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工程力学设计项目报告
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简介

理解力学中的材料对于材料在力学中的应用至关重要。 这一事实导致了对桁架桥的研究,以确定它在高于允许规格(Ashby)的载荷下永久偏转的原因。 该测试主要需要确定由于负载而导致的桁架桥失效的原因。 该测试主要需要加载桁架桥并收集与杨氏模量,屈服应力和极限拉应力的编制相关的数据。 这些测试将分别进行,以提高所获数据的准确性。 本文档介绍了获得的原始数据,故障报告和材料测试讨论。

实验旨在熟悉构成桁架桥的各种梁的载荷和挠度之间的关系。 它还旨在探索构成梁的材料的杨氏模量理论。 将要进行的实验是弯曲试验台,悬臂的偏转和简支梁的偏转。 弯曲试验将涉及在支撑在钻机夹具之间的轴上加载质量块并测量载荷 - 挠度关系。 悬臂实验的偏转将涉及用于钢和铝的悬臂梁的偏转。 最后,简支梁试验的偏转需要研究钢和铝的简支梁的挠度。

执行摘要

这些测试试图用工程原理来解释桁架桥的失效。 该桥在高于允许规格的载荷下经历永久变形。 测试方法涉及测试金属材料的张力。 试验在室温下进行,金属锻造成梁。 该试验主要是为了确定桁架桥梁的杨氏模量,屈服应力和极限拉应力。 桁架的构件由退火的不锈钢等级405(弹性模量= 200 GPa,屈服强度= 170 MPa,极限拉伸强度= 415 MPa)制成。 发现桁架的长度约为80米,高度约为6米。 每个桁架舱的大小相等(国际)。 底部弦杆构件由40x40 mm方形截面组成,所有其他桁架构件均为80x80 mm方形截面。

该测试的例外情况是针对个别成员进行的,其中必须得出结论,成员将以其允许的应力和应变区域运行。 这些构件也被认为是非弹性的,因此当超过其弹性极限时它们可能会发生断裂。 室温被认为是10至38℃。 这些值都转换为SI单位。

实验室的主要目的是测试桥梁的两个成员; 拉伸和压缩构件。 两种不同的梁(悬臂和简支梁)在不同载荷下进行试验,获得载荷挠度,从而确定桥梁在载荷作用下永久挠曲,高于允许的规格。 测试计算杨氏模量的结果准确。 该测试证明可用于确定梁的材料的杨氏模量,因此与拉伸试验相比提供了优异的结果。 (90x90)张力构件和(80x80)压缩中的应力高于材料属性允许的应力。 高于屈服点的较高压缩导致直径变形,从而扭曲构件的横截面积,同时张力减小了构件的直径。

用于确定材料屈服点的杨氏模量的计算能够确定桥梁将屈服于桥梁中心引入的质量。 这一发现是因为当引入压缩力时很容易超过屈服点。 材料测试讨论

为了测试桁架桥构件材料的性能,我们进行了压缩试验和拉伸试验(Peixoto,Sousa和Restivo)。 要测试的主要元素是用于构建新桥的潜在材料的杨氏模量,屈服应力和极限拉应力。 弯曲实验有效地获得杨氏模量计算的准确值。 简单支持有点不受欢迎。

杨氏模量

以下是实验材料中使用的梁的尺寸

工程力学的AWB设计项目报告

光束偏转与Euler-Bernoulli光束理论一致。 这些原则将被考虑用于实验的设置。 悬臂梁在梁的自由端处具有最大偏转,并且在简支梁中它发生在梁的中心处。 为了计算悬臂和简支梁的最大挠度,可以使用以下方程。

工程力学的AWB设计项目报告

L是梁的长度(mm)

E是杨氏模量(GPa或N / mm2)

P是负载(牛顿)

我是2nd转动惯量(mm4)

下图表示两次实验中经历的偏差。

杨氏模量表示应力 - 应变曲线中线的斜率。 为了从测试中确定杨氏模量,我们绘制了载荷与所得偏转之间的关系,从而获得了图的斜率。 在图中处理线性关系y = bx + c,我们得到以下等式。

从实验中,我们首先计算第二惯性矩,以便能够获得偏转

从上面的读数我们可以计算出第二转动惯量

获得最大偏转

获得的偏转可用于确定梁材料的杨氏模量。

房地产 你的价值 单位
杨氏模量 46.025 GPA
0.2%证明压力 283.07 兆帕
极限拉伸应力 348.54 兆帕
缩颈时的工程应变 22.26 %
延展性 33.4599 %

