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購買設計文檔后加 費領取圖紙 購買設計文檔 后加 費領取圖紙 畢業(yè)設計（論文） 題 目 新型材料力學實驗臺設計 系 別 機械工程系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 學 號 年級 級 指導教師 二 年 月 日 摘 要 材料工程是一個國家的重要產(chǎn)業(yè)，材料工程的發(fā)展無時不刻都在影響著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人類的進步離不開材料工程的發(fā)展。在全球經(jīng)濟發(fā)展的大環(huán)境下，中國各個行業(yè)被其他國家的先進技術影響的同時，越來越多的外國企業(yè)和品牌傳播到中國已經(jīng)成為現(xiàn)實。在新的市場需求的推動下，對材料力學實驗臺進行改良和優(yōu)化是當務之急。生產(chǎn)材 料力學實驗臺的企業(yè)，必須充分考慮到在材料力學實驗臺運行中可能出現(xiàn)的問題，盡量使材料力學實驗臺的自動化程度越高越好，從而減少人工搬運工具的時間，國內 材料力學實驗臺 的研發(fā)及制造要與全球號召的高效經(jīng)濟、安全穩(wěn)定主題保持一致。材料力學實驗臺的發(fā)展與人類社會的進步和科學技術的水平密切相關。 本次設計在題目是材料力學實驗臺在設計，目前，國內材料力學實驗臺的研發(fā)也在向朝著運行高速化、功能復合化、控制智能化的方向發(fā)展，廉價，簡單，方便成了工作臺發(fā)展的主題。 關鍵詞： 材料力學 學實驗臺 制造 主題 is of on is of on is on Is of a of of At is in is of is do is C so as to by a In at in of is of 1 目 錄 摘要 .................................................................. I ............................................................ 緒論 ................................................................ 2 題的來源與研究的目的和意義 ..................................... 2 課題研究的內容 ................................................. 3 究的意義 ....................................................... 4 2 實驗設備及測試原理 .................................................. 4 合式材料力學多功能實驗臺 ....................................... 4 測法的基本原理 ................................................. 4 總 結 ............................................................. 23 致 謝 ............................................................. 24 參考文獻 ............................................................. 25 2 1 緒論 題的來源與研究的目的和意義 我國生產(chǎn)的材料力學實驗臺結構簡陋，實驗效率始終不高，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近期產(chǎn)品的質量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質量及設計水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的材料力學實驗臺的總體水平與進口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍 有較大差距，材料力學實驗臺的生產(chǎn)也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的材料力學實驗臺勢在必行！ 相信此種材料力學實驗臺的出現(xiàn)將會大大提高新型材料的實驗能力和質量，為企業(yè)的生產(chǎn)的年產(chǎn)能方面，以及經(jīng)濟效益方面能夠帶來顯著的進步，同時也在某種程度上推進了機械工業(yè)的不斷發(fā)展。 