鋁鋰合金等強梁應變測量與分析蔡興俊、馬立軍、李金旸北京工業大學機電學院2009級學生指導教師：張亦良摘要：鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域。根據合金的各種不同用途，它所含的成分種類也不同，合金中鋰含量也有所不同，因此材料的各種參數都不一樣。在材料的各種參數中，彈性模量E和泊松比^是最基本、最重要的力學參數。針對本實驗的鋁鋰合金材料，本次試驗通過對樣品的加載，用應變儀測出應變，驗證它等強梁的性質，進一步算出彈性模量E和泊松比p。關鍵詞：鋁鋰合金、等強梁、應變、彈性模量、泊松比1.前言鋁鋰合金是近十幾年來航空金屬材料中發展最為迅速的一個領域。鋰是世界上最輕的金屬元素，密度0.534g/c^。把鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。 鋁鋰合金是一種低密度、高性能的新型結構材料，在強度相當的情況下，它比常規鋁合金的密度低10%，而彈性模量卻提高了10%，其比強度和比剛度高，低溫性能好，還具有良好的耐腐蝕性能和非常好的超塑性較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。因為這些特性，這種新型合金受到了航空、航天以及航海業的廣泛關注。2.實驗原理及方法實驗時，固定材料一端，對另一端加載，這時材料為平面彎曲狀態，通過應變儀測出材料上表面的橫向應變和縱向應變，分析比較數據，驗證材料為等強梁。然后根據平面彎曲應力公式。=M/W計算出各載荷下的應力，最后由胡克定律a=E*g可得出彈性模量的值，泊松比M=|g橫/g縱|。材料樣品形狀如下：圖1 鋁鋰合金等強梁樣品俯視圖圖1’鋁鋰合金等強梁樣品主視圖

2.1貼片位置圖2.1貼片位置圖2鋁鋰合金等強梁貼片位置示意圖貼片位置與編號如圖2所示，在上表面沿縱向中軸線上貼有三個縱向應變片和兩個橫向應變片，我們推斷，相同載荷下，只要、2、3號應變相同或相差不大，此樣品即為等強梁，所以對距離沒有要求。2.2加載方案2.2.1估算最大許用載荷經查資料可知，鋁合金的許用應力[。]^300?400MPa之間，由。=MIWW[a] M=F*L W=1/6bh?可估算最大許用載荷 Fmax=59.23N=6.04kgmax（注：此值為鋁合金的估算值，只是一個大概范圍，誤差較大，實驗時可根據實驗作調整圖31/4橋接原理圖2.2.2圖31/4橋接原理圖（1）、測量方法--1/4橋接法（如右圖所示）應變儀讀數：ds二￡1

(2)、加載方案FQ：F*L圖4鋁鋰合金剪力彎矩圖加載方式：(2)、加載方案FQ：F*L圖4鋁鋰合金剪力彎矩圖實驗采用增量法，即所加載荷均勻增加AF=0.25kg.本實驗經加載到1.75kg時，發生明顯彎曲變形，因此加載到1.75kg時即可停止加載。3.實驗結果及數據處理3.1鋁鋰合金在載荷作用下的測試結果表1鋁鋰合金在載荷作用下的測試與計算結果1 JCH020CH021CH022CH023CH024CH025CH026 '■cr理-應變0應變1應變W應殳3應變4應變5應變6彈性模量E/GPa泊松比kgMpa(IS/]叫￡h(IS/]四￡/]叫￡/(IS/叫￡/E1E200-1000010r#DIV/01^DIV/O!■######■######0.2512.5-1165-47162157-30075.757677.16050.28480.29010.525-1325-93323309-61076.923177.39940.28620.28790.7537.5-1481-135481433-91077.962677.96260.28070.2807150-1612-175627564-120381.699379.74480.28590.27911.2562.5-1769-222787712-150181.274479.41550.28870.28211.5750902-254931820-179283.148680.55850.28160.27281.7587.501024-2901072911-207385.449281.62310.28320.2705均值79.71990.2825載荷/kg載荷/kg6一-O1X值變應圖4鋁鋰合金受力載荷一應變圖3.2O理論值的計算由于該鋁鋰合金為等強梁，因此在平面彎曲的情況下，上表面各點所受的軸向拉應力均相等，所以為了計算簡便，我們取長度L=100mm處截面計算其上表面所受的拉應力。通過測量，可知此處矩形截面邊長b=15mm,高h=2.8mm。由公式 a=M/W M=F*L W=1/6bT可算出不同載荷下的。理論值，O=6FL/bh23.3彈性模量E和泊松比口的計算由表1可看出，CHO21\CHO23值相差不大，CHO22對應的應變片位于中部，比較精確，因此綜合考慮選：1、￡2、￡3進行計算會比較恰當。計算時根據公式E=a/€和H=|€橫/E縱|，輸入對應公式，Excel表格自行處理數據得到對應的E1、E2以及u1、u2.最后算出平均值 E=79.7199GPa,/=0.2825.4、實驗結果分析及討論4.1數據結果分析（1） 由圖4可看出，應變與載荷呈線性分布，且各點波動不大，相同方向上，各測量點的載荷-應變線基本一致，因此實驗數據可靠，較為精確。（2） 表1鋁鋰合金上表面在相同方向、相同載荷下不同位置的應變值基本一致，因此可間接驗證等強梁的性質。（3） 根據所查資料各型號鋁鋰合金彈性模量如下表密度彈性模142答警：電阻率g…G%X]"⑴?此55皿密度彈性模142答警：電阻率g…G%X]"⑴?此55皿CP2760-7656?2,60 802.56-2.552091^56-2.5977.5-78-8 22其中，彈性模量E在77.5-81之間，本實驗結果E=79.7199GPa相對誤差字（1.6%—2.9%），因此誤差不大.4.2誤差分析此次實驗在E和M的實際計算求解中均有一定的誤差，對于誤差的分析有以下幾方面：（1） 貼片位置不是很精確。在各軸向和橫向貼片中，由于第一次貼片所致，實際的貼片不可能完全在中性軸上或垂直于中性軸，所以有一定的誤差，但由此產生的誤差不是很大。（2） 貼片質量問題。各貼片可能與合金接觸不嚴密、導線焊接不實等問題，但由數值上來看，由此產生的誤差不是很大。固定端邊緣問題。在所貼的應變片中，接近固定端的那兩片接近邊緣，測量時會有一定的邊緣效應，所以造成一定的誤差。5結論由加載成功測得E=79.719