新型材料力学实验台设计【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档后加 费领取图纸 购买设计文档 后加 费领取图纸 毕业设计（论文） 题 目 新型材料力学实验台设计 系 别 机械工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 学 号 年级 级 指导教师 二 年 月 日 摘 要 材料工程是一个国家的重要产业，材料工程的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开材料工程的发展。在全球经济发展的大环境下，中国各个行业被其他国家的先进技术影响的同时，越来越多的外国企业和品牌传播到中国已经成为现实。在新的市场需求的推动下，对材料力学实验台进行改良和优化是当务之急。生产材 料力学实验台的企业，必须充分考虑到在材料力学实验台运行中可能出现的问题，尽量使材料力学实验台的自动化程度越高越好，从而减少人工搬运工具的时间，国内 材料力学实验台 的研发及制造要与全球号召的高效经济、安全稳定主题保持一致。材料力学实验台的发展与人类社会的进步和科学技术的水平密切相关。 本次设计在题目是材料力学实验台在设计，目前，国内材料力学实验台的研发也在向朝着运行高速化、功能复合化、控制智能化的方向发展，廉价，简单，方便成了工作台发展的主题。 关键词： 材料力学 学实验台 制造 主题 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 录 摘要 . I . 绪论 . 2 题的来源与研究的目的和意义 . 2 课题研究的内容 . 3 究的意义 . 4 2 实验设备及测试原理 . 4 合式材料力学多功能实验台 . 4 测法的基本原理 . 4 总 结 . 23 致 谢 . 24 参考文献 . 25 2 1 绪论 题的来源与研究的目的和意义 我国生产的材料力学实验台结构简陋，实验效率始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的材料力学实验台的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍 有较大差距，材料力学实验台的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的材料力学实验台势在必行！ 相信此种材料力学实验台的出现将会大大提高新型材料的实验能力和质量，为企业的生产的年产能方面，以及经济效益方面能够带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了机械工业的不断发展。 随着国际标准化（ 实施，世界材料力学实验台以采用新材料、新技术、新工艺、新结构为基础 ,19 世纪 80 年代，美国的 司将新开发的材料力学实验台应用到该公司的子公司 过几年的运 行，为该公司创造了不菲的利润。继美国 司之后，德国的 司也看到了新型材料实验机的利润所在，投入了相当大的人力和精力来开发研制新型材料实验机，并且与二十世纪中期投入到了北美等市场。当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行材料力学实验台的研发工作。现在国外等著名材料力学实验台的品牌中，都有材料力学实验台的销售，全世界材料力学实验台的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，材料力学实验台的市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此材料力学实验台是当今棒料生产加工企业比配的 设备已经成为主要趋势。西方资本主义国家有巨大的材料力学实验台销售市场，材料力学工业是资本主义国家的工业之一。 目前国外特别是美国正在考虑发展材料力学实验台的功率最大化，产能最优化的问题。自“九五”期间材料力学实验台的开发和研制已经被列入美国的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合美国机械工业发展的材料力学实验台。 3 我国从 1953 年开始生产材料力学实验台，于 1958 年自行设计制造实验半径在 50、70、 90、 120、 500 等型号的材料力学实验台之后，为了适应实验台生产厂家的需要，1959 年又 制造了 500、 1000、 1200 等大功率的材料力学实验台。 为了满足新型材料生产工业发展需要，我国于 1970 年研制了大型材料力学实验台。经运转实践证明效果很好。同年，福建的金明公司更是大量引入外来技术人才，全身心地投入到了新型材料实验机的研发中，利用丰富的人力资源和设备，研发出了多种可夹持不同功率棒料的实验机，与同年 12 也投入市场，获得了非常大的经济利润。近几年又研制出 70 材料力学实验台，其设计能力为 1750t/h，实际达到 2508t/h，是设计值的 。 目前机械式材料力学实验 台将逐渐被全自动材料力学实验台所代替。