新型材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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I ............................................................ 緒論 ................................................................ 2 題的來源與研究的目的和意義 ..................................... 2 課題研究的內(nèi)容 ................................................. 3 究的意義 ....................................................... 4 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測試原理 .................................................. 4 合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺 ....................................... 4 測法的基本原理 ................................................. 4 總 結(jié) ............................................................. 23 致 謝 ............................................................. 24 參考文獻(xiàn) ............................................................. 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(xué)實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡陋，實(shí)驗(yàn)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(zhì)量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質(zhì)量及設(shè)計(jì)水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的總體水平與進(jìn)口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍 有較大差距，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺勢在必行！ 相信此種材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的出現(xiàn)將會(huì)大大提高新型材料的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰唾|(zhì)量，為企業(yè)的生產(chǎn)的年產(chǎn)能方面，以及經(jīng)濟(jì)效益方面能夠帶來顯著的進(jìn)步，同時(shí)也在某種程度上推進(jìn)了機(jī)械工業(yè)的不斷發(fā)展。 隨著國際標(biāo)準(zhǔn)化（ 實(shí)施，世界材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺以采用新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) ,19 世紀(jì) 80 年代，美國的 司將新開發(fā)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)用到該公司的子公司 過幾年的運(yùn) 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(shí)驗(yàn)機(jī)的利潤所在，投入了相當(dāng)大的人力和精力來開發(fā)研制新型材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，并且與二十世紀(jì)中期投入到了北美等市場。當(dāng)前，全世界各大機(jī)械人廠商為了提高產(chǎn)品的競爭力，都大力進(jìn)行材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的研發(fā)工作。現(xiàn)在國外等著名材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的品牌中，都有材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的銷售，全世界材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的應(yīng)用越來越廣泛。有一點(diǎn)值得注意的是，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺是當(dāng)今棒料生產(chǎn)加工企業(yè)比配的 設(shè)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺銷售市場，材料力學(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺的開發(fā)和研制已經(jīng)被列入美國的重大科技攻關(guān)計(jì)劃，以跟蹤世界技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)適合美國機(jī)械工業(yè)發(fā)展的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺。 3 我國從 1953 年開始生產(chǎn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，于 1958 年自行設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)半徑在 50、70、 90、 120、 500 等型號的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺之后，為了適應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺。經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)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(shù)人才，全身心地投入到了新型材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的研發(fā)中，利用豐富的人力資源和設(shè)備，研發(fā)出了多種可夾持不同功率棒料的實(shí)驗(yàn)機(jī)，與同年 12 也投入市場，獲得了非常大的經(jīng)濟(jì)利潤。近幾年又研制出 70 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，其設(shè)計(jì)能力為 1750t/h，實(shí)際達(dá)到 2508t/h，是設(shè)計(jì)值的 。 目前機(jī)械式材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) 臺將逐漸被全自動(dòng)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺所代替。傳統(tǒng)的機(jī)械式的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺已經(jīng)不能完全滿足當(dāng)今市場的需要，迫切需要各種多功能的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(gè)規(guī)格十四種類型的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，然而我國機(jī)械人業(yè)所需的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺全部依賴進(jìn)口，這使得國產(chǎn)機(jī)械人配備材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺后，成本增加很大，而裝備自行開發(fā)生產(chǎn)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，其成本提高不大，說明材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的市場前景令人樂觀。 