CN101520375B - 静定与超静定结构内力特性对比实验装置 - Google Patents

静定与超静定结构内力特性对比实验装置 Download PDF

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发明涉及力学领域，特别是涉及结构力学实验，本发明解决的技术问题为将静定与超静定结构包含在一个内力特性对比实验装置中，直观地将静定结构和超静定结构同时进行比较和检测。静定结构(2)的铰支座(4)和超静定结构(3)的固定支座(5)固定在同一平面上，辊轴支座(6，7)之间用水平连杆连接，加载装置(12)与水平连杆(9)连接，实现静定结构(2)和超静定结构(3)在辊轴支座(6，7)处的上下同步移动，标尺(8)固定在辊轴支座旁，应力传感器(10)在两个结构上相同位置，应力传感器(10)与数据采集装置(11)连接。本发明直观而且还可定量地体现静定结构与超静定结构的特性，可广泛应用于高等工科学校的实验及演示设备。

Description

静定与超静定结构内力特性对比实验装置
一、技术领域：
本发明涉及结构力学实验装装置，特别是涉及一种静定与超静定结构内力特性对比实验装置。
二、背景技术
现有的结构内力特性实验装置大多都是针对静定结构而设计的。而在结构力学中，对超静定结构内力特性的认识是非常重要的。目前即使有超静定结构内力特性实验装置，也只是针对单个超静定结构，没有将静定结构与超静定结构内力特性进行对比，不能更好说明超静定结构的结构特点及内力特性。
三、发明内容：
技术问题 本发明解决的技术问题为将静定与超静定结构包含在一个内力特性对比实验装置中，直观地将静定结构和超静定结构的内力特性同时进行比较和检测。
技术方案 为解决上述技术问题，本发明包括试件、加载装置、应力传感器和数据采集装置；试件包括同材料、同几何尺寸的两个结构；其中一个结构的一端为铰支座，另一端为第一辊轴支座，构成静定结构；另一结构一端为固定支座，另一端为第二辊轴支座，构成超静定结构，静定与超静定结构的主要区别是静定结构的一支座为铰支座，超静定结构的一支座为固定支座。静定结构和超静定结构处于同一平面上，铰支座和固定支座连接固定平面上，辊轴支座之间用水平连杆连接，加载装置与水平连杆连接，实现静定结构和超静定结构在辊轴支座处的上下同步移动，辊轴支座移动的大小及方向由邻近辊轴支座的标尺读出，静定结构和超静定结构在支座移动情况下的内力值由在静定结构和超静定结构的相同位置的应力传感器感知，应力传感器与数据采集装置连接，由数据采集装置采集数据，数据采集装置显示部分以数字读数的方式给出结构中具体内力数值，同时以水柱显示的方式形象表示结构中内力的大小。加载装置为加载手轮和连杆或千斤顶。加载装置与水平连杆中部垂直连接。所述的结构为刚架、梁或拱结构。
有益效果 本发明可用于比较静定与超静定结构在加载装置(如加载手轮和连杆或千斤顶)的作用下在辊轴支座处上下同步运动时，静定结构与超静定结构的不同部位应变与内力。当辊轴支座移动时，静定结构的内力始终为零，而超静定结构不同部位的内力在支座移动时各不相同，但每处的内力随支座移动量的增大都成比例增大，由此可说明静定与超静定结构在支座移动的情况下具有不同的内力特性。本发明应力传感器可以连接静定和超静定结构上位置相同任意一个点上，可以方便的检测静定结构和超静定结构任意点的应力值变化，由于本发明置自带电源，还可用作演示设备。本发明操作简单，价格低廉，维修方便，并将传统的形象化的特点和现代测试技术定量化的特点相结合，不仅直观而且还可定量地体现静定结构与超静定结构的特性。本发明可引导学生积极思考，强化基于基本概念的直观判断，达到使学生提高学习兴趣、提高动手能力、牢固掌握基本概念和基本理论的目的。实验装置可广泛应用于高等工科学校的实验及演示设备。
本发明所述：
结构为结构力学中结构的概念，为建筑物或构筑物中起骨架作用并承受荷载的部分。本案的结构包括刚架、梁、拱三种典型结构。
铰支座可以限制任何方向的移动，但允许结构绕铰中心自由地转动。
本发明中所述的固定平面是本领域技术人员所常用的平面或平台，起支撑整个装置的作用。
辊轴支座为提供一个自由度的装置，具体为辊轴下面的固定平面应挖空，锟轴由两个刚质圆或半圆构成，两个钢质的圆或半圆之间用连杆连接，锟轴的上圆或上半圆与发明中所述的结构用销钉连接，下圆或下半圆与水平连杆连接，水平连杆与加载装置连接，实现静定结构和超静定结构在辊轴支座处的上下同步移动。
四、附图说明：
图1为本发明静定与超静定结构内力特性对比实验装置第一种实施方式的示意图。
图2为锟轴支座局部放大图。
图3为静定与超静定结构示意图。
图4为加载手轮的示意图
图5为本发明静定与超静定结构内力特性对比实验装置第二种实施方式的示意图
图6为本发明静定与超静定结构内力特性对比实验装置第三种实施方式的示意图
图7为本发明静定结构移动示意图
其中：1-试件；2-静定结构；3-超静定结构；4-铰支座；5-固定支座；6-第一辊轴支座；7-第二辊轴支座；8-标尺；9-水平连杆；10-应力感应器；11-数据采集装置；12-加载装置；121-加载手轮；13-连杆；14-导向装置；A-指示锟轴支座；15-移动距离；16-移动前状态；17-移动后状态。
五、具体实施方式：
实施例1
图1所示试件1为同材料、同几何尺寸的两个刚架结构；静定结构2和超静定结构3处于同一平面上，铰支座4和固定支座5固定在平面上，第一，第二辊轴支座6，7之间用水平连杆连接，加载手轮12与水平连杆9中部垂直连接，实现静定结构2和超静定结构3在辊轴支座6，7处的上下同步移动，辊轴支座6，7移动的大小及方向由固定在支座旁的标尺8读出，静定结构2和超静定结构3在支座移动情况下的应力值由在静定结构2和超静定结构3相同位置的应力传感器10感知，应力传感器与数据采集装置11连接，由数据采集装置11采集数据，数据采集装置11显示部分以数字显示和水柱显示两种方法表达结构中的内力，不仅可形象地表达结构中的内力，而且还可给出具体的数值。本实施例中：应力传感器10为中航电测仪器公司生产的带温度自补偿BE-120-3AA型高精度电阻应变片；数据采集装置11为江苏东华公司为本发明特制的DH5653静态应变测试系统。
实施例2
图5所示试件1为同材料、同几何尺寸的两个梁结构；静定结构2和超静定结构3处于同一平面上，铰支座4和固定支座5固定在平面上，第一，第二辊轴辊轴支座6，7之间用水平连杆连接，加载手轮12与水平连杆9中部垂直连接，实现静定结构2和超静定结构3在辊轴支座6，7处的上下同步移动，辊轴支座6，7移动的大小及方向由固定在支座旁的标尺8读出，静定结构2和超静定结构3在支座移动情况下的应力值由在静定结构2和超静定结构3相同位置的应力传感器10感知，应力传感器与数据采集装置11连接，由数据采集装置11采集数据，数据采集装置11显示部分以数字显示和水柱显示两种方法表达结构中的内力，不仅可形象地表达结构中的内力，而且还可给出具体的数值。本实施例中：应力传感器10为中航电测仪器公司生产的带温度自补偿BE-120-3AA型高精度电阻应变片；数据采集装置11为江苏东华公司为本发明特制的DH5653静态应变测试系统。。
实施例3
图6所示试件1为同材料、同几何尺寸的两个拱结构；静定结构2和超静定结构3处于同一平面上，铰支座4和固定支座5固定在平面上，第一，第二辊轴辊轴支座6，7之间用水平连杆连接，加载手轮12与水平连杆9中部垂直连接，实现静定结构2和超静定结构3在辊轴支座6，7处的上下同步移动，辊轴支座6，7移动的大小及方向由固定在支座旁的标尺8读出，静定结构2和超静定结构3在支座移动情况下的应力值由在静定结构2和超静定结构3的相同位置的应力传感器10感知，应力传感器与数据采集装置11连接，由数据采集装置11采集数据，数据采集装置11显示部分以数字显示和水柱显示两种方法表达结构中的内力，不仅可形象地表达结构中的内力，而且还可给出具体的数值。本实施例中：应力传感器10为中航电测仪器公司生产的带温度自补偿BE-120-3AA型高精度电阻应变片；数据采集装置11为江苏东华公司为本发明特制的DH5653静态应变测试系统。
实施例4
图3、图4、图7所示加载手轮可使静定结构与超静定结构在辊轴支座处上下同步移动，支座移动的大小及方向由固定在支座旁的标尺读出。现将静定与超静定结构辊轴支座分别同时移动0mm、2mm、5mm、10mm、15mm。由数据采集与显示系统可读出通过电阻应变传感器转换而来的静定与超静定结构内力大小。静定结构内力在各种辊轴支座移动情况下均为0MPa。超静定结构内力在各种辊轴支座移动情况下分别为0MPa、1.52MPa、3.06MPa、7.20MPa、10.70MPa。实验结果可明确表示静定与超静定结构在支座移动时内力特性，即静定结构内力在支座移动情况下始终为0，而超静定结构内力随支座移动的大小成比例增大。

