CN111537212A - 一种便携式几何组成分析演示实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种便携式几何组成分析演示实验装置,包括基础框架、几何常变体系模型、几何瞬变体系模型、静定三铰刚架结构模型、超静定刚架结构模型、加载设备、测量设备和采集设备;按照本发明制造的便携式几何组成分析演示实验装置集方便和科学于一身,既能进行真实实验,又能即时将实验结果进行处理,节省时间,十分适宜在时间有限的课堂上进行演示;同时,该实验操作简单,便于新手学习,十分适合学生动手操作。
Description
技术领域
本发明属于土木工程专业结构力学的教学实践领域,涉及几何常变体系、几何瞬变体系、静定三铰刚架结构和超静定刚架结构的演示实验装置,可进行结构力学中几何组成分析部分的课堂演示实验。
背景技术
结构力学是高等院校土木工程专业必修学科,主要以梁、拱、桁架、刚架等杆件结构为主要研究对象,根据力学原理研究外力和其他外界因素作用下结构的内力和变形,结构的强度、刚度、稳定性和动力反应,以及结构的组成规律和受力性能。
目前高等院校结构力学的教学方法主要是理论教学,缺少对相关力学原理的实验验证,导致部分同学对相关理论理解不够深入,甚至对相关理论产生质疑。因此,在结构力学教学中引入实验环节是其教学发展的必然趋势。
在结构力学教学的几何组成分析部分,经常以几何常变体系、几何瞬变体系、静定结构和超静定结构为研究对象,但目前现有的演示实验装置,大多十分笨重,自重和摩擦较大,并不适应课堂快速演示的需求,所以发明一种精细、小巧、方便携带的几何组成分析演示实验装置以研究结构力学中几何组成分析的相关理论,尤为重要。
发明内容
为改变目前结构力学课堂教学中缺乏几何组成分析实验演示环节的现状,发明一种便携式几何组成分析演示实验装置,该装置结构精细小巧、方便携带、可重复利用、测量结果准确、可模拟至计算机并进行自动化数据处理,能够快速实现结构力学几何组成分析教学内容的课堂演示。通过实验,使学生们更加准确理解结构力学几何组成分析的相关理论。
本发明的技术方案:
一种便携式几何组成分析演示实验装置,包括基础框架1、几何常变体系模型、几何瞬变体系模型、静定三铰刚架结构模型、超静定刚架结构模型、加载设备、测量设备和采集设备;
所述的基础框架1依靠其自重保证整个装置的稳定;支撑板2共两块,分别固定于基础框架1侧面横梁和顶面横梁上,能够根据需要调整位置;激光位移计9固定于支撑板2上,用以发射和接受激光,进行测距。
所述的加载设备包括滑轮7、砝码8、丝杠10和细绳12;
所述的测量设备包括激光位移计9和应变片14;
所述的采集设备包括多模结构参量遥测系统终端和应变仪,用以采集体系的位移和内力;
所述的几何常变体系模型包括反光片3、滑轮7、砝码8、细绳12、五根试验杆件6、三个铰结点4、三个铰支座5和五对应变片14;五根试验杆件6通过三个铰结点4连接成双门型框架,其中相邻的试验杆件6能绕与其连接的铰结点4在既定平面内自由转动;三根一端自由的试验杆件6与三个铰支座5相连,并能绕铰支座5在既定平面内自由转动;反光片3固定于中间的铰结点4上,用以反射激光位移计9发射的激光,测量铰结点4位移;滑轮7固定于基础框架1侧面横梁上,能根据需要调整其在横梁上的位置;砝码8通过细绳12在一端的铰结点4上进行加载,与滑轮7配合加载;五对应变片14分别位于五根试验杆件6上,每根试验杆件各一对,用以测量模型内力;
