CN110570731A - 一种拉伸试验类比演示仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拉伸试验类比演示仪，包括用于安装所有构件的主框架，类比实验室拉伸试件的主弹簧、刚性杆、波纹管和副弹簧，以及连接试件的搭钩和加载端螺栓，约束波纹管滑动的屈服组件和强化组件；搭钩包括第一搭钩、第二搭钩、第三搭钩和第四搭钩，屈服组件包括第一屈服组件和第二屈服组件，强化组件包括第一强化组件和第二强化组件；主框架的顶壁面设置约束波纹管滑动的第一屈服组件和第一强化组件，主框架的底壁面设置约束波纹管滑动的第二屈服组件和第二强化组件；解决了以往演示仪无法演示低碳钢拉伸变形时的线弹性、屈服和强化阶段以及弹性卸载、塑性失效、残余应变、残余应力概念的问题。

Description

一种拉伸试验类比演示仪
技术领域
本发明涉及一种材料力学课堂教学的演示教具领域，特别是一种拉伸试验类比演示仪。
背景技术
拉伸试验是测量材料弹性模量、泊松比、塑性指标等参数最常用的试验之一。在材料力学教学时，一般会结合试验结果，讲解塑性材料(以低碳钢为代表)和脆性材料(以铸铁为代表)的变形过程及其力学性能的差异。特别是对塑性材料拉伸时呈现出的四个变形阶段和特征：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段，以及在各变形阶段中力学性能的量化指标会进行重点分析。但在现阶段材料力学教学过程中，课堂讲解和实验室试验一般是分离的，不便于让学生把理论知识和实践结合起来。即使现有一些轻量化和小型化的多功能材料力学教具，能把试验带进课堂，但操作较为繁琐，难以在较短时间内完全展现两种材料在拉伸性能上的差异。更为重要的是，造成两种材料拉伸性能差异的物理机制或原因，实验室试验和辅助教具的试验重现都不能以简单的方式解释清楚。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种拉伸试验类比演示仪，解决了以往演示仪无法演示低碳钢拉伸变形时的线弹性、屈服和强化阶段以及弹性卸载、塑性失效、残余应变、残余应力概念的问题。
本发明提供了一种拉伸试验类比演示仪，包括用于安装所有构件的主框架，类比实验室拉伸试件的主弹簧、刚性杆、波纹管和副弹簧，以及连接试件的搭钩和加载端螺栓，约束波纹管滑动的屈服组件和强化组件；
搭钩包括第一搭钩、第二搭钩、第三搭钩和第四搭钩，屈服组件包括第一屈服组件和第二屈服组件，强化组件包括第一强化组件和第二强化组件；
主框架的顶壁面设置约束波纹管滑动的第一屈服组件和第一强化组件，主框架的底壁面设置约束波纹管滑动的第二屈服组件和第二强化组件，主框架的侧壁中心开设有螺纹孔，螺纹孔内配有可平行移动的螺栓，螺栓的外部配合有螺帽，螺栓的一侧刚结第一搭钩的一侧，第一搭钩的另一侧连接主弹簧的一侧，主弹簧的另一侧刚结第二搭钩的一侧，第二搭钩的另一侧连接刚性杆的一端，刚性杆的另一端连接波纹管的一端，波纹管的另一端刚结第三搭钩的一端，第三搭钩的另一端连接副弹簧的一端，副弹簧的另一端连接第四搭钩。
优选地，屈服组件包括凸面、刚性底板、屈服组件缓冲弹簧、刚性面板、屈服组件螺帽和屈服组件螺杆；
刚性底板底面固结凸面，刚性底板的顶面连接两个并列的屈服组件缓冲弹簧的底端，两个并列屈服组件缓冲弹簧的顶端连接刚性面板，刚性面板的中部设有圆孔，屈服组件螺杆穿过圆孔内，屈服组件螺杆上设置有螺帽，屈服组件螺帽用于调整主框架上第一屈服组件和第二屈服组件间距，同时固定其位置。
优选地，强化组件包括倾斜表面、强化组件缓冲弹簧、刚性面板、强化组件螺帽和强化组件螺杆；倾斜表面的顶面连接两个并列的强化组件缓冲弹簧的底面，刚性面板的底面连接两个并列强化组件缓冲弹簧的顶面，刚性面板的中部设有圆孔，强化组件螺杆穿过圆孔，强化组件螺杆上有设有螺帽；
