CN113380122B - 材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座、侧边立柱和顶部横板，所述杆件位于所述底座、侧边立柱和顶部横板组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板与所述杆件接触，所述力偶组件位于所述杆件和所述底座表面之间，所述约束组件包括铰链支座和固定端支座。本发明可以使得学生在课堂上可以直接动手模拟各种工况下的梁的弯曲变形，将梁弯曲变形的应力和应变等规律得到亲眼可见的可视化体现，有效强化学生对该知识点的理解效果，提高课堂的学习趣味性和生动性。

Description

材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统

技术领域

本发明属于教学用具领域，具体涉及一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统。

背景技术

当前，新工科背景下各个专业都在进行着课程改革和教学创新，通过课程改革力求使得学生的学习方式和学习效果得到不断改进。对于机械工程、材料工程和土木工程等很多工科专业而言，材料力学是其中非常重要的一门专业基础课，是后续多门专业课的基础。杆件是材料力学的研究对象，以弯曲变形为主要变形的杆件称为梁，弯曲是材料力学中四种基本变形中最重要的部分，也是工程中桥梁最主要的一种变形。梁的内力和应力是非常重要的概念和知识点，也是学习的难点所在。在现有的材料力学课程实际教学中，内力和应力的学习主要基于抽象的假想实验，或通过电脑软件图片分析或者动画演示来学习，而这样的学习方法不够直观，学生的学习效果有待进一步提升。同时对于实际工程中不同载荷、约束和梁的外形尺寸等复杂工况的实际条件对梁的抗弯强度和抗弯刚度的影响方面，现有的课堂教学通常大都通过理论推导计算弯矩和应力大小的方式来进行，同学们没有机会随堂进行相关影响因素对弯曲变形影响的直观对比，这些都不利用梁弯曲变形的理解。

因此，开发一种材料力学教学中基于工程复杂工况的弯曲梁变形的教具和实验系统，将有效提升学生对材料力学拉弯曲变形的理解，并利用各种因素的改变来深入学习对梁抗弯强度和抗弯刚度的实际措施，推动材料力学课程教学更加生动和深入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，基于梁的载荷、约束和梁的外形尺寸等复杂工况下的弯曲变形，利用杆件内部填充物质在弯曲应力作用下色彩深浅的分布变化，使得学生在课上可以直接动手，将弯曲变形的应力和应变等规律得到亲眼可见的直接可视化，有效强化学生对该知识点的理解效果，提高课堂的学习趣味性和生动性。

按照本发明提供的一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其采用的主要技术方案为：包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座、侧边立柱和顶部横板，所述杆件位于所述底座、侧边立柱和顶部横板组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板与所述杆件接触，所述力偶组件位于所述杆件和所述底座表面之间，所述约束组件包括铰链支座和固定端支座，所述铰链支座与所述底座接触，所述固定端支座与所述侧边立柱内表面固定。

所述杆件为中空结构的透明塑料直杆，通过控制杆件中空部分填充物质的密度可调节所述杆件的刚度。

所述杆件中空部分均匀充满单一颜色的凝胶球颗粒或均匀充满单一颜色的乳化液。

进一步的，作为替代方案，所述杆件中空部分充满与所述杆件外形一致的透明多孔软芯，所述多孔软芯中均匀吸附单一颜色的液体。

所述杆件由多个子杆件单元沿轴线方向组合而成，且各个子杆件单元的轴线重合。

所述子杆件单元的横截面形状相同或不同，所述子杆件单元的横截面尺寸相同或不同。

所述子杆件单元的一端表面设有内陷的安装孔槽，另一端表面设有外凸的安装卡头。

所述力组件包括集中力组件和分布力组件，所述力组件由施力头、传递杆和载荷端组成，所述载荷端采用砝码加载或力传感器加载，所述力组件的对称轴和所述杆件的对称轴均处于所述底座的法平面内，所述力组件可在所述顶部横板平行于所述杆件轴线的滑槽内移动。

所述杆件的侧面连接有力偶连接头，所述力偶组件包括方向轮、第一施力链条、第二施力链条和控制器，所述第一施力链条和第二施力链条分置于所述方向轮任一直径的两端，所述控制器连接并控制所述第一施力链条和第二施力链条实现方向轮的转动，所述方向轮与所述力偶连接头连接并向所述杆件传递力偶。