所述的几何瞬变体系模型包括滑轮7、丝杠10、细绳12、六对应变片14、四根试验杆件6、三个铰结点4和两个固定支座11;四根试验杆件6通过三个铰结点4连接成单门型框架,其中相邻的试验杆件6能绕与其连接的铰结点4在既定平面内自由转动;两根一端自由的试验杆件6与两个固定支座11相连,限制试验杆件6的左右移动和转动;滑轮7固定于基础框架1的顶面横梁上,并能根据需要调整其在横梁上的位置;丝杠10通过细绳12在中间的铰结点4上进行加载,使中间的铰结点4可以向上移动;六对应变片14分别位于四根试验杆件6上,其中两根横向的试验杆件6各一对,两根竖向的试验杆件6各两对,用以测量几何瞬变体系模型的内力;
所述的静定三铰刚架模型包括砝码8、细绳12、四根试验杆件6、一个铰结点4、两个刚结点13、两个铰支座5和四对应变片14;所述的四根试验杆件6、一个位于中间的铰结点4和两个位于两端的刚结点13连接成单门型框架,横向的两根试验杆件6能绕中间的铰结点4在既定平面内自由转动,两根一端自由的试验杆件6与两个铰支座5相连,限制试验杆件6的左右移动;砝码8通过细绳12在铰结点4上进行加载;四对应变片14分别位于四根试验杆件6上,每根试验杆件6各一对,用以测量静定三铰刚架模型的内力;
所述的超静定刚架结构模型包括砝码8、细绳12、四根试验杆件6、三个刚结点13和八对应变片14;四根试验杆件6通过三个刚结点13连接成单门型框架;两根一端自由的试验杆件6与两个固定支座11相连,限制试验杆件6的左右移动和转动;砝码8通过细绳12在中间的刚结点13上进行加载;八对应变片14分别位于四根试验杆件6上,每根试验杆件6各两对,用以测量超静定刚架结构模型的内力。
本发明的有益效果:按照本发明制造的便携式几何组成分析演示实验装置集方便和科学于一身,既能进行真实实验,又能即时将实验结果进行处理,节省时间,十分适宜在时间有限的课堂上进行演示;同时,该实验操作简单,便于新手学习,十分适合学生动手操作。
附图说明
图1是本发明中几何常变体系演示实验装置的主视图;
图2是本发明中几何瞬变体系演示实验装置的主视图;
图3是本发明中静定三铰刚架结构演示实验装置的主视图;
图4是本发明中超静定刚架结构演示实验装置的主视图;
图5是本发明中几何常变体系演示实验装置的侧视图;
图6是本发明中几何瞬变体系演示实验装置的侧视图;
图7是本发明中静定三铰刚架结构演示实验装置的侧视图;
图8是本发明中超静定刚架结构演示实验装置的侧视图;
图9是本发明中几何常变体系演示实验装置的俯视图;
图10是本发明中几何瞬变体系演示实验装置的俯视图;
图11是本发明中静定三铰刚架结构演示实验装置的俯视图;
图12是本发明中超静定刚架结构演示实验装置的俯视图;
图中:1基础框架,2支撑板,3反光片,4铰结点,5铰支座,6试验杆件,7滑轮,8砝码,9激光位移计,10丝杠,11固定支座,12细绳,13刚结点,14应变片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明:
本发明:一种便携式几何组成分析演示实验装置,由基础框架、几何常变体系模型、几何瞬变体系模型、静定三铰刚架结构模型和超静定刚架结构模型、加载设备、测量设备、采集设备和模拟程序组成。
设备的具体安装方式如下:
图1-4是本发明便携式几何组成分析演示实验装置正立面图;图5-8是本发明便携式几何组成分析演示实验装置侧视图;图9-12是本发明便携式几何组成分析演示实验装置俯视图。
如图1、图2和图3所示,立方体基础框架1放置于地面或桌面上,依靠其自重保证整个装置的稳定;两块支撑板2通过螺栓和螺母分别固定于基础框架1左侧面横梁和顶面长边上,并可根据需要调整其位置;两个激光位移计9通过螺栓和螺母分别固定于两块支撑板2上,用以发射和接受激光,进行测距。
拼装几何常变体系模型时,五根试验杆件6通过三个铰结点4连接成一个整体,其中相邻的试验杆件6可绕连接的铰结点4在既定平面内自由转动;三根一端自由的试验杆件6通过螺栓和螺母与三个铰支座5相连,并可绕铰支座5在既定平面内自由转动;反光片3通过螺栓和螺母固定于模型中间的铰结点4上,用以反射激光位移计发射的激光,测量结点位移;滑轮7通过螺栓和螺母固定于基础框架1有侧面长边上,并可根据需要调整其位置;砝码8通过细绳12在右侧铰结点4上进行加载;五对应变片14分别位于五根试验杆件6上,每根杆件各一对,用以测量模型内力。