課題研究的內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)主要針對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，從材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的整體方案出發(fā) ，然后具體細(xì)化出具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)方面： （ 1）通過網(wǎng)絡(luò)和圖書館查找各種關(guān)于新型材料實(shí)驗(yàn)機(jī)的相關(guān)資料，對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行方案的比較和預(yù)定。 （ 2）分析材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)與參數(shù) （ 3）確定設(shè)計(jì)總體方案 （ 4）確定具體設(shè)計(jì)方案 （ 5）材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yùn)用 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，來了解材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)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(jī)械公司的生產(chǎn)實(shí)際，通過設(shè)計(jì)出材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，從而來掌握材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的整個(gè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)流程，培養(yǎng)工程意識。 我國生產(chǎn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡陋，實(shí)驗(yàn)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(zhì)量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質(zhì)量及設(shè)計(jì)水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的總體水平與進(jìn)口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍有較大差距，材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)臺勢在必行！本文運(yùn)用大學(xué)所學(xué)的知識，提出了材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)組成 、工作原理以及主要零部件的設(shè)計(jì)中所必須的理論計(jì)算和相關(guān)強(qiáng)度校驗(yàn)，構(gòu)建了材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺總的指導(dǎo)思想，從而得出了該材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的優(yōu)點(diǎn)是高效，經(jīng)濟(jì)，并且校正質(zhì)量高，運(yùn)行平穩(wěn)的結(jié)論。 通過設(shè)計(jì)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺，要求學(xué)生掌握大學(xué)四年所學(xué)到的知識，了解機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的知識，綜合運(yùn)用三維繪圖軟件，二維繪圖軟件對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合提高學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用水平和設(shè)計(jì)能力。 相信此種材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)臺的出現(xiàn)將會(huì)大大提高新型材料的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰唾|(zhì)量，為企業(yè)的生產(chǎn)的年產(chǎn)能方面，以及經(jīng)濟(jì)效益方 面能夠帶來顯著的進(jìn)步，同時(shí)也在某種程度上推進(jìn)了材料工業(yè)的不斷發(fā)展。 5 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測試原理 合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺 組合式材料力學(xué)多功能實(shí)驗(yàn)臺是方便同學(xué)們自己動(dòng)手作材料力學(xué)電測實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺可做七個(gè)以上電測實(shí)驗(yàn)，功能全面，操作簡單。 構(gòu)造及工作原理 外形結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)臺為框架式結(jié)構(gòu)，分前后兩片架，其外形結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)，壓桿穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，懸臂梁實(shí)驗(yàn)、等強(qiáng)度梁實(shí)驗(yàn)；后片架可做純彎曲梁正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，電阻應(yīng) 變片靈敏系數(shù)標(biāo)定，組合疊梁實(shí)驗(yàn)等。 6 加載原理 加載機(jī)構(gòu)為內(nèi)置式，采用蝸輪蝸桿及螺旋傳動(dòng)的原理，在不產(chǎn)生對輪齒破壞的情況下，對試件進(jìn)行施力加載，該設(shè)計(jì)采用了兩種省力機(jī)械機(jī)構(gòu)組合在一起，將手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)變成了螺旋千斤加載的直線運(yùn)動(dòng)，具有操作省力，加載穩(wěn)定等特點(diǎn)。 工作機(jī)理 實(shí)驗(yàn)臺采用蝸桿和螺旋復(fù)合加載機(jī)構(gòu)，通過傳感器及過渡加載附件對試件進(jìn)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(yīng)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(yīng)變儀的測試應(yīng)變部分顯示出來，該測試設(shè)備備有微機(jī)接口，所有數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)分析處理打印。 操作步驟 將所作實(shí)驗(yàn)的試件通過有關(guān)附件連接到架體相應(yīng)位置，連接拉壓力傳感器和加載件到加載機(jī)構(gòu)上去。連接傳感器電纜線到儀器傳感器輸入插座，連接應(yīng)變片導(dǎo)線到儀器的各個(gè)通道接口上去。打開儀器電源，預(yù)熱約 20 分鐘左右，輸入傳感器量程及靈敏度和應(yīng)變片靈敏系數(shù)（一般首次使用時(shí)已調(diào)好，如實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及傳感器沒有改變，可不必重新設(shè)置），在不加載的情況下將測力量和應(yīng)變量調(diào)至零。在初始值以上對各試件進(jìn)行分級加載，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪速度 要均勻，記下各級力值和試件產(chǎn)生的應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算、分析和驗(yàn)證，如已與微機(jī)連接，則全部數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)進(jìn)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(yīng)變片測定構(gòu)件表面的線應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變 — 應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法。