便携式扭转变形实验仪的设计与实验

　　扭转变形是杆件的 4 种基本变形之一.目前，用于扭转实验的设备很多，一般用于测定切变模量、剪切屈服极限和剪切强度极限，并用来观察变形规律及破坏特征. 此类设备一般体积庞大，重量大都在500 kg 左右，不利于搬动.由材料力学可知，在剪切比例极限内，扭转角与扭矩成正比，或切应变与切应力成正比[1].如果仅在此范围内进行试验，则不需要如此庞大的设备，大多数院、校均采取自主开发设计扭转变形小型试验装置来解决这个问题. 本文就一种结构简单、便于操作的扭转变形实验仪进行论述.

　　1 便携式扭转变形实验仪的实验原理

　　1.1 实验目的

　　材料扭转实验目的是：①验证扭转变形公式;②验证剪切胡克定律;③测定材料的切变模量 G.

　　1.2 实验原理

　　(1) 扭转角的测量原理. 当构件发生扭转变形时，任意 2 个横截面将发生绕轴线的相对转动，用扭转角 φ 来表示[2]，如图 1 所示，图中 γ 为切应变.扭转角的测量有多种方法，如果能测得试件表面任一点的周向位移量，就可以计算出扭转角 φ 的大小.其原理如图 2 所示.

　　图中 δ 为百分表所指示的测试点的周向位移，为表头到试件中心的距离.计算公式如下

　　(2) 扭转变形公式的验证.测量和计算不同扭矩T 下试件的扭转角 φ，并以扭矩 T 为横坐标，扭转角φ 为纵坐标，将各点绘于坐标系中，将这些点拟合成直线，并计算相关系数 γ，若 γ 接近 1，则证明在材料的剪切比例极限范围内[3]，扭矩 T 与扭转角 φ 成正比，即

　　(3) 剪切胡克定律的验证.剪切胡克定律为

　　可参照扭矩与扭转角关系的分析方法对切应变与切应力进行线性拟合和计算相关系数. 可以证明材料在剪切比例极限范围内切应力与切应变成正比.

　　(4) 材料切变模量 G 的计算.根据扭转变形公式与从扭矩 T 与扭转角 φ 的关系分析中最佳直线的斜率 m相等，从而可求出

　　式中：G 为材料的切变模量，L 为试件长度;m 为直线的斜率;Ip为极惯性矩.

　　2 便携式扭转变形实验仪的设计

　　2.1 设计方案的确定

　　依据前述设计目的和实验原理，选定了如下的设计方案;

　　(1) 扭转变形实验仪采用如图 3 所示的设计方案;

　　(2) 扭转试件一端固定，一端采用浮动支承.这样，在支承端加扭矩时试件将处于近似的扭转变形，符合实验条件;

　　(3) 扭转试件固定端的定位.采用梅花套筒和螺母固定试件，将试件的两端车成螺纹或是摩细，拧上螺母或塞入螺母(焊死)，在支架上焊接与螺母相配合的梅花套筒，同时在加载力臂上也进行相同的处理.这样，不但加工制作简单，而且安装和更换试件也很方便;