拼装几何瞬变体系模型时,四根试验杆件6通过三个铰结点4连接成一个整体,其中相邻的试验杆件6可绕连接的铰结点4在既定平面内自由转动;两根一端自由的试验杆件6通过螺栓和螺母与两个固定支座11相连,限制杆件的左右移动和转动;滑轮7通过螺栓和螺母固定于基础框架1顶面长边上,并可根据需要调整其位置;丝杠10通过细绳12在中间铰结点4上进行加载;六对应变片14分别位于四根试验杆件6上,其中两根横杆各一对,两根竖杆各两对,用以测量模型内力。
拼装静定三铰刚架模型时,四根试验杆件6通过中间一个铰结点4和两端两个刚结点13连接成一个整体,其中左右两侧杆件可绕中间的铰结点4在既定平面内自由转动;两根一端自由的试验杆件6通过螺栓和螺母与两个铰支座5相连,限制杆件的左右移动;砝码8通过细绳12在中间铰结点4上进行加载;四对应变片14分别位于四根试验杆件6上,每根杆件各一对,用以测量模型内力。
拼装超静定刚架结构模型时,四根试验杆件6通过三个刚结点13连接成一个整体;两根一端自由的试验杆件6通过螺栓和螺母与两个固定支座11相连,限制杆件的左右移动和转动;砝码8通过细绳12在中间刚结点13上进行加载;八对应变片14分别位于四根试验杆件6上,每根杆件各两对,用以测量模型内力。
采集设备为多模结构参量遥测系统终端和应变仪,用以采集结构的位移和内力;模拟程序为针对特定体系编写的特定程序,用于将实体模型数据模拟至计算机中并进行自动化的数据处理,直接得到体系的位移和内力图。
实验一几何常变体系模型演示实验步骤:
第一步,按照上述方式安装该几何常变体系模型演示实验装置,接通测量设备和采集设备电源。
第二步,在细绳12上悬挂一个砝码8进行预加载,并对多模结构参量遥测系统终端和应变仪进行平衡清零。
第三步,分五级进行加载,每级悬挂一个砝码8,两级加载至少间隔5秒,保证各测量设备数据稳定,采集位移和内力数据。
第四步,对采集的数据进行后处理。
第五步,将砝码8取下进行卸载,将模型恢复至加载前的状态。
实验二几何瞬变体系模型演示实验步骤:
第一步,按照上述方式安装该几何瞬变体系模型演示实验装置,接通测量设备和采集设备电源。
第二步,顺指针转动丝杠10一周进行预加载,并对多模结构参量遥测系统终端和应变仪进行平衡清零。
第三步,分五级进行加载,每级顺时针旋转丝杠10一周,两级加载至少间隔5秒,保证各测量设备数据稳定,采集位移和内力数据。
第四步,对采集的数据进行后处理。
第五步,逆时针旋转丝杠10进行卸载,将模型恢复至加载前的状态。
实验三静定三铰刚架模型演示实验步骤:
第一步,按照上述方式安装该静定三铰刚架模型演示实验装置,接通测量设备和采集设备电源。
第二步,在细绳12上悬挂一个砝码8进行预加载,并对多模结构参量遥测系统终端和应变仪进行平衡清零。
第三步,分五级进行加载,每级悬挂一个砝码8,两级加载至少间隔5秒,保证各测量设备数据稳定,采集位移和内力数据。
第四步,对采集的数据进行后处理。
第五步,将砝码8取下进行卸载,将模型恢复至加载前的状态。
实验四超静定刚架结构模型演示实验步骤:
第一步,按照上述方式安装该超静定刚架结构模型演示实验装置,接通测量设备和采集设备电源。
第二步,在细绳12上悬挂一个砝码8进行预加载,并对多模结构参量遥测系统终端和应变仪进行平衡清零。
第三步,分五级进行加载,每级悬挂一个砝码8,两级加载至少间隔5秒,保证各测量设备数据稳定,采集位移和内力数据。
第四步,对采集的数据进行后处理。
第五步,将砝码8取下进行卸载,将模型恢复至加载前的状态。
