CN109920310A - 一种测量结构内力的简易教学实验装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量结构内力的简易教学实验装置及其测量方法，包括桁架杆结构及测力装置，所述测力装置包括液封式玻璃管、导管、液压装置及左侧杆，液封式玻璃管背面设置有刻度标记衬底，导管的一端与液封式玻璃管连接，导管的另一端与液压装置连接，液压装置包括套筒及推杆套筒设置于左侧杆内，套筒内设置有推拉活塞；套筒内盛放有液封油，套筒的前端设有出液口，导管与出液口密封连接，左侧杆及推杆的端部分别与桁架结构其它杆件连接，作为桁架杆结构中指定杆件的内力待测杆。本发明安装灵活、内力测定结果直观，简单易操作，无需其他电子设备辅助，内力测量结果数据精度高，大大方便《建筑力学与结构》课程的实验教学。
Description
技术领域
本发明涉及力学实验装置技术领域，尤其涉及一种测量结构内力的简易教学实验装置及其测量方法。
背景技术
结构的内力是一个极其抽象的概念，力是物体之间的相互的作用。力的作用效果往往只有通过物体的变形和破坏才能显示出来，而力的大小，特别是物体内力的大小，人们是无法感知的，只能通过高精度仪器设备才能检测出，或者通过复杂的力学理论计算得出。高等土建类专业课程中的力学课程是所有专业课程中最难的课程，主要原因就是力学与结构的理论太抽象，计算过程繁琐容易出错。另外，结构的内力大小无从感知，学生对其理论计算结果的正确与否无法通过实践直接检验，学习难度大，效果差。
现有的内力测量实验装置主要是通过在待测的结构杆件上贴上“应变片”，连接上电子检测仪器，通过杆件的变形导致应变片的电阻微改变，从而得出杆件局部的应变，结合杆件材料的物理性能参数(弹性模量)计算得出杆件的应力，再根据材料的截面参数和材料力学理论计算得出内力值。此测量方法得到内力结果误差大，测定结果受诸多因素影响，如：应变片的黏贴质量，杆件材料的物理性能参数不确定等。而且，测量的结果并不是直接得内力值，是通过应变到应力，再到内力的间接计算方法得出的，结果不直观。所以专业学生对测量结果的接受意愿不够强烈，对理论计算结果的准确性无法把握，结果性目标模糊。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量结构内力的简易教学实验装置，利用该装置，可直观测量结构模型中杆系中各杆的内力大小，验证建筑力学理论中的内力计算理论的正确性，有利于教师对力学与结构课程的教学组织与开展。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种测量结构内力的简易教学实验装置，包括桁架杆结构及测力装置，所述测力装置包括液封式玻璃管、导管、液压装置及左侧杆，所述液封式玻璃管背面设置有刻度标记衬底，所述导管的一端与液封式玻璃管连接，导管的另一端与液压装置连接，所述液压装置包括套筒及推杆，所述套筒设置于左侧杆内，所述套筒内设置有推拉活塞，所述推杆的一端与活塞连接；所述套筒内盛放有液封油，套筒的前端设有出液口，所述导管与出液口密封连接，所述左侧杆及推杆的另一端分别与桁架杆结构连接，作为所述桁架杆结构的结构内力待测杆。
较佳地，还包括右侧杆，所述右侧杆的一端与推杆连接，所述右侧杆的另一端与桁架杆结构连接。
较佳地，所述桁架杆结构包括支座、多个支杆及多个铰结点盘，所述左侧杆及右侧杆分过通过铰结点盘与其中一个或多个支杆连接，所述支杆与支杆之间通过铰结点盘连接，所述支座设置在其中一个或两个铰结点盘上。
较佳地，所述桁架杆结构包括平行设置的上横杆和下横杆，以及通过铰结点盘连接该上横杆及下横杆的竖杆及斜杆，形成倒梯形结构，所述支座通过铰结点盘对称设置在上横杆的两端；所述上横杆为两个，所述两个上横杆之间连接测力装置。
较佳地，所述上横杆包括左上横杆及右上横杆，所述测力装置的左侧杆通过铰结点盘与左上横杆连接，所述右侧杆通过铰结点盘与右上横杆连接；还包括斜腹杆，所述斜腹杆通过铰结点盘设置于两个对称的竖杆之间。
