Лабораторные работы

Главная

Лабораторные работы по сопротивлению материалов

и композиционным материалам

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса «Сопротивление материалов». Проф. С.П. Тимошенко, впервые внедривший лабораторные работы в учебную программу курса в 1908 году в Киевском политехническом институте, писал: «…Совокупность аналитических методов, служащих для определения внутренних усилий, и тех приемов, которыми пользуются при экспериментальном исследовании прочности строительных материалов, составляет предмет науки сопротивления материалов».

Современная учебная программа предусматривает проведение цикла лабораторных работ, в ходе которых решаются две принципиально разные проблемы. С одной стороны, проводится экспериментальная проверка справедливости допущений и гипотез, применяемых в теоретических выкладках при выводе окончательных формул. С другой стороны, расчет конструкций или их отдельных элементов не может быть произведен без знания важнейших механических характеристик материала: предельно допустимых напряжений и упругих постоянных материала (модулей упругости Е и G, и коэффициента Пуассона), которые определяются опытным путем. Таким образом, основными задачами лабораторного практикума являются: исследование механических свойств и определение механических характеристик материалов, опытная проверка теоретических выводов и законов, а также изучение студентами современных экспериментальных методов исследования напряженного и деформированного состояний материала и обработки экспериментальных данных.

Приведенные темы лабораторных работ из-за ограниченного объёма учебных часов, не претендуют на охват всего многообразия задач сопротивления материалов, а включают лишь основные работы.

Существуют и другие методы экспериментального исследования моделей, деталей машин и элементов конструкций (голографический, фотоупругости, хрупких покрытий, муаровых полос, рентгеновский и др.), которые применяют в зависимости от объекта исследования, наличия оборудования и др.

При описании лабораторных работ приводятся:

- их цели и содержание,

- описание и характеристики применяемого оборудования,

- методики практического выполнения работ,

- методики обработки опытных результатов.

Предполагается, что обучаемые имеют на руках специальные журналы лабораторных работ, в которые заносятся опытные и расчетные результаты. Перед тем как приступить к выполнению заданной лабораторной работы, студент должен усвоить краткие теоретические сведения по теме, изучить принцип работы и устройство испытательной машины или установки, приборов для измерения напряжений и деформаций, методику выполнения работы, а также способы представления обработки экспериментальных данных.

Правила по технике безопасности для студентов при проведении

лабораторных работ по испытанию материалов

1. Лабораторные работы проводятся под наблюдением преподавателя или лаборанта. К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после прослушивания инструктажа по технике безопасности и противопожарным мерам. После инструктажа каждый студент расписывается в специальном журнале.

2. Все механические испытания материалов проводятся учебно-вспомогательным персоналом на испытательных машинах. Студент может работать на испытательных машинах и установках только с разрешения и под руководством преподавателя. Студентам запрещается самостоятельно включать и выключать машины, проводить какие-либо операции на них и оставлять их без наблюдения в процессе работы. Студентам также не разрешается отлучаться из лаборатории до полного окончания лабораторных работ.

3. Все измерения образцов, необходимые для выполнения лабораторных испытаний, проводятся до установки их в захваты испытательных машин. Измерения образцов после испытания можно производить только после снятия последних с машины. Для визуального осмотра результатов испытаний можно подходить к машине только с разрешения преподавателя. При использовании сменных грузов не следует складывать их на краю стола во избежание падения и травмирования ими окружающих.

4. Перед началом работы проверить соответствие грузов на маятнике силоизмерителя величине ожидаемой нагрузки при испытании образца. Не разрешается испытывать образцы, требующие нагрузки большей, чем указано в технической характеристике машины.

5. Выбор приспособления для закрепления образцов должен соответствовать типу образца и виду деформации. Перед пуском машины необходимо проверить надежность закрепления испытуемого образца.

6. При проведении лабораторных испытаний нельзя находиться в непосредственной близости от движущихся частей машины. При испытании хрупких или закаленных образцов необходимо пользоваться защитным экраном из органического стекла или металлической заслонкой.