Claims (1)
1.一种便携式几何组成分析演示实验装置,其特征在于,包括基础框架(1)、几何常变体系模型、几何瞬变体系模型、静定三铰刚架结构模型、超静定刚架结构模型、加载设备、测量设备和采集设备;
所述的基础框架(1)依靠其自重保证整个装置的稳定;支撑板(2)共两块,分别固定于基础框架(1)侧面横梁和顶面横梁上,能够根据需要调整位置;激光位移计(9)固定于支撑板(2)上,用以发射和接受激光,进行测距;
所述的加载设备包括滑轮(7)、砝码(8)、丝杠(10)和细绳(12);
所述的测量设备包括激光位移计(9)和应变片(14);
所述的采集设备包括多模结构参量遥测系统终端和应变仪,用以采集体系的位移和内力;
所述的几何常变体系模型包括反光片(3)、滑轮(7)、砝码(8)、细绳(12)、五根试验杆件(6)、三个铰结点(4)、三个铰支座(5)和五对应变片(14);五根试验杆件(6)通过三个铰结点(4)连接成双门型框架,其中相邻的试验杆件(6)能绕与其连接的铰结点(4)在既定平面内自由转动;三根一端自由的试验杆件(6)与三个铰支座(5)相连,并能绕铰支座(5)在既定平面内自由转动;反光片(3)固定于中间的铰结点(4)上,用以反射激光位移计(9)发射的激光,测量铰结点(4)位移;滑轮(7)固定于基础框架(1)侧面横梁上,能根据需要调整其在横梁上的位置;砝码(8)通过细绳(12)在一端的铰结点(4)上进行加载,与滑轮(7)配合加载;五对应变片(14)分别位于五根试验杆件(6)上,每根试验杆件各一对,用以测量模型内力;
所述的几何瞬变体系模型包括滑轮(7)、丝杠(10)、细绳(12)、六对应变片(14)、四根试验杆件(6)、三个铰结点(4)和两个固定支座(11);四根试验杆件(6)通过三个铰结点(4)连接成单门型框架,其中相邻的试验杆件(6)能绕与其连接的铰结点(4)在既定平面内自由转动;两根一端自由的试验杆件(6)与两个固定支座(11)相连,限制试验杆件(6)的左右移动和转动;滑轮(7)固定于基础框架(1)的顶面横梁上,并能根据需要调整其在横梁上的位置;丝杠(10)通过细绳(12)在中间的铰结点(4)上进行加载,使中间的铰结点(4)可以向上移动;六对应变片(14)分别位于四根试验杆件(6)上,其中两根横向的试验杆件(6)各一对,两根竖向的试验杆件(6)各两对,用以测量几何瞬变体系模型的内力;
所述的静定三铰刚架模型包括砝码(8)、细绳(12)、四根试验杆件(6)、一个铰结点(4)、两个刚结点(13)、两个铰支座(5)和四对应变片(14);所述的四根试验杆件(6)、一个位于中间的铰结点(4)和两个位于两端的刚结点(13)连接成单门型框架,横向的两根试验杆件(6)能绕中间的铰结点(4)在既定平面内自由转动,两根一端自由的试验杆件(6)与两个铰支座(5)相连,限制试验杆件(6)的左右移动;砝码(8)通过细绳(12)在铰结点(4)上进行加载;四对应变片(14)分别位于四根试验杆件(6)上,每根试验杆件(6)各一对,用以测量静定三铰刚架模型的内力;
所述的超静定刚架结构模型包括砝码(8)、细绳(12)、四根试验杆件(6)、三个刚结点(13)和八对应变片(14);四根试验杆件(6)通过三个刚结点(13)连接成单门型框架;两根一端自由的试验杆件(6)与两个固定支座(11)相连,限制试验杆件(6)的左右移动和转动;砝码(8)通过细绳(12)在中间的刚结点(13)上进行加载;八对应变片(14)分别位于四根试验杆件(6)上,每根试验杆件(6)各两对,用以测量超静定刚架结构模型的内力。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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