较佳地，所述液封式玻璃管、导管及液压装置均为两个，两个液压装置分别对称地与左侧杆连接，所述导管的两端分别与液封式玻璃管及液压装置连接。
较佳地，所述左侧杆的右端部开设有凹槽，所述凹槽的直径大小与液压装置的套筒相适配，所述套筒套设于凹槽内。
较佳地，所述右侧杆内两侧均开有卡槽，所述推杆与右侧杆连接的一端设置有连杆，所述连杆宽度大小与卡槽相适配，所述连杆的两端插入右侧杆的卡槽内。
较佳地，本发明还提供了一种一种测量结构内力的简易教学实验装置的测量方法，包括以下步骤：
(1)将所述液压装置和导管充满液压油，并在所述液封式玻璃管内用液压油封闭一半体积的气体，所述液封式玻璃管竖直放置，气体位于液封式玻璃管上半部；
(2)对装好的液压装置直接施加可控大小的拉、压力的作用，根据所述液封式玻璃管内的液面位置，在液封式玻璃管上做刻度标记，以标定力的大小；未施加力的作用时的液面位置即为“0”刻度；
(3)将标定好的测力装置的左侧杆及右侧杆作为杆件，安装在桁架杆结构模型中，作为待测杆；
(4)对安装好的桁架杆结构模型进行目标性加载，观察待测杆受力后的测力装置中液封式玻璃管中的液面变化情况，待稳定后，直接得出待测杆的内力值，并与该结构中待测杆的力学理论计算内力结果相对比印证，从而实现“建筑力学与结构”课程中的理论教学和试验对比验证的目的。
较佳地，本发明还提供了一种一种测量结构内力的简易教学实验装置的测量方法，包括以下步骤：(1)将所述液压装置和导管充满液压油，并在所述液封式玻璃管内用液压油封闭一半体积的气体，所述液封式玻璃管竖直放置，气体位于液封式玻璃管上半部；
(2)对装好的液压装置直接施加可控大小的拉、压力的作用，根据所述液封式玻璃管内的液面位置，在液封式玻璃管上做刻度标记，以标定力的大小；未施加力的作用时的液面位置即为“0”刻度；
(3)将标定好的测力装置的左侧杆及测力装置的推杆作为杆件，安装在桁架杆结构模型中，作为待测杆；当被测量的桁架杆结构的结构杆受弯时，受弯点处的横截面的上、下部位各设置一个测力装置，测力装置的左侧杆及推杆分别与桁架杆结构模型的结构杆连接，独立承担截面内弯矩产生的压力和拉力；
(4)对安装好的桁架杆结构模型进行目标性加载，观察待测杆受力后的测力装置中液封式玻璃管中的液面变化情况，待稳定后，直接得出待测杆的内力值，即待测杆的压力值及拉力值，实际测得的压力、拉力值之和与两个液压装置的中心距离的乘积，即为受弯点处的内力弯矩值；并与该结构中待测杆的力学理论计算内力结果相对比印证，从而实现“建筑力学与结构”课程中的理论教学和试验对比验证的目的。
本发明装置的基本原理是：由“波意耳定律”气体热力学定律，对于恒温下封闭的气体，气体的体积和所受的压强乘积是一个定值。将测力装置安装在一个桁架杆系结构中作为待测杆，当有外力荷载作用在桁架杆系结构上，待测杆处会产生拉压内力(轴力)，液压装置对套筒内部封闭的液体产生压强作用，液体通过导管将压强传递给外部的一端封闭的玻璃管内的气体，玻璃管内的密封气体在有压液体的封闭作用下，产生体积变化，从而引起玻璃管内液面位置的升降，此时，待测杆所受内力的大小可以通过与外部连接的液封式玻璃管内液面的高低直接反应出来，再从液封式玻璃管上的刻度标记中读出内力大小的参数，从而达到直接测量结构模型中指定杆件的内力值目的。
表征内力大小的刻度标记的确定：在安装装置之前，先对刻度盘上的刻度进行内力大小的标定，无压状态下玻璃管内的液面位置对准“0”刻度，通过直接对液压装置活塞施加可控大小的拉压力作用，从而引起液封式玻璃管中的液面变化，对应标定出拉压力的作用值以及测量范围，只需一次性标定即可重复使用。然后将标定好内力值(轴力)的刻度盘和液封式玻璃管固定成一个整体，通过导管与待测杆液压装置相连，通过调整自身的长短(液压装置套筒内液体的封闭量)，即可作为杆系结构试验中的任意一个部位杆件的内力测试杆。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的测量结构内力的简易教学实验装置相对现行的结构模型内力测定设备，简单易操作，无需其他电子设备辅助，无其他耗材，可重复使用，成本造价低。