7. Корпус испытательной машины должен быть надежно заземлен. При работе на машинах и установках нельзя прикасаться к токоведущим частям, а также к электрощитам и электрорубильникам.

8. Запрещается проводить ремонтные мероприятия, устранять неисправности электрооборудования и чистить машины и установки во время работы или когда они находятся под напряжением.

9. После завершения работы студенты обязаны собрать измерительные инструменты, методические пособия и сдать их учебному лаборанту. В случае потери пособий, порчи инструментов или испытательных приборов студенты несут материальную ответственность за них.

10. При нарушении требований техники безопасности студент отстраняется от дальнейшего выполнения лабораторной работы. Если действия студента не привели к серьезным последствиям, то он может быть вновь допущен к лабораторным занятиям лишь после повторного инструктажа.

Правила выполнения лабораторных работ

1. К выполнению лабораторных работ студенты допускаются после проведения инструктажа по технике безопасности. При нарушении этих правил студент удаляется с лабораторного занятия и считается его пропустившим. Студент несет материальную ответственность за поломки и повреждения лабораторного оборудования и инструментов, возникшие по его вине.

2. Перед выполнением лабораторных работ студенту необходимо ознакомиться с руководством к ним. К работе допускаются студенты, усвоившие теоретический материал, что проверяется преподавателем перед занятием.

3. Вся лабораторная проработка - замеры, наблюдения, вычисления выполняются каждым студентом самостоятельно.

5. Лабораторная работа считается выполненной при наличии подписи преподавателя. Отработка пропущенного лабораторного занятия производится в специально отведенное для этого время под руководством учебного лаборанта.

Правила оформления лабораторных работ

Каждую лабораторную работу оформляют отдельно на листах формата А4 (210 х 297 мм) с соблюдением правил ЕСКД черными чернилами или пастой.

Общий план оформления лабораторных работ:

- Указывают цель данной лабораторной работы.

- Приводят список используемого оборудования, приборов и измерительных инструментов.

- Излагают кратко общие сведения о свойствах материалов, подлежащих определению, или приводят теоретические формулы и положения, подвергаемые экспериментальной проверке.

- Показывают наиболее важные для понимания сущности работы рисунки и расчётные схемы.

- Подготавливают протокол испытаний.

- Проводят под руководством учебного мастера или преподавателя испытание материала или лабораторной установки и заносят необходимые данные в протокол испытаний.

- Выполняют обработку экспериментальных данных.

- Проводят необходимые теоретические расчёты.

- При решении первой основной задачи определяют марку стали или сравнивают полученные характеристики со среднестатистическими данными. При решении второй основной задачи сравнивают между собой опытные и теоретические значения определяемых величин.

- Делают выводы по работе, ориентируясь на поставленную цель.

Вычисление значений физических величин необходимо выполнять используя Международную систему единиц (СИ).

Сравнение результатов производят следующим образом. Сначала вычисляют расхождение двух значений в процентах по формуле

где X_оп - опытное значение величины X; X_т - теоретическое или среднестатистическое значение величины X.

Затем в зависимости от полученного расхождения δ(X) делают вывод о степени согласования между собой среднестатистических данных или теории с экспериментом, придерживаясь следующей градации:

0≤δ(X)≤5% – очень хорошее;

5%≤δ(X)≤10% – хорошее;

10%≤δ(X)≤30% – удовлетворительное;

30%≤δ(X)≤100% – неудовлетворительное.

Необходимо отметить, что указанная градация условна и связана как с неточностью теоретических формул, так и с ошибками экспериментов. Неточность теоретических выводов обусловлена введением целого ряда упрощающих гипотез и предположений. Ошибки экспериментов вызваны влиянием различных факторов, не учитываемых при проведении опытов: погрешностями измерительных приборов и другими причинами.