强化组件螺帽用于调整主框架上第一强化组件和第二强化组件的间距，同时固定其位置。
优选地，波纹管包括外包皮和内圈环，外包皮的表面为粗糙表面，外包皮用于变形时与屈服组件和强化组件的表面产生摩擦；
内圈环置于波纹管的褶皱处并紧固，不与外包皮产生相对位移，内圈环的高度等于第一屈服组件和第二屈服组件之间的距离，且大于第一强化组件和第二强化组件间的最小间距。
本发明拉伸试验类比演示仪的有益效果如下：
1.本发明通过演示试验，能在一定程度上重现拉伸过程，与实验室试验相比，能演示低碳钢拉伸变形时的线弹性、屈服和强化阶段。
2.本发明利用一些简单的组件来揭示每个变形阶段所对应的物理机理。
3.本发明可形象地演示塑性失效以及残余应变、应力等概念。
附图说明
图1为本发明拉伸试验类比演示仪的主视图
图2为本发明拉伸试验类比演示仪的侧面图
图3为本发明拉伸试验类比演示仪的屈服组件的俯视图
图4为本发明拉伸试验类比演示仪的强化组件的俯视图
图5为本发明拉伸试验类比演示仪的波纹管的俯视图
附图标记：1-主框架、2-主弹簧、3-刚性杆、4-波纹管、5-副弹簧、6-搭钩、61-第一搭钩、62-第二搭钩、63-第三搭钩、64-第四搭钩、7-螺栓、8-屈服组件、81-第一屈服组件、82-第二屈服组件、8-1-凸面、8-2-刚性底板、8-3-屈服组件缓冲弹簧、8-4-刚性面板、8-5-屈服组件螺帽、8-6-屈服组件螺杆、9强化组件、91-第一强化组件、92-第二强化组件、9-1-倾斜表面、9-2-强化组件缓冲弹簧、9-3-刚性面板、9-4-强化组件螺帽、9-5-强化组件螺杆。
具体实施例
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图2所示，一种拉伸试验类比演示仪，包括用于安装所有构件的主框架1，类比实验室拉伸试件的主弹簧2、刚性杆3、波纹管4和副弹簧5，以及连接试件的搭钩6和加载端螺栓7，约束波纹管滑动的屈服组件8和强化组件9；
搭钩6包括第一搭钩61、第二搭钩62、、第三搭钩63和第四搭钩64，屈服组件8包括第一屈服组件81和第二屈服组件82，强化组件9包括第一强化组件91和第二强化组件92；
主框架1的顶壁面设置约束波纹管滑动的第一屈服组件81和第一强化组件91，主框架1的底壁面设置约束波纹管滑动的第二屈服组件82和第二强化组件92，主框架1的侧壁中心开设有螺纹孔，螺纹孔内配有可平行移动的螺栓7，螺栓7的外部配合有螺帽，螺栓7的一侧刚结第一搭钩61的一侧，第一搭钩61的另一侧连接主弹簧2的一侧，主弹簧2的另一侧刚结第二搭钩62的一侧，第二搭钩62的另一侧连接刚性杆3的一端，刚性杆3的另一端连接波纹管4的一端，波纹管4的另一端刚结第三搭钩63的一端，第三搭钩63的另一端连接副弹簧5的一端，副弹簧5的另一端连接第四搭钩64。
如图3所示，本实施方案的屈服组件8包括凸面8-1、刚性底板8-2、屈服组件缓冲弹簧8-3、刚性面板8-4、屈服组件螺帽8-5和屈服组件螺杆8-6；
刚性底板8-2底面固结凸面8-1，刚性底板8-2的顶面连接两个并列的缓冲弹簧8-3的底端，两个并列缓冲弹簧8-3的顶端连接刚性面板8-4，刚性面板8-4的中部设有圆孔，屈服组件螺杆8-6穿过圆孔内，屈服组件螺杆8-6上设置有屈服组件螺帽8-5，屈服组件螺帽8-5用于调整主框架上第一屈服组件81和第二屈服组件82的间距，同时固定其位置。
如图4所示，本实施方案的强化组件9包括倾斜表面9-1、强化组件缓冲弹簧9-2、刚性面板9-3、强化组件螺帽9-4和强化组件螺杆9-5；倾斜表面9-1的顶面连接两个并列的强化组件缓冲弹簧9-2的底面，刚性面板9-3的底面连接两个并列强化组件缓冲弹簧9-2的顶面，刚性面板9-3的中部设有圆孔，强化组件螺杆9-5穿过圆孔，强化组件螺杆9-5上有设有强化组件螺帽9-4；