Claims (3)

1.一种静定与超静定结构内力特性对比实验装置包括试件(1)、加载装置(12)、应力传感器(10)、数据采集装置(11)；试件(1)包括同材料、同几何尺寸的两个结构；其中一个结构的一端为铰支座(4)，另一端为第一辊轴支座(6)，构成静定结构(2)；另一结构一端为固定支座(5)，另一端为第二辊轴支座(7)，构成超静定结构(3)，其特征在于：所述的静定结构(2)的铰支座(4)和超静定结构(3)的固定支座(5)固定在同一平面上，第一，第二辊轴支座(6，7)之间用水平连杆连接，加载装置(12)与水平连杆(9)连接，实现静定结构(2)和超静定结构(3)在辊轴支座(6，7)处的上下同步运动，邻近辊轴支座(6，7)各设有标尺(8)，应力传感器(10)布置在静定结构(2)和超静定结构(3)的相同位置处，应力传感器(10)的输出端与数据采集装置(11)连接；所述的锟轴支座为提供一个自由度的装置，具体为辊轴下面的固定平面挖空，锟轴由两个刚质圆或半圆构成，锟轴的上圆或上半圆用销钉连接，下圆或下半圆与水平连杆(9)连接。
2.按照权利要求1所述的静定与超静定结构内力特性对比实验装置，其特征在于：所述的试件(1)为刚架、梁或拱结构。
3.按照权利要求1或2所述的静定与超静定结构内力特性对比实验装置，其特征在于加载装置(12)与水平连杆(9)中部垂直连接。
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