定梁最大挠度和支点处转角，并与理论值比较；
2、验证位移互等定理；
3、测定简支梁跨度中点受载时的挠曲线（测量数据点不少于7个）。
P
fmax
θ
二、 实验设备：
1、简支梁及支座；
2、百分表和磁性表座；
3、砝码、砝码盘和挂钩；
4、游标卡尺和钢卷尺。
三、 试件及实验装置：
中碳钢矩形截面梁，=sσ360MPa，E=210GPa。
实验装置图 8
四、 实验原理：
1、简支梁在跨度中点承受集中载荷P时，跨度中点处的挠度最大；
2、梁小变形时，简支梁某点处的转角)(θθtg≈；
3、验证位移互等定理部分请参照理论课教材的相关内容，自行确定实验方案；
五、 思考题：
1、简支梁非支点处的转角是否可以通过本实验测出？为什么？
2、验证位移互等定理时，是否可在梁上任选两点进行测量？
3、在测定梁挠曲线时，如果要求百分表不能移动，能否测出挠度曲线？怎样测？
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（2） 悬臂梁实验
一. 实验目的：
利用贴有应变片的悬臂梁装置，确定黑色砝码的质量m。
二.实验设备：
1.悬臂梁支座；
2.电阻应变仪；
3.白色砝码两个，黑色砝码一个，砝码盘和挂钩。
4.游标卡尺和钢卷尺。
三.实验试件及装置：
中碳钢矩形截面梁，屈服极限бs=360MPa,弹性模量E=210GPa。
RB
RA
mg
图（1）实验装置示意图
四.实验原理：
在某一横截面的上下表面A点和B点分别沿纵向粘贴电阻应变片。
加载方案采用重复加载，要求重复加载次数n≥4。ΔP = mg 。
由梁的弯曲正应力公式导出黑色砝码重量mg的计算公式
lWEmgz⋅Δ⋅=ε
五.思考题：
1.如果要求只用梁的A点或B点上的电阻应变片，如何测黑色砝码的质量？
2.如果要求梁A点和B点上的电阻应变片同时使用，如何测黑色砝码的质量？
3.比较以上两种方法，分析哪种方法实验结果准确？
4.如果悬臂梁因条件所限只能在自由端端点处安装百分表，如何测得悬臂梁自由端受载时的挠曲线。（要求测量点不少于5点）
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实验六 偏心拉伸实验
一、实验目的
1．测最大正应变maxε
2．测中碳钢材料的弹性模量E
3．测构件的偏心距e
4．进一步学习电测方法
二、实验设备
1．微机控制电子万能试验机；
2．电阻应变仪；
3．游标卡尺。
三、试件
中碳钢矩形截面试件，（如图所示）。
截面的名义尺寸为h×b = (7.0×30)mm2 ，σS = 360MPa。
四、实验原理
在外载荷作用下，试件承受偏心拉伸，偏心距为e。在试件两侧面的a点和b点处分别沿试件纵向粘贴应变片Ra和Rb ,则：
εa =εp +εM +εt
εb =εp -εM +εt
式中： εp——轴力P产生的应变
εM——弯距M产生的应变
εt——温度t产生的应变
通过不同的组桥方式即可将式中的εp+εM、εp及εM值分离出来，进一步求得最大正应变maxε，弹性模量E和偏心距e值。
思考题
1．材料在单向偏心拉伸时，分别有哪些内力存在。
2．用不同的组桥方式测εP时，哪种方式测量精度高。 11
实验七 弯扭组合试验
一． 实验目的
1． 用电测法测定平面应力状态下一点处的主应力大小和主平面的方位；
2． 测定弯扭组合变形杆件中，分别由弯矩和扭矩引起的应变，并确定该截面上弯矩、扭矩的数值；
3． 学习电阻应变花的应用。
二． 实验仪器和设备
1． 微机控制电子万能试验机；
2． 电阻应变仪 ；
三． 试验装置
弯扭组合试验装置如图所示，中碳钢材料屈服极限sσ＝360MPa，弹性模量E＝206GPa，泊松比μ＝0.28。
实验装置图
四． 实验原理
圆轴试件的一端固定，另一端通过一拐臂（l1＝150mm）承受集中荷载P，圆轴处于弯扭组合变形状态，在轴某一横截面A－B(l2＝150mm)的上、下两点沿0°和±45°方向贴电阻应变片。
本次实验采用三轴直角应变花，沿θa＝－45°、θb＝0°、θc＝+45°粘贴，测得以上三个方向的线应变值，根据材料力学公式：12
αγαεεεεεα2sin22cos22xyyxyx+−++= （1）
可求得εx、εy、γxy。
再根据广义虎克定律、主应力计算公式和主平面方位角计算公式，即可得到某点处主应力的大小和主平面的方位。
构件受弯矩M和扭矩MT作用，其表面的任一点皆为平面应力状态。