隨著國際標準化（ 實施，世界材料力學實驗臺以采用新材料、新技術、新工藝、新結構為基礎 ,19 世紀 80 年代，美國的 司將新開發(fā)的材料力學實驗臺應用到該公司的子公司 過幾年的運 行，為該公司創(chuàng)造了不菲的利潤。繼美國 司之后，德國的 司也看到了新型材料實驗機的利潤所在，投入了相當大的人力和精力來開發(fā)研制新型材料實驗機，并且與二十世紀中期投入到了北美等市場。當前，全世界各大機械人廠商為了提高產(chǎn)品的競爭力，都大力進行材料力學實驗臺的研發(fā)工作?，F(xiàn)在國外等著名材料力學實驗臺的品牌中，都有材料力學實驗臺的銷售，全世界材料力學實驗臺的應用越來越廣泛。有一點值得注意的是，材料力學實驗臺的市場，由最初的日本，歐洲，已經(jīng)滲透到北美市場，因此材料力學實驗臺是當今棒料生產(chǎn)加工企業(yè)比配的 設備已經(jīng)成為主要趨勢。西方資本主義國家有巨大的材料力學實驗臺銷售市場，材料力學工業(yè)是資本主義國家的工業(yè)之一。 目前國外特別是美國正在考慮發(fā)展材料力學實驗臺的功率最大化，產(chǎn)能最優(yōu)化的問題。自“九·五”期間材料力學實驗臺的開發(fā)和研制已經(jīng)被列入美國的重大科技攻關計劃，以跟蹤世界技術的發(fā)展和開發(fā)適合美國機械工業(yè)發(fā)展的材料力學實驗臺。 3 我國從 1953 年開始生產(chǎn)材料力學實驗臺，于 1958 年自行設計制造實驗半徑在 50、70、 90、 120、 500 等型號的材料力學實驗臺之后，為了適應實驗臺生產(chǎn)廠家的需要，1959 年又 制造了 500、 1000、 1200 等大功率的材料力學實驗臺。 為了滿足新型材料生產(chǎn)工業(yè)發(fā)展需要，我國于 1970 年研制了大型材料力學實驗臺。經(jīng)運轉實踐證明效果很好。同年，福建的金明公司更是大量引入外來技術人才，全身心地投入到了新型材料實驗機的研發(fā)中，利用豐富的人力資源和設備，研發(fā)出了多種可夾持不同功率棒料的實驗機，與同年 12 也投入市場，獲得了非常大的經(jīng)濟利潤。近幾年又研制出 70 材料力學實驗臺，其設計能力為 1750t/h，實際達到 2508t/h，是設計值的 。 目前機械式材料力學實驗 臺將逐漸被全自動材料力學實驗臺所代替。傳統(tǒng)的機械式的材料力學實驗臺已經(jīng)不能完全滿足當今市場的需要，迫切需要各種多功能的材料力學實驗臺來滿足市場需求，如是福建金明公司加大人力開發(fā)出了五個規(guī)格十四種類型的材料力學實驗臺，然而我國機械人業(yè)所需的材料力學實驗臺全部依賴進口，這使得國產(chǎn)機械人配備材料力學實驗臺后，成本增加很大，而裝備自行開發(fā)生產(chǎn)材料力學實驗臺，其成本提高不大，說明材料力學實驗臺的市場前景令人樂觀。 課題研究的內容 本次設計主要針對材料力學實驗臺進行設計，從材料力學實驗臺的整體方案出發(fā) ，然后具體細化出具體內部結構，其具體內部結構主要包括以下幾個方面： （ 1）通過網(wǎng)絡和圖書館查找各種關于新型材料實驗機的相關資料，對材料力學實驗臺進行方案的比較和預定。 （ 2）分析材料力學實驗臺的結構與參數(shù) （ 3）確定設計總體方案 （ 4）確定具體設計方案 （ 5）材料力學實驗臺的三維圖的繪制、 配圖、零件圖的繪制。 （ 6）說明書的整理 4 究的意義 本論文主要研究運用 材料力學實驗臺進行設計。通過對材料力學實驗臺進行設計，來了解材料力學實驗臺的結構組成、工作原理以及以后的 發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀。該課題來自于棒料加工型機械公司的生產(chǎn)實際，通過設計出材料力學實驗臺，從而來掌握材料力學實驗臺的整個設計生產(chǎn)流程，培養(yǎng)工程意識。 我國生產(chǎn)的材料力學實驗臺結構簡陋，實驗效率始終不高，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展，近期產(chǎn)品的質量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質量及設計水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的材料力學實驗臺的總體水平與進口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍有較大差距，材料力學實驗臺的生產(chǎn)也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的材料力學實驗臺勢在必行！本文運用大學所學的知識，提出了材料力學實驗臺的結構組成 、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了材料力學實驗臺總的指導思想，從而得出了該材料力學實驗臺的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且校正質量高，運行平穩(wěn)的結論。 