石家莊鐵道學(xué)院四方學(xué)院工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)試卷適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、土木工程、軌道交通工程等考試時(shí)長(zhǎng)：120分鐘滿分分值：100分題型填空題簡(jiǎn)答題實(shí)驗(yàn)分析題綜合計(jì)算題總分分值15分30分25分30分100分答題要求直接填寫答案簡(jiǎn)明扼要、要點(diǎn)清晰結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理分析寫出步驟、公式及結(jié)果-一、填空題（每空1分，共15分）靜力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證力的平行四邊形法則時(shí)，需使用的核心儀器是__________，實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)是__________。低碳鋼拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為四個(gè)階段，依次為__________、__________、屈服階段和強(qiáng)化階段。測(cè)定梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中，通常在梁的縱向表面粘貼__________，通過(guò)測(cè)量其__________變化計(jì)算應(yīng)力分布。剪切實(shí)驗(yàn)中，剪切面的判斷依據(jù)是__________，擠壓應(yīng)力的計(jì)算面積應(yīng)為__________面積。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，圓軸的扭轉(zhuǎn)角與__________、__________、長(zhǎng)度成正比，與截面極慣性矩成反比。實(shí)驗(yàn)誤差按性質(zhì)可分為__________誤差和偶然誤差，減小系統(tǒng)誤差的常用方法是__________和儀器校準(zhǔn)。桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中，采用__________法測(cè)量桿件內(nèi)力時(shí)，需在桿件上粘貼應(yīng)變片，通過(guò)__________采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。二、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）簡(jiǎn)述“驗(yàn)證力的多邊形法則”實(shí)驗(yàn)的操作步驟及注意事項(xiàng)。低碳鋼與鑄鐵在拉伸實(shí)驗(yàn)中的力學(xué)性能差異主要體現(xiàn)在哪些方面？實(shí)驗(yàn)中如何通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線區(qū)分兩種材料？梁的彎曲正應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中，為何要在梁的不同截面粘貼應(yīng)變片？如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證彎曲正應(yīng)力公式\sigma=\frac{My}{I_z}的正確性？什么是壓桿的臨界載荷？實(shí)驗(yàn)中測(cè)定壓桿臨界載荷的方法有哪些？簡(jiǎn)述其中一種方法的原理。簡(jiǎn)述“組合變形實(shí)驗(yàn)”中，如何通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量構(gòu)件在拉彎組合作用下的正應(yīng)力？實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟是什么？三、實(shí)驗(yàn)分析題（共25分）（一）案例分析（12分）某學(xué)生在進(jìn)行“軸向拉壓實(shí)驗(yàn)”時(shí)，記錄的數(shù)據(jù)如下表所示（試件參數(shù)：直徑d=10mm，標(biāo)距L=100mm）：載荷P（kN）0204045485055伸長(zhǎng)量ΔL（mm）00.080.160.200.350.500.65計(jì)算試件的彈性模量E（保留三位有效數(shù)字）；（4分）判斷該試件的屈服載荷范圍，并說(shuō)明依據(jù)；（4分）分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可能存在的誤差來(lái)源（至少列出3點(diǎn)）。（4分）（二）誤差分析（13分）在“測(cè)定圓軸扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力”實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)以下兩種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，請(qǐng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理分析原因并提出改進(jìn)措施：測(cè)量的扭轉(zhuǎn)角始終大于理論計(jì)算值；（6分）同一截面不同位置的切應(yīng)力測(cè)量值離散度較大。