材料力学基础与创新实验

本书以材料力学实验为研究对象，全书由5篇构成。第1篇为材料力学基本理论概述，介绍四种基本变形理论、平面应力状态理论、组合变形及强度理论、压杆稳定理论；第2篇为电阻应变测量法简介，介绍电阻应变片和测量电桥的工作原理及工作特性、电桥接线方法、测量电桥的应用；第3篇为实验设备及实验数据处理方法，介绍本书实验中主要用到的实验设备的结构功能及操作方法、数据统计方法、最小二乘法、线性回归方法等；第4篇为实验实践，主要介绍金属材料的拉伸实验、压缩实验、弹性模量的测试、扭转实验、纯弯曲梁正应力实验以及电阻应变片的粘贴、弯扭组合变形、压杆稳定、偏心拉杆极值应力电测法、拉扭组合、同材料或不同材料的叠合梁实验，以及不同加载速率、加载路径下金属的拉伸、拉扭力学性能测试、简支梁的低阶固有频率及振型测试、压力水塔及斜拉索基频测试、煤岩体单轴压缩的声发射等实验；第5篇为ANSYS数值模拟及其与实验结果的对比，简单介绍了ANSYS软件，给出用ANSYS软件模拟偏心拉杆的极值应力、矩形截面压杆临界载荷、压力水塔横向振动频率、不同加载速率下铸铁拉扭的力学性能、不同截面形状杆件的扭转变形5个算例，并将数值模拟结果与理论值、实验值进行比较。本书利用现代教育技术和互联网信息技术，将部分学生难以理解的重点难点知识制作成微课视频等，通过二维码技术实现数字资源与纸质教材的融合，便于学生预习和复习使用。

第1篇 材料力学基本理论概述
第1章 四种基本变形理论 1
1.1 轴向拉伸与压缩 1
1.2 剪切与挤压 2
1.3 扭转 3
1.4 弯曲 7
第2章 平面应力状态理论 13
2.1 斜截面上的应力计算 13
2.2 主应力与主方向 14
第3章 组合变形及强度理论 18
3.1 四种常用的强度理论 18
3.2 弯拉（压）组合 21
3.3 弯扭组合 21
第4章 压杆稳定理论 23
4.1 压杆临界应力的计算公式 23
4.2 临界应力总图 24
第2篇 电阻应变测量法简介
第5章 电阻应变片的工作原理及特性 25
5.1 电阻应变片的工作原理 25
5.2 电阻应变片的结构与分类 26
5.3 电阻应变片的主要工作特性 28
第6章 测量电桥的工作原理及特性 30
6.1 测量电桥的工作原理 30
6.2 温度补偿 31
第7章 电阻应变片在电桥中的接线方法 33
7.1 半桥测量接线法 33
7.2 全桥测量接线法 34
7.3 串联和并联测量接线法 35
7.4 应力应变测量 36
第8章 测量电桥的应用 38
8.1 半桥接线法的应用 38
8.2 全桥接线法的应用 41
8.3 串联接线法的应用 44
第3篇 实验设备及实验数据处理方法
第9章 电子拉扭组合多功能实验机 47
9.1 实验机简介 47
9.2 实验机结构组成 48
9.3 软件安装 49
9.4 软件使用说明 49
9.5 开始实验 50
第10章 材料力学多功能实验台 51
10.1 实验台简介 51
10.2 主要技术指标与注意事项 52
第11章 应力应变综合参数测试仪 53
11.1 主要特点与技术指标 53
11.2 桥路连接及加载测试 54
11.3 测量参数设定 55
11.4 各功能键使用说明 56
11.5 注意事项与操作步骤 57
第12章 声发射信号测试系统 58
12.1 测试系统的组成 58
12.2 单轴压缩声发射实验步骤 60
第13章 电子引伸计 64
13.1 引伸计结构及工作原理 64
13.2 引伸计使用方法 64
第14章 百分表 65
14.1 百分表的构造和工作原理 65
14.2 百分表的检查和读数方法 66
14.3 使用注意事项和主要应用 67
第15章 实验数据处理方法 68
15.1 时域分析 68
15.2 频域分析 68
15.3 一元线性回归 69
15.4 多元线性回归 71
15.5 相关系数 72
第4篇 实验实践
第16章 基础性实验 74
实验一 金属材料的拉伸实验 74
实验二 金属材料的压缩实验 80
实验三 金属材料弹性模量的测试 85
实验四 金属材料的扭转实验 89
实验五 纯弯曲梁的正应力实验 96
实验六 电阻应变片的粘贴实验 101
第17章 创新设计性实验 103
实验七 材料弹性模量和泊松比的电测法实验 103
实验八 偏心拉杆极值应力的电测法实验 110
实验九 基于多功能实验台的弯扭组合变形实验 116
实验十 不同材料的自由叠合梁弯曲正应力实验 123
实验十一 不同材料的楔块叠合梁弯曲正应力实验 129
实验十二 压杆稳定临界载荷的电测法实验 135
实验十三 不同加载速率及加载路径下金属的拉伸破坏实验 141
实验十四 不同加载速率及加载路径下金属的拉扭组合变形实验 145
实验十五 等高式悬臂等强度梁实验 152
实验十六 简支梁低阶固有频率及主振型的测量 156
实验十七 徐州和平大桥斜拉索的振动基频测试 162
实验十八 压力水塔纵向及横向振动的固有频率测试 170
实验十九 煤岩体单轴压缩破坏过程的声发射实验 176
第5篇 ANSYS数值模拟及其与实验结果的对比
第18章 ANSYS软件简介 181
18.1 ANSYS软件提供的分析类型 181
18.2 ANSYS单位制及基本分析步骤 182
第19章 偏心拉杆极值应力的数值模拟 184
19.1 问题描述及定性分析 184
19.2 具体分析步骤 184
19.3 数值模拟结果与理论值的比较 192
第20章 细长压杆临界载荷的数值模拟 193
20.1 屈曲分析简介 193
20.2 具体分析步骤 193
第21章 压力水塔横向振动固有频率的数值模拟 200
21.1 模态分析简介 200
21.2 ANSYS模态理论分析基础 200
21.3 具体模拟步骤 201
21.4 模拟结果与实验结果对比 211
第22章 不同加载速率下铸铁拉扭性能的数值模拟 212
22.1 铸铁拉伸扭转的模拟方案 212
22.2 软件模拟的具体步骤 212
22.3 模拟值与实验值对比 220
第23章 圆形及矩形截面杆件扭转变形的数值模拟 222
23.1 用ANSYS模拟圆轴扭转的分析步骤 222
23.2 用ANSYS模拟矩形截面杆的翘曲 229
参考文献 232