CN102184664B - 剪切应力分布规律验证性实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种剪切应力分布规律验证性实验装置及方法，属于力学实验技术领域。该装置包括包括框架（2）、曲柄悬臂实验梁（5）、加力装置、力传感器（3），上述曲柄悬臂实验梁（5）由悬臂段和曲柄段组成；上述曲柄悬臂实验梁（5）和加力装置均安装于框架（2）上；上述加力装置的加力点位于曲柄悬臂实验梁（5）的曲柄段上，加力方向与曲柄段垂直；在上述曲柄悬臂实验梁（5）的悬臂段上，对应加力作用线的截面上，与悬臂段轴线呈45度方向粘贴有一组电阻应变片。本发明利用只产生纯剪切内力而没有其他内力存在的悬臂梁，进行剪切应力分布规律测定实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种剪切应力分布规律验证性实验装置及方法，属于力学实验技术领域。
背景技术
高等教育是关系到社会主义建设和科学技术发展的重要的不可或缺的环节，不断研究新的教学方法和新的教学设备，努力提高教学质量，是高等院校和教育工作者们普遍的共识。
现有的材料力学实验教学中，验证性试验主要有金属材料的力学性能实验和纯弯曲梁正应力分布规律验证实验，目前还没有开设剪切应力分布规律验证性试验的，但理论教学中却有相当的内容是关于剪切应力方面的叙述，缺少的就是通过实验加以验证的环节。
发明内容
本发明的主要内容在于提供一种剪切应力分布规律验证性实验装置及方法，利用带曲柄的悬臂梁在横向集中力作用下，悬臂梁上位于集中力作用线处截面上合成弯矩为零，而只有横向剪切内力作用的特点，完成只有剪切力作用的条件从而进行剪切应力分布规律测定实验。
一种剪切应力分布规律验证性实验装置，其特征在于：包括框架、曲柄悬臂实验梁、加力装置、力传感器，上述曲柄悬臂实验梁由悬臂段和曲柄段组成；上述曲柄悬臂实验梁和加力装置均安装于框架上；上述加力装置的加力点位于曲柄悬臂实验梁的曲柄段上，加力方向与曲柄段垂直；在上述曲柄悬臂实验梁的悬臂段上，对应加力作用线的截面上，与悬臂段轴线呈45度方向粘贴有一组电阻应变片。上述加力装置可以由加力丝杆和加力手轮组成。
一种上述剪切应力分布规律验证性实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤： （1）、将曲柄悬臂实验梁上的电阻应变片，分别组成单臂半桥测量电路；（2）、利用加力装置施加初载P0；（3）、在初载作用下，将各个电阻应变电桥调零；（4）、给加力装置施加作用力增量ΔΡ；（5）、读取各个电阻应变电桥的读数电阻应变量ε；（6）、将测量得到的电阻应变量ε代入公式 
中，计算出各点的剪切应力τ，其中G表示材料的剪切弹性模量；（7）、按悬臂段的几何位置，连接各点应力值，得到应力分布规律，使理论结果在实验中得到验证。
考虑到粘贴电阻应变片的方便程度，以及测试截面不被其他内力干扰，一般上述曲柄悬臂实验梁的截面选择矩形截面较为方便。
一般推荐上述加力作用线位于悬臂段的中垂线上，这样有利于结构设计的对称性和美观。
本发明特征在于：1.利用带曲柄的纯剪切实验梁构件，在载荷作用下实验梁上存在一个只有剪切内力而无其他内力存在的截面。2.利用在该截面上不同高度处沿45度方向粘贴的电阻应变片的测量结果（与轴线成45度方向的线应变
）计算出剪切应力，由此验证理论教学内容。通过实验学生可以更加深刻的理解剪切应力的存在，以及剪切应力的分布规律。3.本发明所述的验证性实验及实验装置，显著特点在于实验装置新颖、内容表现直观，使理论教学内容得到很好的验证。
附图说明
图1是纯剪切试验的实验装置图；
图2是带曲柄的纯剪切实验梁实验段内的内力分析图；
图1中标号名称：1、加力手轮，2、框架，3、力传感器，4、加力丝杆，5、曲柄悬臂实验梁，6、底座，7、电阻应变片。
具体实施方式
如图1所示，纯剪切梁剪切应力分布规律验证实验，是利用本发明设计的带曲柄的纯剪切实验梁，以及与之相配套的实验加力装置来完成的实验。实验操作步骤如下：1.将实验梁上的电阻应变片，分别组成单臂半桥测量电路。2.转动手轮给实验梁加上向下的初始作用力P0（初载）。3.在初载作用下，将各个应变电桥调零。4.再给实验梁施加向下的作用力增量ΔΡ。5.读取各个应变电桥的读数应变（在没有系统误差的条件下，可以认为读数应变就是实验梁上的各点应变值）。6.将测量得到的应变值代入公式（
）中，计算出各点的剪切应力值。7.按实验梁上的几何位置，连接各点应力值，得到应力分布规律，使理论结果在实验中得到验证。
这一新的验证性实验的实验原理是，当力作用在实验梁的曲柄上时，它所造成的在悬臂梁上实验段上的载荷由三部分组成，一是集中力P向梁的C端简化平移后的等效的弯矩M1，二为平移后的集中力对悬臂梁所造成的沿轴线成线性变化的弯矩M2，三为平移后的集中力对悬臂梁造成的垂直于悬臂梁轴线的恒定剪切力P。而M1和M2在梁的中部的作用力P的作用线截面处的合成弯矩为零，因此在这个截面上的内力只有恒定的剪切力P的作用，因而在该截面上可以进行验证性实验。
Claims (5)
1.一种剪切应力分布规律验证性实验装置，其特征在于：
包括框架（2）、曲柄悬臂实验梁（5）、加力装置、力传感器（3），上述曲柄悬臂实验梁（5）由悬臂段和曲柄段组成；
上述曲柄悬臂实验梁（5）和加力装置均安装于框架（2）上；
上述加力装置的加力点位于曲柄悬臂实验梁（5）的曲柄段上，加力方向与曲柄段垂直；
在上述曲柄悬臂实验梁（5）的悬臂段上，对应加力作用线的截面上，与悬臂段轴线呈45度方向粘贴有一组电阻应变片。
2.根据权利要求1所述的剪切应力分布规律验证性实验装置，其特征在于：上述加力装置由加力丝杆（4）和加力手轮（1）组成。
3.根据权利要求1所述的剪切应力分布规律验证性实验装置，其特征在于：上述曲柄悬臂实验梁（5）的截面为矩形。
4. 根据权利要求1所述的剪切应力分布规律验证性实验装置，其特征在于：上述加力作用线位于悬臂段的中垂线上。
5. 一种利用权利要求1所述剪切应力分布规律验证性实验装置的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、将曲柄悬臂实验梁上的电阻应变片，分别组成单臂半桥测量电路；
（2）、利用加力装置施加初载P0；
（3）、在初载作用下，将各个电阻应变电桥调零；
（4）、给加力装置施加作用力增量ΔΡ；
（5）、读取各个电阻应变电桥的读数电阻应变量ε；
（6）、将测量得到的电阻应变量ε代入公式 
中，计算出各点的剪切应力τ，其中G表示材料的剪切弹性模量；
（7）、按悬臂段的几何位置，连接各点应力值，得到应力分布规律，使理论结果在实验中得到验证。
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