Цель работы
Целью работы является измерение линейных деформаций стального образца с помощью электромеханического тензометра системы Аистова.
Общая часть
Все экспериментальные исследования по изучению работы элементов строительных конструкций сводятся, в основном, к определению их напряженного состояния в процессе нагружения. Однако, напряжения величина условная, поэтому измерить его непосредственно невозможно. Оценка напряжений осуществляется косвенно путем измерения деформаций материала. Приборы, предназначенные для измерения деформаций, называются тензометрами.
Упругая стадия деформирования материала.
При одноосном напряженном состоянии переход от измеренной деформации к напряжениям осуществляется путем умножения величины относительной деформации ε на модуль упругости Е материала, т.е. 
(закон Гука). Однако следует подчеркнуть, что это выражение справедливо лишь в том случае, когда ось тензометра строго совпадает с направлением приложенной нагрузки.
При плоском напряженном состоянии связь между напряжениями и деформациями выражается обобщенным законом Гука
.
В этом случае, для того чтобы определить любое из главных напряжений, необходимо знать направление и величину главных деформаций 
и 
. С этой целью на исследуемом участке элемента строительных конструкций устанавливают взаимно перпендикулярно два тензометра, оси которых совпадают с направлением главных деформаций. По измеренным величинам и и известным модулю упругости Е и коэффициенту Пуассона μ вычисляют главные напряжения σ1 и σ2.
Если направления главных напряжений неизвестны, то обычно прибегают к какому-либо дополнительному средству, например, к так называемым хрупким покрытиям. Хрупкий лак в жидком виде тонким слоем наносится (кистью или путем распыления) на исследуемую поверхность. После высыхания и термообработки лак хорошо сцепляется с материалом конструкции. При нагружении лак растрескивается, причем трещины распространяются в направлении, перпендикулярном главному растягивающему напряжению. Зафиксированная таким образом картина трещин определяет траекторию главных сжимающих деформаций. Затем лак снимается и на соответствующих участках конструкции устанавливаются тензометры, оси которых ориентируются по выявленным направлениям главных деформаций.
Пластическая стадия деформирования материала.
В пластической области работы материала закон Гука не может быть использован. Для установления связи между деформациями и напряжениями пользуются законом упрочнения материала, согласно которому интенсивность напряжейний σi есть всегда определенная функция интенсивности деформаций εi данного материала
.
Здесь:
,
,
где σ1, σ2, σ3, и ε1, ε2, ε3 – главные напряжения и деформации, а коэффициент поперечной деформации μ в пластической области принят равным 0,5.
Приборы и принадлежности
Силовой стенд, образцовый динамометр типа ДОС-3, образец из низкоуглеродистой стали, электромеханический тензометр ТА-2, механический рычажный тензометр типа ТР, штангенциркуль.
|
| Рис. 1. Силовой стенд |
Силовой стенд (рис.1) представляет собой прямоугольную раму 1, укрепленную горизонтально на лабораторном столе. Образец 3 закрепляется в цанговом зажиме 6 и подвижной траверсе 7 таким образом, чтобы вращение силовой гайки 5 создавало в образце растягивающую нагрузку, величина которой фиксируется динамометром 2. Для измерения линейных деформаций образца используется электромеханический тензометр 4, ось которого совпадает с направлением приложения нагрузки.
Тензометр ТА-2 имеет Г-образный корпус (рис.2), на котором размещены остальные детали прибора.
|
| Рис. 2. Тензометр ТА-2 |
Корпус состоит из основания 1, нижней части стойки 3 и верхней части стойки 6, причем верхняя часть стойки 6 электрически изолирована от остальных частей корпуса. Прибор опирается на исследуемый образец двумя призмами: неподвижной 4 и подвижной 17, входящей в паз вилки 16 и жестко соединенной с плоским пером (рычагом) 15. Для фиксации нужного расстояния между призмами предназначен винт 5. Через муфту 11, расположенную в верхней части стойки, проходит микрометрический винт 8 с заостренным правым концом в виде конуса. С целью предотвращения неплотностей между муфтой 11 и винтом 8 муфта разрезана на части по длине по двум диаметральным направлениям и снабжена натяжной гайкой 12, охватывающей муфту. На микрометрический винт наглухо насажен диск 14 со шкалой (лимб), имеющий 100 миллиметровых делений. Для взятия отсчета около диска помещается указатель 13, который свободно вращается вокруг диска и закрепляется в удобном для чтения отсчетов положении. К частям 6 и 3 при помощи клемм 7 присоединяются провода, идущие к светодиодному индикатору.
|
| Рис. 3. Кинематическая схема тензаметра ТА-2. |
Измерение деформации тензометром ТА-2 производится следующим образом. Вращением диска 14 против часовой стрелки острие микровинта 8 доводится до соприкосновения с контактной площадкой пера 15. В этот момент электрическая цепь замыкается, загорается индикаторный светодиод, после чего по лимбу берется первоначальный отсчет N1. Затем вращением диска в обратную сторону острие микровинта отводится от пера и светодиод гаснет.
При приложении нагрузки исследуемый образец на участке l (рис.3) на котором установлен тензометр, изменит свою длину на величину Dl, что вызовет поворот подвижной призмы на некоторый угол α и перемещение пера по оси микровинта на величину D. Повторным вращением диска 14 против часовой стрелки острие винта вновь доводится до соприкосновения с пером 15 и по шкале читается отсчет N2. Деформация элемента будет равна
,
где m – цена одного деления шкалы; K - поправочный коэффициент по паспорту тензометра.
Отношение величин α и L, шаг микрометрического винта и число делений шкалы подобраны таким образом, чтобы увеличение прибора равнялось 1000, а цена одного деления шкалы – 0,001 мм (1 мкм). Один оборот диска 14 соответствует деформации 100 мкм (0,1 мм), а весь ход микровинта позволяет измерять деформации до 800 мкм (0,8 мм) без перестановки тензометра. Для этого по одной оси с микрометрическим винтом расположен счетчик целых оборотов лимба (сотен мкм) 9. Счетчик заостренным концом своего штифта упирается в микрометрический винт по его оси, и при обороте лимба на 360° стрелка счетчика передвигается на одно деление шкалы.
База тензометра ТА-2 (расстояние l) может меняться в пределах от 20 до 50 мм за счет перемещения опорного ножа 4. Для дальнейшего увеличения базы (до 100 мм и более) на основание корпуса вместо ножа 4 надевается и закрепляется удлинитель с опорным ножом на свободном конце.
Для параллельных замеров деформации стального образца в данной работе используется механический рычажный тензометр типа ТР, устройство и принцип действия которого описаны в методических указаниях к лабораторной работе №7.