(2)本发明内力测定结果直观，可直接从玻璃管内液面的位置读出结构待测部位的内力值(轴力或弯矩)，无需杆件材料的力学性能参数(弹性模量，截面参数等)参与计算，系统误差小，内力测量结果数据精度高。
(3)本发明装置安装灵活，可做为杆系结构模型中任意杆件参与受力，并测定出该处的内力值，大大方便力学与结构课程的实验教学。
附图说明
图1是本发明测力装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1的结构示意图；
图3是本发明实施例2的结构示意图。
附图中，1-桁架杆结构，2-测力装置，3-结构杆，101-左上横杆，102-右上横杆，103-竖杆，104-斜杆，105-下横杆，106-斜腹杆，107-铰结点盘，108- 支座，201-液封式玻璃管，202-导管，203-套筒，204-推杆，205-左侧杆，206- 右侧杆，207-液压装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
实施例1
如图1所示，根据本发明的一种测量结构内力的简易教学实验装置，包括桁架杆结构1及测力装置2，所述测力装置2包括液封式玻璃管201、导管 202、液压装置207、左侧杆205及右侧杆206，所述液封式玻璃管201背面设置有刻度标记衬底，所述导管202的一端与液封式玻璃管201连接，导管 202的另一端与液压装置207连接，所述液压装置207包括套筒203及推杆 204，所述套筒203设置于左侧杆205内，所述套筒203内设置有推拉活塞，所述推杆204的一端与活塞连接，推杆204的另一端与右侧杆206连接；所述套筒203内盛放有液封油，套筒203的前端设有出液口，所述导管202与出液口密封连接，所述左侧杆205及右侧杆206分别与桁架杆结构1连接，作为所述桁架杆结构1的结构内力待测杆；所述桁架杆结构1包括支座108、多个支杆及多个铰结点盘107，所述左侧杆205及右侧杆206分过通过铰结点盘107与其中一个或多个支杆连接，所述支杆与支杆之间通过铰结点盘107 连接，所述支座108设置在其中一个或两个铰结点盘107上，通过杆系中各结构杆3的长度变化和替换，与绞结盘点107可组成不同的结构模型，满足课程教学中出现的各种造型结构内力(轴力)计算和试验验证的需要。
如图2所示，在本实施例中，所述桁架杆结构1包括平行设置的上横杆和下横杆105，以及通过铰结点盘107连接该上横杆及下横杆105的竖杆103 及斜杆104，形成倒梯形结构，所述支座108通过铰结点盘107对称设置在上横杆的两端；所述上横杆为两个，所述两个上横杆之间连接测力装置2；较佳地，所述上横杆包括左上横杆101及右上横杆102，所述测力装置2的左侧杆 105通过铰结点盘105与左上横杆101连接，所述右侧杆206通过铰结点盘 107与右上横杆102连接；还包括斜腹杆106，所述斜腹杆106通过铰结点盘 107设置于两个对称的竖杆103之间；较佳地，所述左侧杆205的右端部开设有凹槽，所述凹槽的直径大小与液压装置207的套筒203相适配，所述套筒 203套设于凹槽内；所述右侧杆206内两侧均开有卡槽，所述推杆204与右侧杆206连接的一端设置有连杆，所述连杆宽度大小与卡槽相适配，所述连杆的两端插入右侧杆206的卡槽内。
测量过程为：
(1)将液压装置207和导管202充满液压油，并在液封式玻璃管201内用液压油封闭一半体积的气体，玻璃管竖直放置，气体位于玻璃管上半部；
(2)对装好的液压装置207直接施加可控大小的拉、压力的作用，根据液封式玻璃管201内的液面位置，在液封式玻璃管201上做刻度标记，以标定力的大小；未施加力的作用时的液面位置即为“0”刻度；
(3)将标定好的测力装置2的左侧杆205及右侧杆206作为杆件，安装在桁架杆结构1模型中，作为待测杆；