任一截面弯矩、扭矩的测试方法如下：
弯矩测量
以某截面上应力最大的上点或下点作为测量点。因为轴向应力бx由弯矩M引起，故应利用沿X方向的应变片，由于
бx＝EεX＝M／WZ
故 M＝EWZε0
式中ε0的测量可用1/4桥接法，也可采用半桥接法。
扭矩测量
剪应力τxy是扭矩MT引起的，MT应通过τxy来测量。由式(1)可知γxy与ε±45°有关，故测MT时应利用沿±45°方向的应变片。
γxy的测量可按半桥或全桥组桥。
五、思考题
如果要求一次加载同时测出作用在A-B截面上的弯矩和扭距，如何实现。
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第二部分 演示实验
实验八 薄壁圆筒压缩失稳演示实验
一、实验目的：
1、观察薄壁圆筒受压时变形特点；
2、分析薄壁圆筒受压破坏的原因，加深对稳定性问题的认识。
二、实验设备：
1、微机控制电液伺服万能试验机；
三、实验课安排：
实验课采用教师现场演示、讲解与学生参观、讨论相结合的讲授办法，使学生了解试件的不同破坏特点，激发学生对力学学科的兴趣。
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实验九 光弹性演示实验
一、实验目的：
1、参观平面光弹性实验装置，观察纯弯梁的应力场及带孔拉伸试件的孔边应力场；
2、参观近代光学测试装置，用焦散线法测裂纹尖端应力强度因子；
3、通过三组演示实验，直观了解光测法的基本原理及特点，并加深对局部应力的认识。
二、实验设备：
1、409-2型光弹仪；
2、激光光源；
3、傅立叶光学镜片；
4、图像采集系统。
三、实验课安排：
实验课采用教师现场演示、讲解与学生参观、讨论相结合的讲授办法，使学生了解不同的实验测试方法。
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实验十 疲劳演示实验
一、实验目的：
1、参观疲劳实验设备；
2、了解疲劳载荷的特点；
3、了解疲劳强度和疲劳特性曲线的测定方法；
4、观察金属材料在交变载荷作用下的破坏特点。
二、实验设备：
1、悬臂式疲劳试验机；
2、纯弯疲劳试验机；
3、高频疲劳试验机。
三、实验课安排：
实验课采用教师现场演示、讲解与学生参观、讨论相结合的讲授办法，使学生了解试件在动载荷作用下的力学行为特点，观察疲劳破坏试件断口，认识动载荷与静载荷对构件的不同作用效果。
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实验十一 主动控制阻尼减缓演示实验
一、实验目的：
1、参观主动控制阻尼减缓系统实验装置；
2、了解梁的长度对梁振动模态的影响；
3、了解利用智能材料控制梁振动的方法及其应用。
二、实验设备：
1、表面贴有压电陶瓷的不同长度悬臂梁装置两个；
2、控制箱；
3、数据采集系统。
三、实验课安排：
实验课采用教师现场演示、讲解与学生参观、讨论相结合的讲授办法，使学生了解梁振动的特点以及智能材料的应用。
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第三部分 综合性实验
实验十二 薄壁复合梁实验
一、实验内容
薄壁复合梁的实验应力与变形分析：
学生可以自行选择两种材料的组合形式：搭接、搭接加润滑油、胶接加铆接等。自己提出实验目的和实验内容、拟定实验方案，独立实验，独立查阅参考文献和分析实验结果。如果对实验结果不满意，在分析原因和制定新的实验方案后，可以多次进行实验。教师应学生要求，在实验过程中参与讨论，进行必要的指导。
鼓励学生探讨与材料力学理论公式不相符的实验结果，对材料力学的力学模型，理论公式的精度及适用范围结合实验结果进行分析评价，鼓励学生提出自己的见解，对具体的问题提出改进方案。
二、实验设备与试件：
1、微控电子万能实验机；
2、电阻应变仪与相应的配套设备；
2、铝合金薄壁矩形截面型材（开口和闭口两种），中碳钢板条；
3、上述两种型材的复合梁（胶接加铆接）。
铝合金型材
钢板型材
三、实验时间
课内时间一般为４～６学时，第一次课集中上，以后约定时间（开放实验室）。
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四、考核方式
学生提交试验小论文一篇。教师根据学生的实验能力、小论文的深度进行评分。注重学生的动手能力，注重独立见解。