（7分）四、綜合計(jì)算題（共30分）某簡(jiǎn)支梁實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示（梁的材料為Q235鋼，彈性模量E=206GPa，截面尺寸b×h=20mm×40mm，跨度L=800mm）：在梁的中點(diǎn)施加集中載荷P=5kN；在梁跨中截面的上、下邊緣及中性軸處粘貼應(yīng)變片（編號(hào)1、2、3）。計(jì)算跨中截面的最大彎曲正應(yīng)力；（10分）若應(yīng)變片1的實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)閈varepsilon_1=3.2??10^{-4}，驗(yàn)證其是否符合理論計(jì)算值，并計(jì)算相對(duì)誤差；（12分）若實(shí)驗(yàn)中載荷增加至8kN，應(yīng)變片2可能出現(xiàn)什么現(xiàn)象？說(shuō)明原因。（8分）參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（附后）一、填空題答案Gravesend’sapparatus（格雷夫森德儀器）；力的平行四邊形法則彈性階段；比例階段應(yīng)變片；應(yīng)變剪切面與外力方向平行；實(shí)際擠壓接觸扭矩；剪切模量系統(tǒng)；修正實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)變片測(cè)量；數(shù)據(jù)采集儀二、簡(jiǎn)答題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（每小題6分，按要點(diǎn)給分）操作步驟（4分）：①固定實(shí)驗(yàn)板→②穿繞絲線并掛重物→③繪制力的作用線→④按比例作圖驗(yàn)證；注意事項(xiàng)（2分）：滑輪摩擦減小、力的方向準(zhǔn)確繪制、重物靜止后讀數(shù)。性能差異（3分）：低碳鋼有屈服階段、塑性好，鑄鐵無(wú)屈服階段、脆性大；曲線區(qū)分（3分）：低碳鋼曲線有明顯屈服平臺(tái)，鑄鐵曲線呈線性斷裂。應(yīng)變片粘貼目的（3分）：測(cè)量不同位置的應(yīng)變分布，驗(yàn)證“正應(yīng)力與到中性軸距離成正比”；驗(yàn)證方法（3分）：計(jì)算各點(diǎn)理論應(yīng)力與實(shí)驗(yàn)應(yīng)力，對(duì)比誤差是否在允許范圍。臨界載荷定義（2分）：壓桿保持直線平衡的最大載荷；測(cè)量方法（4分）：靜載荷法（分級(jí)加載測(cè)變形）、動(dòng)載荷法（共振法），任選一種說(shuō)明原理。測(cè)量方法（3分）：在構(gòu)件表面粘貼單向/雙向應(yīng)變片，分別測(cè)量拉伸應(yīng)變和彎曲應(yīng)變；數(shù)據(jù)處理（3分）：疊加原理計(jì)算總應(yīng)變→換算正應(yīng)力→與理論值對(duì)比。三、實(shí)驗(yàn)分析題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（一）案例分析彈性模量計(jì)算（4分）：彈性階段取P=0-40kN，E=\frac{PL}{A\DeltaL}=\frac{40??10^3??100}{????5^2??0.16}a??318GPa（公式2分，計(jì)算2分）屈服載荷范圍（4分）：45-48kN（依據(jù)：伸長(zhǎng)量突然增大，符合屈服階段特征）誤差來(lái)源（4分）：載荷測(cè)量誤差、伸長(zhǎng)量讀數(shù)誤差、試件尺寸測(cè)量誤差、溫度影響、設(shè)備摩擦（答對(duì)3點(diǎn)即可）（二）誤差分析扭轉(zhuǎn)角偏大原因（3分）：軸的實(shí)際尺寸偏小、材料剪切模量測(cè)量值偏低、實(shí)驗(yàn)裝置存在附加變形；改進(jìn)措施（3分）：校準(zhǔn)試件尺寸、選用標(biāo)準(zhǔn)材料試件、檢查裝置并消除間隙。切應(yīng)力離散原因（4分）：應(yīng)變片粘貼位置偏差、試件截面尺寸不均勻、載荷偏心、溫度梯度影響；改進(jìn)措施（3分）：精準(zhǔn)定位粘貼、校準(zhǔn)試件尺寸、確保載荷對(duì)中、恒溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)。四、綜合計(jì)算題評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)最大彎曲正應(yīng)力（10分）：截面慣性矩I_z=\frac{bh^3}{12}=\frac{20??40^3}{12}a??106666.7mm^4（2分）跨中彎矩M=\frac{PL}{4}=\frac{5??10^3??800}{4}=1??10^6N?·mm（3分）最大正應(yīng)力\sigma_{max}=\frac{Mh}{2I_z}=\frac{1??10^6??20}{106666.7}a??187.5MPa（5分）應(yīng)變驗(yàn)證（12分）：理論應(yīng)變\varepsilon_{???è?o}=\frac{\sigma_{max}}{E}=\frac{187.5??10^6}{206??10^9}a??9.1??10^{-4}（4分）相對(duì)誤差\delta=\left|\frac{9.1??10^{-4}-3.2??10^{-4}}{9.1??10^{-4}}\right|??100\%a??64.8\%（4分）結(jié)論：實(shí)測(cè)值與理論值偏差較大，需檢查應(yīng)變片粘貼位置或?qū)嶒?yàn)裝置（4分）載荷增加至8kN的現(xiàn)象（8分）：現(xiàn)象：應(yīng)變片2（下邊緣