通過設計材料力學實驗臺，要求學生掌握大學四年所學到的知識，了解機械原理，機械設計，以及機構設計等方面的知識，綜合運用三維繪圖軟件，二維繪圖軟件對機械設備進行設計。通過本次畢業(yè)設計，綜合提高學生的實際應用水平和設計能力。 相信此種材料力學實驗臺的出現(xiàn)將會大大提高新型材料的實驗能力和質量，為企業(yè)的生產(chǎn)的年產(chǎn)能方面，以及經(jīng)濟效益方 面能夠帶來顯著的進步，同時也在某種程度上推進了材料工業(yè)的不斷發(fā)展。 5 2 實驗設備及測試原理 合式材料力學多功能實驗臺 組合式材料力學多功能實驗臺是方便同學們自己動手作材料力學電測實驗的設備，一個實驗臺可做七個以上電測實驗，功能全面，操作簡單。 構造及工作原理 外形結構 實驗臺為框架式結構，分前后兩片架，其外形結構如圖 1。前片架可做彎扭組合受力分析，材料彈性模量、泊松比測定，偏心拉伸實驗，壓桿穩(wěn)定實驗，懸臂梁實驗、等強度梁實驗；后片架可做純彎曲梁正應力實驗，電阻應 變片靈敏系數(shù)標定，組合疊梁實驗等。 6 加載原理 加載機構為內置式，采用蝸輪蝸桿及螺旋傳動的原理，在不產(chǎn)生對輪齒破壞的情況下，對試件進行施力加載，該設計采用了兩種省力機械機構組合在一起，將手輪的轉動變成了螺旋千斤加載的直線運動，具有操作省力，加載穩(wěn)定等特點。 工作機理 實驗臺采用蝸桿和螺旋復合加載機構，通過傳感器及過渡加載附件對試件進行施力加載，加載力大小經(jīng)拉壓力傳感器由靜態(tài)電阻應變儀的測力部分測出所施加的力值；各試件的受力變形， 通過靜態(tài)電阻應變儀的測試應變部分顯示出來，該測試設備備有微機接口，所有數(shù)據(jù)可由計算機分析處理打印。 操作步驟 將所作實驗的試件通過有關附件連接到架體相應位置，連接拉壓力傳感器和加載件到加載機構上去。連接傳感器電纜線到儀器傳感器輸入插座，連接應變片導線到儀器的各個通道接口上去。打開儀器電源，預熱約 20 分鐘左右，輸入傳感器量程及靈敏度和應變片靈敏系數(shù)（一般首次使用時已調好，如實驗項目及傳感器沒有改變，可不必重新設置），在不加載的情況下將測力量和應變量調至零。在初始值以上對各試件進行分級加載，轉動手輪速度 要均勻，記下各級力值和試件產(chǎn)生的應變值進行計算、分析和驗證，如已與微機連接，則全部數(shù)據(jù)可由計算機進行簡單的分析并打印。 測法的基本原理 電測法的基本原理是用電阻應變片測定構件表面的線應變，再根據(jù)應變 — 應力關系確定構件表面應力狀態(tài)的一種實驗應力分析方法。這種方法是將電阻應變片粘貼的被測構件表面，當構件變形時，電阻應變片的電阻值將發(fā)生相應的變化，然后通過電阻應變儀將此電阻變化轉換成電壓（或電流）的變化，再換算成應變值或者輸出與此應變成正比的電壓（或電流）的信號，由記錄儀進行記錄，就可得到所測定的應變或應 力。其原理框圖如圖 2。 7 圖 2 電測技術原理圖 電測法的優(yōu)點： 測量靈敏度和精度高。其最小應變?yōu)?1?? （ ?? ??? 10 61 ?? ）。在常溫靜態(tài)測量時，誤差一般為 %3~1 ；動態(tài)測量時，誤差在 %5~3 范圍內。 測量范圍廣。可測 ??10 42~1 ?? ；力或重力的測量范圍 2 ~? 等。 頻率響應好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù) 態(tài)應變。 輕便靈活。在現(xiàn)場或野外等惡劣環(huán)境下均可進行測試。 能在高、低溫或高壓環(huán)境等特殊條件下進行測量。 便于與計算機聯(lián)結進行數(shù)據(jù)采集與處理，易于實現(xiàn)數(shù)字化、自動化及無線電遙測。 電測法測量電路及其工作原理 電橋基本特性 通過電阻應變片可以將試件的應變轉換成應變片的電阻變化，通常這種電阻變化很小。測量電路的作用就是將電阻應變片感受到的電阻變化率 變換成電壓（或電流）信號，再經(jīng)過放大器將信號放大、輸出。 測量電路有多種，惠斯登電路是最常用的電路，如圖 3 所示。設電橋各橋臂電阻分別為 其中任一橋臂都可以是電阻應變片。電橋的 A 、 C 為輸入端接電源 E ， 為輸出端，輸出電壓為 從 個電橋來看， 間的電壓為 E ，流經(jīng) 電流為 圖 3 電橋示意圖 8 ? ?I 211 ?? 端的電壓降為 ? ?B 21 111 ??? 同理， 端的電壓降為 ( )B 43 333 +== 因此可得到電橋輸出電壓為 ( ) ( ) ( )( ) ( )321 324143 321 1 ++ -=+-+=-= 由上式可知，當 241 ? 或 321 ? 時，輸出電壓 零，成為電橋平衡。 