(4)对安装好的桁架杆结构1模型进行目标性加载，观察待测杆受力后的测力装置2中液封式玻璃管201中的液面变化情况，待稳定后，直接得出待测杆的内力值，并与该结构中待测杆的力学理论计算内力结果相对比印证，从而实现“建筑力学与结构”课程中的理论教学和试验对比验证的目的。
实施例2
如图1所示，根据本发明的一种测量结构内力的简易教学实验装置，包括桁架杆结构1及测力装置2，所述测力装置2包括液封式玻璃管201、导管 202、液压装置207及左侧杆205，所述液封式玻璃管201背面设置有刻度标记衬底，所述导管202的一端与液封式玻璃管201连接，导管202的另一端与液压装置207连接，所述液压装置207包括套筒203及推杆204，所述套筒 203设置于左侧杆205内，所述套筒203内设置有活塞，所述推杆204的一端与活塞连接，推杆204的另一端与桁架杆结构连接；所述套筒203内盛放有液封油，套筒203的前端设有出液口，所述导管202与出液口密封连接，所述左侧杆205及推杆204的另一端与桁架杆结构1连接，作为所述桁架杆结构1的结构内力待测杆；所述桁架杆结构1包括支座108、多个结构杆3及多个铰结点盘107，所述左侧杆205分过通过铰结点盘107与其中一个或多个结构杆3连接，所述结构杆3与结构杆3之间通过铰结点盘107连接，所述支座108设置在其中一个或两个铰结点盘107上，通过杆系中各结构杆3的长度变化和替换，与绞结盘点107可组成不同的结构模型，满足课程教学中出现的各种造型结构内力(轴力)计算和试验验证的需要。
如图3所示，所述液封式玻璃管201、导管202及液压装置207均为两个，两个液压装置207分别对称地与左侧杆205连接，液压装置207的推杆204 的另一端与结构杆3，所述导管202的两端分别与液封式玻璃管201及液压装置207连接。
本实施例可具备测量受弯杆件的内力弯矩功能。如图3所示，当被测量的桁架杆结构1的结构杆3受弯时，受弯点处的横截面的上下部位各设置一个测力装置2的液压装置207，测力装置2的左侧杆205及推杆204分别与结构杆3连接，独立承担截面内弯矩产生的压力和拉力，将实际测得的压力、拉力值之和(H值)与e/2(两个液压装置207的中心距离)的乘积即为受弯点处的内力弯矩值；测力装置标定后可以直接通过杆端1及杆端2与桁架杆结构中的节点连接，组装成结构试验教学模型，用于对受弯杆件内力计算与实验的对比分析。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：包括桁架杆结构及测力装置，所述测力装置包括液封式玻璃管、导管、液压装置及左侧杆，所述液封式玻璃管背面设置有刻度标记衬底，所述导管的一端与液封式玻璃管连接，导管的另一端与液压装置连接，所述液压装置包括套筒及推杆，所述套筒设置于左侧杆内，所述套筒内设置有推拉活塞，所述推杆的一端与活塞连接；所述套筒内盛放有液封油，套筒的前端设有出液口，所述导管与出液口密封连接，所述左侧杆及推杆的另一端分别与桁架杆结构连接，作为所述桁架杆结构的结构内力待测杆。
2.根据权利要求1所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：还包括右侧杆，所述右侧杆的一端与推杆连接，所述右侧杆的另一端与桁架杆结构连接。
3.根据权利要求2所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述桁架杆结构包括支座、多个支杆及多个铰结点盘，所述左侧杆及右侧杆分过通过铰结点盘与其中一个或多个支杆连接，所述支杆与支杆之间通过铰结点盘连接，所述支座设置在其中一个或两个铰结点盘上。
4.根据权利要求2所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述桁架杆结构包括平行设置的上横杆和下横杆，以及通过铰结点盘连接该上横杆及下横杆的竖杆及斜杆，形成倒梯形结构，所述支座通过铰结点盘对称设置在上横杆的两端；所述上横杆为两个，所述两个上横杆之间连接测力装置。