這種方法是將電阻應(yīng)變片粘貼的被測構(gòu)件表面，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值將發(fā)生相應(yīng)的變化，然后通過電阻應(yīng)變儀將此電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）的變化，再換算成應(yīng)變值或者輸出與此應(yīng)變成正比的電壓（或電流）的信號，由記錄儀進(jìn)行記錄，就可得到所測定的應(yīng)變或應(yīng) 力。其原理框圖如圖 2。 7 圖 2 電測技術(shù)原理圖 電測法的優(yōu)點(diǎn)： 測量靈敏度和精度高。其最小應(yīng)變?yōu)?1?? （ ?? ??? 10 61 ?? ）。在常溫靜態(tài)測量時(shí)，誤差一般為 %3~1 ；動(dòng)態(tài)測量時(shí)，誤差在 %5~3 范圍內(nèi)。 測量范圍廣?？蓽y ??10 42~1 ?? ；力或重力的測量范圍 2 ~? 等。 頻率響應(yīng)好?？梢詼y量從靜態(tài)到數(shù) 態(tài)應(yīng)變。 輕便靈活。在現(xiàn)場或野外等惡劣環(huán)境下均可進(jìn)行測試。 能在高、低溫或高壓環(huán)境等特殊條件下進(jìn)行測量。 便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)結(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)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(yīng)變片可以將試件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成應(yīng)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(yīng)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(shè)電橋各橋臂電阻分別為 其中任一橋臂都可以是電阻應(yīng)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(gè)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(dāng) 241 ? 或 321 ? 時(shí)，輸出電壓 零，成為電橋平衡。 設(shè)電橋的四個(gè)橋臂與粘在構(gòu)件上的 四枚電阻應(yīng)變片聯(lián)接，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，其電阻值的變化分別為： 11+ 、 22 + 、 33+ 、 44 + ，此時(shí)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(dāng)四個(gè)橋臂電阻值均相等時(shí)即： ??? 4321 ，且它們的靈敏系數(shù)均相同，則將關(guān)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(yīng)變片是測量應(yīng)變的專用儀器，電阻應(yīng)變儀的輸出電壓 用應(yīng)變值?d 直接顯示的。電阻應(yīng)變儀有一個(gè)靈敏系數(shù) 在測量應(yīng)變時(shí)，只需將電阻應(yīng)變儀的靈敏系數(shù)調(diào)節(jié)到與應(yīng)變片的靈敏系數(shù)相等。則 ?? ?d ，即應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變 ?d 值不 9 需進(jìn)行修正，否則，需按下式進(jìn)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(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)變?yōu)? ????? 43214 ???? ? 公式（ 2－ 3） 式中 ?1 、 ?2 、 ?3 、 ?4 分別為 受的應(yīng)變值。上式表明電橋的輸出電壓與各橋臂應(yīng)變的代數(shù)和成正比。應(yīng)變 ? 的符號由變形方向決定，一般規(guī)定拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。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(yīng)變 ? 代數(shù)值相減；而兩相對橋臂電阻所感受的應(yīng)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(yīng)變分量和補(bǔ)償溫度影響。 溫度補(bǔ)償 電阻應(yīng)變片對溫度變化十分敏感。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，因應(yīng)變片的線膨脹系數(shù)與被測構(gòu)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(yīng)變將包含溫度變化的影響，不能反映構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)變，因此在測量中必須設(shè)法消除溫度變化的影響。 消除溫度影響的措施是溫度補(bǔ)償。在常溫應(yīng)變測量中溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ遣捎脴蚵费a(bǔ)償法。它是利用電橋特性進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)摹? 補(bǔ)償塊補(bǔ)償法 把粘貼在構(gòu)件被測點(diǎn)處的應(yīng)變片稱為工作片，接入電橋的 臂；另外以相同規(guī)格的應(yīng)變片粘貼在與被測構(gòu)件相同材料但不參與變形的一塊材料上，并與被測構(gòu)件處于相同溫度條件下，稱為溫度補(bǔ)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(yīng)變儀內(nèi)部固定無感標(biāo)準(zhǔn)電阻，組成等臂電橋。有電橋特性可知，只要將補(bǔ)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(bǔ)償法 10 這種方法不需要補(bǔ)償片和補(bǔ)償塊，而是在同一被測構(gòu)件上粘貼幾個(gè)工作應(yīng)變片，根據(jù)電橋的基本特性及構(gòu)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(yīng)變，得到所需測量的應(yīng)變。 應(yīng)變片在電橋中的接線方法 應(yīng)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(dá)到溫度補(bǔ)償；從復(fù)雜的變形中 測出所需要的應(yīng)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(gè)橋臂接工作應(yīng)變片（常用 而另一橋臂接溫度補(bǔ)償片（常用 臂）， 臂接應(yīng)變儀內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻?？紤]溫度引起的電阻變化，按公式（ 2－ 3）可得到應(yīng)變儀的讀數(shù)應(yīng)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(guān)，與溫度變化無關(guān)，即應(yīng)變儀的讀數(shù)為 ?? 1?d ②半橋雙臂測量（圖 4b）：電橋的兩個(gè)橋臂 均接工作應(yīng)變片， 個(gè)橋臂接應(yīng)變儀內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電阻。因?yàn)閮晒ぷ鲬?yīng)變片處在相同溫度條件下，???????? ????????? ? ? 211 ，所以應(yīng)變儀的讀數(shù)為 ? ? ? ? ??????? 212211 ?????? 由橋路的基本特性，自動(dòng)消除了溫度的影響，無需另接溫度補(bǔ)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(gè)橋臂接工作片（常用 臂），另兩個(gè)橋臂接溫度補(bǔ)償片。此時(shí)，四個(gè)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(yīng)變儀的讀數(shù)為 ? ? ? ? ????????? 41443211 ???????? ②全橋測量（圖 4d）：電橋中的四個(gè)橋臂上全部接工作應(yīng)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(yīng)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(gè)被測量值，其組橋方式不同，應(yīng)變儀的讀數(shù) ?d 也不相同。定義測量出的應(yīng)變儀的讀數(shù) ?d 與待測應(yīng)變 ? 之比為橋臂系數(shù)，因此橋臂系數(shù) B 為 ??