設電橋的四個橋臂與粘在構件上的 四枚電阻應變片聯(lián)接，當構件變形時，其電阻值的變化分別為： 11+ 、 22 + 、 33+ 、 44 + ，此時電橋的輸出電壓為 ? ?? ? ? ?? ?? ?? ???? ???? ?????? ??????4433221133224411 經(jīng)整理、簡化并略去高階小量，可得 ? ? ???????? ???? ????? 43 32 21 1221 21 當四個橋臂電阻值均相等時即： ??? 4321 ，且它們的靈敏系數(shù)均相同，則將關系 式 ? 帶入上式，則有電橋輸出電壓為 ? ????? 43214 43 32 21 1 44 ??????????? ???? ????? D 公式（ 2－ 1） 由于電阻應變片是測量應變的專用儀器，電阻應變儀的輸出電壓 用應變值?d 直接顯示的。電阻應變儀有一個靈敏系數(shù) 在測量應變時，只需將電阻應變儀的靈敏系數(shù)調節(jié)到與應變片的靈敏系數(shù)相等。則 ?? ?d ，即應變儀的讀數(shù)應變 ?d 值不 9 需進行修正，否則，需按下式進行修正 ?? KK d ?0 公式（ 2－ 2） 則其輸出電壓為 ? ? ????? 4 4321 ???? ? 由此可得電阻應變儀的讀數(shù)應變?yōu)? ????? 43214 ???? ? 公式（ 2－ 3） 式中 ?1 、 ?2 、 ?3 、 ?4 分別為 受的應變值。上式表明電橋的輸出電壓與各橋臂應變的代數(shù)和成正比。應變 ? 的符號由變形方向決定，一般規(guī)定拉應變?yōu)檎瑝簯優(yōu)樨?。由上式可知，電橋具有以下基本特性：兩相鄰橋臂電阻所感受的應?? 代數(shù)值相減；而兩相對橋臂電阻所感受的應變 ? 代數(shù)值相加。這種作用也稱為電橋的加減性。利用電橋的這一特性，正確地布片和組橋，可以提高測量的靈敏度、減少誤差、測取某一應變分量和補償溫度影響。 溫度補償 電阻應變片對溫度變化十分敏感。當環(huán)境溫度變化時，因應變片的線膨脹系數(shù)與被測構件的線膨系 數(shù)不同，且敏感柵的電阻值隨溫度的變化而變化，所以測得應變將包含溫度變化的影響，不能反映構件的實際應變，因此在測量中必須設法消除溫度變化的影響。 消除溫度影響的措施是溫度補償。在常溫應變測量中溫度補償?shù)姆椒ㄊ遣捎脴蚵费a償法。它是利用電橋特性進行溫度補償?shù)摹? 補償塊補償法 把粘貼在構件被測點處的應變片稱為工作片，接入電橋的 臂；另外以相同規(guī)格的應變片粘貼在與被測構件相同材料但不參與變形的一塊材料上，并與被測構件處于相同溫度條件下，稱為溫度補償片，將它 接入電橋與工作片組成測量電橋的半橋，電橋的另外兩橋臂為應變儀內部固定無感標準電阻，組成等臂電橋。有電橋特性可知，只要將補償片正確的接在橋路中即可消除溫度變化所產(chǎn)生的影響。 工作片補償法 10 這種方法不需要補償片和補償塊，而是在同一被測構件上粘貼幾個工作應變片，根據(jù)電橋的基本特性及構件的受力情況，將工作片正確地接入電橋中，即可消除溫度變化所引起的應變，得到所需測量的應變。 應變片在電橋中的接線方法 應變片在測量電橋中，利用電橋的基本特性，可用各種不同的接線方法以達到溫度補償；從復雜的變形中 測出所需要的應變分量；提高測量靈敏度和減少誤差。 半橋接線方法 ①半橋單臂測量 (圖 4a)：又稱 1/4 橋，電橋中只有一個橋臂接工作應變片（常用 而另一橋臂接溫度補償片（常用 臂）， 臂接應變儀內標準電阻?？紤]溫度引起的電阻變化，按公式（ 2－ 3）可得到應變儀的讀數(shù)應變?yōu)? ???? ?? 11 由于 R 溫度條件完全相同，因此 ?????? ????????? ? ? 所以電橋的輸出電壓只與工作片引起的電阻變化有關，與溫度變化無關，即應變儀的讀數(shù)為 ?? 1?d ②半橋雙臂測量（圖 4b）：電橋的兩個橋臂 均接工作應變片， 個橋臂接應變儀內標準電阻。因為兩工作應變片處在相同溫度條件下，???????? ????????? ? ? 211 ，所以應變儀的讀數(shù)為 ? ? ? ? ??????? 212211 ?????? 由橋路的基本特性，自動消除了溫度的影響，無需另接溫度補償片。 11 (a)半橋單臂測量 (b)半橋雙臂測量 全橋接線法 對臂測量（圖 4c）：電橋中相對的兩個橋臂接工作片（常用 臂），另兩個橋臂接溫度補償片。此時，四個橋臂的電阻處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響。應變儀的讀數(shù)為 ? ? ? ? ????????? 41443211 ???????? ②全橋測量（圖 4d）：電橋中的四個橋臂上全部接工作應變片，由于它們處于相同的溫度條件下，相互抵消了溫度的影響。應變儀的讀數(shù)為 ????? 4321 ????d (c)相對橋臂測量 (d)全橋測量 圖 4 全橋電路接線法 橋臂系數(shù) 同一個被測量值，其組橋方式不同，應變儀的讀數(shù) ?d 也不相同。定義測量出的應變儀的讀數(shù) ?d 與待測應變 ? 之比為橋臂系數(shù)，因此橋臂系數(shù) B 為 ??