为了设计光束,我们绘制了光束相对于负载的相应延伸。

MS Blackform

SS 304
Al 5005
Al 5052
SS 304

屈服应力和极限拉应力

拉伸试验用于测量梁的机械性能。 它涉及拉伸载荷对桥梁伸长率(长度变化)的影响。 为了全面分析梁的材料,我们监测它们在拉伸和压缩下的行为(G,Totten和MacKenzi)。 拉伸和压缩的假设对材料常数的值起作用。 所形成的应力和变形公式在拉伸和压缩时应用于桥梁构件,从而确定了梁上的载荷效应。 材料的抗压强度不同于它们的抗拉强度。 从应力 - 应变图中,弹性模量对于拉伸和压缩是相同的。 但从结果来看,铝的抗压强度是钢的两倍。 在没有卸载的情况下进行压缩试验,因此在压缩和张力方面梁的行为几乎相同。

弹性模量,屈服应力和极限应力相等。

根据从桁架获得的样品的光束长度的原始长度的应变和应力,等于光束的伸长率(光束长度的变化)除以光束的原始长度。 由于应变和应力都具有长度单位,因此应变具有无量纲单位并且主要以米和毫米表示。 通常,应变可以表示为工程应变,作为百分比应变或伸长百分比(M)。

工程应变=工程应变x 100%

应力 - 应变图的图表产生的曲线通常是线性的并且遵循该关系。 这种线性关系基于胡克定律,屈服点代表弹性变形。 去除梁的区域中的载荷,构件将恢复其原始形状而不会永久变形。 曲线的梯度是弹性模量或杨氏模量,它类似于弹簧常数。 由于键的差异,材料的杨氏模量不同,材料的杨氏模量不受微观结构的影响,但完全受结构中原子的结合强度的影响。 当载荷增加时,应力水平增加到超过弹性极限的点,如果应力超过屈服应力并且发生梁的永久变形。 由于结构中的行为类型,永久变形被称为塑性变形。 很难确定从弹性到塑性行为发生变化的确切点。 0.2%偏移方法通常用于估计这一点。 通过应变绘制到弹性曲线的平行线,并且与应力 - 应变曲线的交点定义了屈服应力。 极限拉应力是工程应力 - 应变图中的最大应力。 在过度加载后,梁最终会经历大范围的塑性变形,然后最终在最终失效之前经历称为颈缩的局部变形。 该区域是变形不稳定的结果,并且在其形成之后,因此任何变形都限于该区域。 此时,拉动梁失效所需的真正应力不断增加,直至断裂。 但是,由于在颈缩发生后使用梁的原始横截面计算应力,因此工程应力的值减小。 梁的延性的特征在于失效应变或长度变化百分比。 如果在断裂之前发生明显的颈缩,则梁的尺寸变化百分比将是梁的延展性的明确量度。

结论

该实验旨在确定用于桁架桥的梁的延展性。 构成桁架桥的梁的荷载和挠度之间的关系。 该实验能够测试构成梁的材料的杨氏模量的理论。 到目前为止进行的实验涉及弯曲试验台,悬臂的偏转和简支梁的偏转。 弯曲试验包括在支撑在钻机夹具之间的梁上加载质量并测量载荷 - 挠度关系。 悬臂实验的偏转涉及用于钢和铝的悬臂梁的偏转。 最后,简支梁试验的偏转需要研究钢和铝的简支梁的挠度

杨氏模量是梁材料响应施加的力引起梁的应力变形的量度,是设计和桥梁或建筑物等机械工程系统时要考虑的基本变量。 杨氏模量是应力 - 应变曲线的梯度。 我们设计并使用夹具来固定梁,以测量铝和钢梁的杨氏模量。 梁的一端用夹紧块保持拉紧,另一端与负载一起悬挂,以产生应力和应变,从而为设计提供数据。 向梁施加质量会使梁伸展并使梁偏转。 偏转量与施加在梁上的载荷成比例。 通过光束的偏转除以光束的初始长度,发现应变; 可以使用施加的力量除以梁的横截面积来找到应力。 然后绘制应力 - 应变图,并使用图的斜率确定杨氏模量。

引用

Ashby,M F. 机械设计中的材料选择。 Butterworth-Heinemann:牛津,1999。 打印。

G,Totten,G Totten和D MacKenzi。 “铝手册”。 物理冶金和工艺(2003):403。 打印。

国际,ASTM。 金属材料拉伸试验的标准试验方法。 年鉴。 West Conshohocken:ASTM International,2015。 打印。

M,拉多维奇。 “用于测定固体弹性性质的不同实验技术的比较。” 材料科学与工程(2004):368。 打印。

Peixoto,Daniel,et al。 年轻人的模块测定:不同的方法。 国际实验力学会议。 波尔图:葡萄牙波尔图大学机械工程系(DEMec),2012。 打印。

压住他
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