5.根据权利要求3所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述上横杆包括左上横杆及右上横杆，所述测力装置的左侧杆通过铰结点盘与左上横杆连接，所述右侧杆通过铰结点盘与右上横杆连接；还包括斜腹杆，所述斜腹杆通过铰结点盘设置于两个对称的竖杆之间。
6.根据权利要求1所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述液封式玻璃管、导管及液压装置均为两个，两个液压装置分别对称地与左侧杆连接，所述导管的两端分别与液封式玻璃管及液压装置连接。
7.根据权利要求2所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述左侧杆的右端部开设有凹槽，所述凹槽的直径大小与液压装置的套筒相适配，所述套筒套设于凹槽内。
8.根据权利要求2所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置，其特征在于：所述右侧杆内两侧均开有卡槽，所述推杆与右侧杆连接的一端设置有连杆，所述连杆宽度大小与卡槽相适配，所述连杆的两端插入右侧杆的卡槽内。
9.根据权利要求2-5、7或8任一项所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将所述液压装置和导管充满液压油，并在所述液封式玻璃管内用液压油封闭一半体积的气体，所述液封式玻璃管竖直放置，气体位于液封式玻璃管上半部；
(2)对装好的液压装置直接施加可控大小的拉、压力的作用，根据所述液封式玻璃管内的液面位置，在液封式玻璃管上做刻度标记，以标定力的大小；未施加力的作用时的液面位置即为“0”刻度；
(3)将标定好的测力装置的左侧杆及右侧杆作为杆件，安装在桁架杆结构模型中，作为待测杆；
(4)对安装好的桁架杆结构模型进行目标性加载，观察待测杆受力后的测力装置中液封式玻璃管中的液面变化情况，待稳定后，直接得出待测杆的内力值，并与该结构中待测杆的力学理论计算内力结果相对比印证，从而实现“建筑力学与结构”课程中的理论教学和试验对比验证的目的。
10.根据权利要求6所述的一种测量结构内力的简易教学实验装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将所述液压装置和导管充满液压油，并在所述液封式玻璃管内用液压油封闭一半体积的气体，所述液封式玻璃管竖直放置，气体位于液封式玻璃管上半部；
(2)对装好的液压装置直接施加可控大小的拉、压力的作用，根据所述液封式玻璃管内的液面位置，在液封式玻璃管上做刻度标记，以标定力的大小；未施加力的作用时的液面位置即为“0”刻度；
(3)将标定好的测力装置的左侧杆及测力装置的推杆作为杆件，安装在桁架杆结构模型中，作为待测杆；当被测量的桁架杆结构的结构杆受弯时，受弯点处的横截面的上、下部位各设置一个测力装置，测力装置的左侧杆及推杆分别与桁架杆结构模型的结构杆连接，独立承担截面内弯矩产生的压力和拉力；
(4)对安装好的桁架杆结构模型进行目标性加载，观察待测杆受力后的测力装置中液封式玻璃管中的液面变化情况，待稳定后，直接得出待测杆的内力值，即待测杆的压力值及拉力值，实际测得的压力、拉力值之和与两个液压装置的中心距离的乘积，即为受弯点处的内力弯矩值；并与该结构中待测杆的力学理论计算内力结果相对比印证，从而实现“建筑力学与结构”课程中的理论教学和试验对比验证的目的。
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2019
- 2019-03-28 CN CN201910242563.4A patent/CN109920310B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN109920310B (zh) | 2024-01-26 |
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