强化组件螺帽9-4用于调整主框架1上第一强化组件91和第二强化组件92的间距，同时固定其位置。
如图5所示，本实施方案的波纹管4包括外包皮4-1和内圈环4-2，外包皮4-1的表面为粗糙表面，外包皮4-1用于变形时与屈服组件8和强化组件9的表面产生摩擦；
内圈环4-2置于波纹管4的褶皱处并紧固，不与外包皮4-1产生相对位移，内圈环4-2的高度等于第一屈服组件81和第二屈服组件82之间的距离，且大于第一强化组件91和第二强化组件92间的最小间距。
本实施方案在实施时，打开左侧螺栓7，压缩波纹管4，使其处于完全的折叠状态，再把主弹簧2、刚性杆3、波纹管4和副弹簧5各自两端的搭钩6连接上，并使其处于纵向对称面内；同时，波纹管4左侧第一个凸面与屈服组件8右侧凸面刚好接触；旋松屈服组件8上的屈服组件螺帽8-5，调整屈服组件8的水平位置，并使组件间距略大于波纹管4内圈环的宽度，旋紧屈服组件螺帽8-5，使屈服组件8固定在主框架1上；旋松强化组件9上的强化组件螺帽9-4，调整强化组件9的水平位置，并使其倾斜表面最窄处高度略大于波纹管4内圈环的宽度，旋紧强化组件螺帽9-4，使强化组件9固定在主框架1上。
安装完毕之后，检查搭钩6和螺栓7处连接情况，保证各构件刚好接触，无内力，通过左侧螺栓7拉伸主弹簧2，加载缓慢进行，每次拉伸位移保持一定值，整个拉伸过程分为3个阶段，只有主弹簧2伸长的线弹性阶段、波纹管4开始沿屈服组件8表面滑行的屈服阶段、以及波纹管4开始沿强化组件倾斜表面滑动的强化阶段，当副弹簧5也产生一定的拉伸变形时停止加载，同时，紧固左侧螺栓7，观察试件变形状态。每个变形过程中记录主弹簧2、波纹管4和副弹簧5长度L1、L2和L3。
在每个变形阶段卸载时也缓慢进行，其步骤为先慢慢打开最左侧螺栓7，使主弹簧2的变形缓慢恢复，当变形完全恢复时，停止卸载，然后紧固左侧螺栓7，观察试件变形状态，轻轻取掉副弹簧5和右侧竖壁间的第四搭钩64，使副弹簧5变形完全恢复，整个演示试验完毕。
演示试验和实验室试验的类比以及变形机理的解释如下：
主弹簧2、刚性杆3、波纹管4和副弹簧5连接形成的整体类比拉伸试件，通过主弹簧2、波纹管3和副弹簧5各构件的变形类比试件变形，主弹簧2的弹性力类比试件所受拉力。总变形L＝L1+L2+L3，其中L1、L2和L3分别为主弹簧2、波纹管4和副弹簧5的伸长，L1＝L1-l1，L2＝L2-l2，L3＝L3-l3，L1和l1、L2和l2、L3和l3、分别为主弹簧、波纹管和副弹簧初始和变形之后的长度，总拉力F＝k1 L1，k1为主弹簧的劲度系数。
在线弹性阶段，L2＝0，L3＝0，试件变形由主弹簧的伸长类比，当拉力卸载时，弹性变形按原来的变形路径恢复。线弹性阶段以波纹管开始沿屈服组件的表面滑动时结束，此时的主弹簧弹性力类比比例极限。
在屈服阶段，屈服组件8的凹凸表面对波纹管4的滑动有摩擦约束作用，当波纹管4与屈服组件8的凸表面接触时，拉力类比屈服上限，与屈服组件8凹表面接触时类比屈服下限。当拉力卸载时，主弹簧2按原来的变形路径恢复，类比试件的卸载规律。拉力完全卸载后，还有塑性变形L2未恢复。
在强化阶段，强化组件9的倾斜表面对波纹管4的滑动有摩擦约束作用，要使波纹管4沿倾斜表面滑动，必须不断增大拉力。为了演示仪的安全使用，当波纹管4在倾斜面上升到一定高度时，停止加载，即不演示颈缩破坏阶段。当拉力卸载时，主弹簧2按原来的变形路径恢复，类比试件的卸载规律。拉力完全卸载后，还有塑性变形L2+L3未恢复。