传统的机械式的材料力学实验台已经不能完全满足当今市场的需要，迫切需要各种多功能的材料力学实验台来满足市场需求，如是福建金明公司加大人力开发出了五个规格十四种类型的材料力学实验台，然而我国机械人业所需的材料力学实验台全部依赖进口，这使得国产机械人配备材料力学实验台后，成本增加很大，而装备自行开发生产材料力学实验台，其成本提高不大，说明材料力学实验台的市场前景令人乐观。 课题研究的内容 本次设计主要针对材料力学实验台进行设计，从材料力学实验台的整体方案出发 ，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面： （ 1）通过网络和图书馆查找各种关于新型材料实验机的相关资料，对材料力学实验台进行方案的比较和预定。 （ 2）分析材料力学实验台的结构与参数 （ 3）确定设计总体方案 （ 4）确定具体设计方案 （ 5）材料力学实验台的三维图的绘制、 配图、零件图的绘制。 （ 6）说明书的整理 4 究的意义 本论文主要研究运用 材料力学实验台进行设计。通过对材料力学实验台进行设计，来了解材料力学实验台的结构组成、工作原理以及以后的 发展趋势和现状。该课题来自于棒料加工型机械公司的生产实际，通过设计出材料力学实验台，从而来掌握材料力学实验台的整个设计生产流程，培养工程意识。 我国生产的材料力学实验台结构简陋，实验效率始终不高，虽然经过几十年的发展，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的材料力学实验台的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，材料力学实验台的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的材料力学实验台势在必行！本文运用大学所学的知识，提出了材料力学实验台的结构组成 、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了材料力学实验台总的指导思想，从而得出了该材料力学实验台的优点是高效，经济，并且校正质量高，运行平稳的结论。 通过设计材料力学实验台，要求学生掌握大学四年所学到的知识，了解机械原理，机械设计，以及机构设计等方面的知识，综合运用三维绘图软件，二维绘图软件对机械设备进行设计。通过本次毕业设计，综合提高学生的实际应用水平和设计能力。 相信此种材料力学实验台的出现将会大大提高新型材料的实验能力和质量，为企业的生产的年产能方面，以及经济效益方 面能够带来显著的进步，同时也在某种程度上推进了材料工业的不断发展。 5 2 实验设备及测试原理 合式材料力学多功能实验台 组合式材料力学多功能实验台是方便同学们自己动手作材料力学电测实验的设备，一个实验台可做七个以上电测实验，功能全面，操作简单。 构造及工作原理 外形结构 实验台为框架式结构，分前后两片架，其外形结构如图 1。前片架可做弯扭组合受力分析，材料弹性模量、泊松比测定，偏心拉伸实验，压杆稳定实验，悬臂梁实验、等强度梁实验；后片架可做纯弯曲梁正应力实验，电阻应 变片灵敏系数标定，组合叠梁实验等。 6 加载原理 加载机构为内置式，采用蜗轮蜗杆及螺旋传动的原理，在不产生对轮齿破坏的情况下，对试件进行施力加载，该设计采用了两种省力机械机构组合在一起，将手轮的转动变成了螺旋千斤加载的直线运动，具有操作省力，加载稳定等特点。 工作机理 实验台采用蜗杆和螺旋复合加载机构，通过传感器及过渡加载附件对试件进行施力加载，加载力大小经拉压力传感器由静态电阻应变仪的测力部分测出所施加的力值；各试件的受力变形， 通过静态电阻应变仪的测试应变部分显示出来，该测试设备备有微机接口，所有数据可由计算机分析处理打印。 操作步骤 将所作实验的试件通过有关附件连接到架体相应位置，连接拉压力传感器和加载件到加载机构上去。连接传感器电缆线到仪器传感器输入插座，连接应变片导线到仪器的各个通道接口上去。打开仪器电源，预热约 20 分钟左右，输入传感器量程及灵敏度和应变片灵敏系数（一般首次使用时已调好，如实验项目及传感器没有改变，可不必重新设置），在不加载的情况下将测力量和应变量调至零。在初始值以上对各试件进行分级加载，转动手轮速度 要均匀，记下各级力值和试件产生的应变值进行计算、分析和验证，如已与微机连接，则全部数据可由计算机进行简单的分析并打印。 测法的基本原理 电测法的基本原理是用电阻应变片测定构件表面的线应变，再根据应变 应力关系确定构件表面应力状态的一种实验应力分析方法。这种方法是将电阻应变片粘贴的被测构件表面，当构件变形时，电阻应变片的电阻值将发生相应的变化，然后通过电阻应变仪将此电阻变化转换成电压（或电流）的变化，再换算成应变值或者输出与此应变成正比的电压（或电流）的信号，由记录仪进行记录，就可得到所测定的应变或应 力。其原理框图如图 2。 7 图 2 电测技术原理图 电测法的优点： 测量灵敏度和精度高。其最小应变为 1 （ 10 61 ）。在常温静态测量时，误差一般为 %31 ；动态测量时，误差在 %53 范围内。 测量范围广。可测 10 421 ；力或重力的测量范围 2 等。 频率响应好。可以测量从静态到数 态应变。 轻便灵活。在现场或野外等恶劣环境下均可进行测试。 能在高、低温或高压环境等特殊条件下进行测量。 便于与计算机联结进行数据采集与处理，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。 