Обозначения, принятые в лабораторных работах

A	площадь поперечного сечения бруса;
A₀	площадь поперечного сечения образца до испытания;
A_ш	площадь поперечного сечения образца после разрыва (площадь шейки);
a, a₁, a₂	удельная работа разрыва образца; ударная вязкость; расстояние от конца бруса до заданного сечения, плечо приложения внешней нагрузки;
b	ширина поперечного сечения бруса;
D	наружный диаметр трубы;
d	внутренний диаметр трубы, диаметр зоны долома образца, диаметр шара;
d₀	диаметр образца до испытания;
d_ш	диаметр образца в месте образования шейки;
E	модуль продольной упругости материала;
EI	жесткость сечения при изгибе относительно главной центральной оси;
F	внешняя сосредоточенная сила;
∆F	абсолютное приращение внешней силы, ступень нагружения;
F_x, F_y	составляющие силы по направлению главных осей X, Y;
[F]	допускаемая сжимающая нагрузка при расчете на устойчивость;
F_кр	критическая нагрузка при расчете на устойчивость;
F_max	максимальное значение внешней сосредоточенной силы;
f	стрела прогиба балки;
f_x, f_y	прогибы балки в направлении главных осей инерции сечения X, Y;
G	модуль сдвига материала;
H	высота падения груза при ударе;
h	высота поперечного сечения образца, балки, высота образца;
I_x, I_y	осевые моменты инерции поперечного сечения;
I_max, I_min	главные моменты инерции поперечного сечения;
I_p	полярный момент инерции поперечного сечения;
K	коэффициент увеличения рычажного тензометра, тарировочный коэффициент датчика омического сопротивления, цена деления индикатора часового типа, коэффициент анизотропии;
K_y	коэффициент запаса устойчивости;
l₁	длина стержня, балки;
l₀	расчетная длина образца, база тензометра, расстояние, на котором определяется угол закручивания;
l₁	длина образца после разрыва;
∆l	абсолютное удлинение образца;
M_и, M_K	внешние изгибающий и крутящий моменты;
M_x, M_y	внутренние изгибающие моменты в сечении балки относительно главных осей X, Y;
M	число ступеней нагружения, число опытов;
n_i	число циклов нагружения образца;
P	внутреннее давление в сосуде;
∆P	ступень давления;
r	радиус срединной поверхности тонкостенного сосуда;
T_z	внутренний крутящий момент;
t	толщина стенки тонкостенного сосуда;
V₀	объём рабочей части образца до испытания;
W_F	работа внешних сил при разрыве образца;
Wp	полярный момент сопротивления круглого или кольцевого поперечного сечения;
W_x, W_y	осевые моменты сопротивления сечения относительно главных осей X, Y;
y_ст	статический прогиб балки;
y_i	расстояние от нейтральной оси до слоя, в котором определяется напряжение;
y_Д	прогиб балки динамический при ударе;
y₀	прогиб в сечении балки, где выбрано начало координат;
α	угол между направлением внешней нагрузки и главной осью сечения;
ε’,ε	относительная линейная поперечная, продольная деформации;
ε_z,ε_x,ε_y	относительные линейные деформации в направлении осей Z, Х, Y;
θ_л, θ_n	угол поворота левого, правого концевых сечений балки;
θ₀	угол поворота сечения балки, в котором выбрано начало координат;
λ	гибкость стержня;
λ_t	число делений шкалы рычажного тензометра, индикатора тензоусилителя, индикатора часового типа ИЧ – 10;
∆λ	приращение показаний тензометров, индикаторов и др., приходящихся на ступень внешнего нагружения;
μ	коэффициент Пуассона, коэффициент приведения длины стержня при расчете на устойчивость;
ρ	плотность материала; удельное омическое сопротивление проводника;
ρ_m	радиус кривизны меридионального сечения;
ρ_t	радиус кривизны окружного сечения;
σ_y	предел упругости материала;
σ_пц	предел пропорциональности материала;
σ_Т	предел текучести материала;
σ_В	предел прочности материала;
σ_m	меридиональные напряжения в стенке тонкостенного сосуда;
σ_t	окружные напряжения в стенке тонкостенного сосуда;
φ	угол закручивания; угол между направлением плоскости изгиба и главной осью сечения.