关于残余应变，副弹簧5右侧与竖壁的连接类比试件受到的多余约束，当拉力完全卸载后，残余应变为L2+L3，残余拉力为k3 L3，其中k3为副弹簧的劲度系数，类比残余应力。
如需演示铸铁材料的拉伸变形，可把屈服组件取下，重复上述操作步骤即可完成。

Claims (4)

1.一种拉伸试验类比演示仪，其特征在于，包括用于安装所有构件的主框架(1)，类比实验室拉伸试件的主弹簧(2)、刚性杆(3)、波纹管(4)和副弹簧(5)，以及连接试件的搭钩(6)和加载端螺栓(7)，约束波纹管滑动的屈服组件(8)和强化组件(9)；
所述搭钩(6)包括第一搭钩(61)、第二搭钩(62)、第三搭钩(63)和第四搭钩(64)，所述屈服组件(8)包括第一屈服组件(81)和第二屈服组件(82)，所述强化组件(9)包括第一强化组件(91)和第二强化组件(92)；
所述主框架(1)的顶壁面设置约束波纹管滑动的第一屈服组件(81)和第一强化组件(91)，所述主框架(1)的底壁面设置约束波纹管滑动的第二屈服组件(82)和第二强化组件(92)，所述主框架(1)的侧壁中心开设有螺纹孔，所述螺纹孔内配有可平行移动的螺栓(7)，所述螺栓(7)的外部配合有螺帽，所述螺栓(7)的一侧刚结第一搭钩(61)的一侧，所述第一搭钩(61)的另一侧连接主弹簧(2)的一侧，所述主弹簧(2)的另一侧刚结第二搭钩(62)的一侧，所述第二搭钩(62)的另一侧连接刚性杆(3)的一端，所述刚性杆(3)的另一端连接波纹管(4)的一端，所述波纹管(4)的另一端刚结第三搭钩(63)的一端，所述第三搭钩(63)的另一端连接副弹簧(5)的一端，所述副弹簧(5)的另一端连接第四搭钩(64)。
2.根据权利要求1所述的拉伸试验类比演示仪，其特征在于，所述屈服组件(8)包括凸面(8-1)、刚性底板(8-2)、屈服组件缓冲弹簧(8-3)、刚性面板(8-4)、屈服组件螺帽(8-5)和屈服组件螺杆(8-6)；
所述刚性底板(8-2)底面固结凸面(8-1)，所述刚性底板(8-2)的顶面连接两个并列的屈服组件缓冲弹簧(8-3)的底端，所述两个并列的屈服组件缓冲弹簧(8-3)的顶端连接刚性面板(8-4)，所述刚性面板(8-4)的中部设有圆孔，所述屈服组件螺杆(8-6)穿过圆孔内，所述屈服组件螺杆(8-6)上设置有屈服组件螺帽(8-5)，所述屈服组件螺帽(8-5)用于调整主框架上第一屈服组件(81)和第二屈服组件(82)间距，同时固定其位置。
3.根据权利要求1所述的拉伸试验类比演示仪，其特征在于，所述强化组件(9)包括倾斜表面(9-1)、强化组件缓冲弹簧(9-2)、刚性面板(9-3)、强化组件螺帽(9-4)和强化组件螺杆(9-5)；所述倾斜表面(9-1)的顶面连接两个并列的强化组件缓冲弹簧(9-2)的底面，所述刚性面板(9-3)的底面连接两个并列强化组件缓冲弹簧(9-2)的顶面，所述刚性面板(9-3)的中部设有圆孔，强化组件螺杆(9-5)穿过圆孔，所述强化组件螺杆(9-5)上有设有强化组件螺帽(9-4)；
所述强化组件螺帽(9-4)用于调整主框架(1)上第一强化组件(91)和第二强化组件(92)的间距，同时固定其位置。
4.根据权利要求1所述的拉伸试验类比演示仪，其特征在于，所述波纹管(4)包括外包皮(4-1)和内圈环(4-2)，所述外包皮(4-1)的表面为粗糙表面，所述外包皮(4-1)用于变形时与屈服组件(8)和强化组件(9)的表面产生摩擦；
所述内圈环(4-2)置于波纹管(4)的褶皱处并紧固，不与外包皮(4-1)产生相对位移，所述内圈环(4-2)的高度等于第一屈服组件(81)和第二屈服组件(82)之间的距离，且大于第一强化组件(91)和第二强化组件(92)间的最小间距。
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