电测法测量电路及其工作原理 电桥基本特性 通过电阻应变片可以将试件的应变转换成应变片的电阻变化，通常这种电阻变化很小。测量电路的作用就是将电阻应变片感受到的电阻变化率 变换成电压（或电流）信号，再经过放大器将信号放大、输出。 测量电路有多种，惠斯登电路是最常用的电路，如图 3 所示。设电桥各桥臂电阻分别为 其中任一桥臂都可以是电阻应变片。电桥的 A 、 C 为输入端接电源 E ， 为输出端，输出电压为 从 个电桥来看， 间的电压为 E ，流经 电流为 图 3 电桥示意图 8 I 211 端的电压降为 B 21 111 同理， 端的电压降为 ( )B 43 333 += 因此可得到电桥输出电压为 ( ) ( ) ( )( ) ( )321 324143 321 1 + -=+-+=-= 由上式可知，当 241 或 321 时，输出电压 零，成为电桥平衡。 设电桥的四个桥臂与粘在构件上的 四枚电阻应变片联接，当构件变形时，其电阻值的变化分别为： 11+ 、 22 + 、 33+ 、 44 + ，此时电桥的输出电压为 4433221133224411 经整理、简化并略去高阶小量，可得 43 32 21 1221 21 当四个桥臂电阻值均相等时即： 4321 ，且它们的灵敏系数均相同，则将关系 式 带入上式，则有电桥输出电压为 43214 43 32 21 1 44 D 公式（ 2 1） 由于电阻应变片是测量应变的专用仪器，电阻应变仪的输出电压 用应变值d 直接显示的。电阻应变仪有一个灵敏系数 在测量应变时，只需将电阻应变仪的灵敏系数调节到与应变片的灵敏系数相等。则 d ，即应变仪的读数应变 d 值不 9 需进行修正，否则，需按下式进行修正 KK d 0 公式（ 2 2） 则其输出电压为 4 4321 由此可得电阻应变仪的读数应变为 43214 公式（ 2 3） 式中 1 、 2 、 3 、 4 分别为 受的应变值。上式表明电桥的输出电压与各桥臂应变的代数和成正比。应变 的符号由变形方向决定，一般规定拉应变为正，压应变为负。由上式可知，电桥具有以下基本特性：两相邻桥臂电阻所感受的应变 代数值相减；而两相对桥臂电阻所感受的应变 代数值相加。这种作用也称为电桥的加减性。利用电桥的这一特性，正确地布片和组桥，可以提高测量的灵敏度、减少误差、测取某一应变分量和补偿温度影响。 温度补偿 电阻应变片对温度变化十分敏感。当环境温度变化时，因应变片的线膨胀系数与被测构件的线膨系 数不同，且敏感栅的电阻值随温度的变化而变化，所以测得应变将包含温度变化的影响，不能反映构件的实际应变，因此在测量中必须设法消除温度变化的影响。 消除温度影响的措施是温度补偿。在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。它是利用电桥特性进行温度补偿的。 补偿块补偿法 把粘贴在构件被测点处的应变片称为工作片，接入电桥的 臂；另外以相同规格的应变片粘贴在与被测构件相同材料但不参与变形的一块材料上，并与被测构件处于相同温度条件下，称为温度补偿片，将它 接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥，电桥的另外两桥臂为应变仪内部固定无感标准电阻，组成等臂电桥。有电桥特性可知，只要将补偿片正确的接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。 工作片补偿法 10 这种方法不需要补偿片和补偿块，而是在同一被测构件上粘贴几个工作应变片，根据电桥的基本特性及构件的受力情况，将工作片正确地接入电桥中，即可消除温度变化所引起的应变，得到所需测量的应变。 应变片在电桥中的接线方法 应变片在测量电桥中，利用电桥的基本特性，可用各种不同的接线方法以达到温度补偿；从复杂的变形中 测出所需要的应变分量；提高测量灵敏度和减少误差。 半桥接线方法 半桥单臂测量 (图 4a)：又称 1/4 桥，电桥中只有一个桥臂接工作应变片（常用 而另一桥臂接温度补偿片（常用 臂）， 臂接应变仪内标准电阻。考虑温度引起的电阻变化，按公式（ 2 3）可得到应变仪的读数应变为 11 由于 R 温度条件完全相同，因此 所以电桥的输出电压只与工作片引起的电阻变化有关，与温度变化无关，即应变仪的读数为 1d 半桥双臂测量（图 4b）：电桥的两个桥臂 均接工作应变片， 个桥臂接应变仪内标准电阻。因为两工作应变片处在相同温度条件下， 211 ，所以应变仪的读数为 212211 由桥路的基本特性，自动消除了温度的影响，无需另接温度补偿片。 11 (a)半桥单臂测量 (b)半桥双臂测量 全桥接线法 对臂测量（图 4c）：电桥中相对的两个桥臂接工作片（常用 臂），另两个桥臂接温度补偿片。此时，四个桥臂的电阻处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。应变仪的读数为 41443211 全桥测量（图 4d）：电桥中的四个桥臂上全部接工作应变片，由于它们处于相同的温度条件下，相互抵消了温度的影响。应变仪的读数为 4321 d (c)相对桥臂测量 (d)全桥测量 图 4 全桥电路接线法 桥臂系数 同一个被测量值，其组桥方式不同，应变仪的读数 d 也不相同。定义测量出的应变仪的读数 d 与待测应变 之比为桥臂系数，因此桥臂系数 B 为