所述铰链支座的底部可在所述底座表面沿所述杆件轴线方向移动，所述铰链支座的顶部与所述杆件的下表面接触。

按照本发明提供的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的技术方案可以实现梁在不同受力条件下发生弯曲变形时，其内部不同位置处的实时变形情况，进而反映其真实的应力应变情况，利用填充单一色彩物质在弯曲变形下的变形和受力，利用其填充物质的色彩分布来直接显现杆件不同位置的拉应力和压应力作用及其应变规律。对于正弯矩作用下的一段梁来说，由于形心所在的中性轴上方承受压应力，下方承受拉应力，因此会出现中性轴以上部分中的单一颜色的凝胶球颗粒或均匀充满单一颜色的乳化液或软芯中吸附的单一颜色的液体，在压应力作用下被排挤向下部移动，而中性轴以下部分中受拉应力作用下对上方的液体进一步吸引，进而出现液体密度在不同位置的改变，最终反映出来的是不同位置颜色深浅分布的差异，从而直观地显现其变形和应力分布规律。

2、本发明的技术方案可以实现对梁自身和受力的多种组合，从而很好的满足对实际工程中梁的弯曲变形工况模拟，促进教学的丰富性和趣味性。代表梁的所述杆件由多个子杆件单元沿轴线方向组合而成，且各个子杆件单元的轴线重合，所述子杆件单元的横截面形状相同或不同，所述子杆件单元的横截面尺寸相同或不同，实现了变截面或变尺寸梁的模拟。而施力组件包括力组件和力偶组件，约束组件包括铰链支座和固定端支座，且施力组件和约束组件均可在杆件轴线平行方向自由移动，从而可以实现对梁的各类型受力和约束情况的模拟。

3、本发明的技术方案中提供的实验教具使得材料力学理论知识的学习更加直观，推动理论知识从大屏幕和书本走到学生的手中，利用教具实验的进行，使得枯燥的知识变得生动，有助于提高学生的学习兴趣和主动性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的子杆件单元的结构示意图。

图3是本发明的子杆件单元的端部横截面结构示意图。

图4是本发明的力偶组件的结构示意图。

图5是本发明的杆件内部填充结构示意图。

图6是本发明的杆件在正弯矩作用下的颜色深浅分布示意图。

具体实施方式

参见图1，按照本发明提供的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座1、侧边立柱11和顶部横板15，所述底座1、侧边立柱11和顶部横板15构成一个框架结构，所述杆件2位于所述底座1、侧边立柱11和顶部横板15组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板15与所述杆件2接触，所述力偶组件位于所述杆件2和所述底座1表面之间，所述约束组件包括铰链支座12和固定端支座13，所述铰链支座12与所述底座1接触，同时所述铰链支座12的上端与杆件2的下表面接触，所述固定端支座13与所述侧边立柱11内表面固定，通过调整所述杆件的左右位置可将其伸入到所述固定端支座内孔后加以固定。所述杆件通过左右移动可实现一端或两端为固定端约束的情况，所述侧边立柱的位置可以通过左右水平移动来配合杆件端部与固定端支座之间的连接和固定。所有的部件在按照需要模拟的受力情况确定好位置后，进行必要的位置限定，如侧边立柱在位置确定好后要进行卡位固定，确保固定端支座固定不动，从而确保模拟实验的正常进行。

所述杆件2为中空结构的透明塑料直杆，通过控制所述杆件2中空部分填充物质的密度可调节所述杆件2的刚度。采用压力注入装置实现中空细管内部液体的填充和密度的改变。塑料管的硬度和厚度可根据填充物质的密度和中空细管需要的刚度和硬度进行调整，进而同时实现对塑性材料和脆性材料的模拟。

所述杆件2中空部分均匀充满单一颜色的凝胶球颗粒或均匀充满单一颜色的乳化液。所述凝胶球颗粒粒度较小，在外力作用下可以流动，所述乳化液在无外力作用下均匀充满杆体内部。根据实际需要，可对所述凝胶球颗粒或乳化液的材质和粘度进行调整。

参见图5，进一步的，作为替代方案，所述杆件2中空部分充满与所述杆件2外形一致的透明多孔软芯23，所述多孔软芯23中均匀吸附单一颜色的液体24。所述的多孔软芯23也可采用半透明或浅色多孔海绵，所述的多孔软芯23也可采用多孔的弹性有机材料，所述单一颜色的液体可采用具有一定粘度的水性液体或油性液体。所述液体的粘度大小可根据所述多孔软芯的材质和孔隙度进行调整。

上述填充物质均采用单一颜色，利用不同密度条件下色彩深浅的变化来反应其变形和受力的情况。

参见图2，所述杆件2由多个子杆件单元22沿轴线方向组合而成，且各个子杆件单元22的轴线重合，从而在组合后获得同一轴线的杆件。

所述子杆件单元22的横截面形状相同或不同，所述子杆件单元22的横截面尺寸相同或不同。

所述子杆件单元22的一端表面设有内陷的安装孔槽220，另一端表面设有外凸的安装卡头221。参见图3，实施例的子杆件单元22采用矩形横截面时，其端面均匀分布的安装卡头221。横截面还可以采用圆形、圆环形、正方形、矩形框、工字型和T字型等。

参见图1，所述力组件包括集中力组件和分布力组件，所述力组件由施力头143、传递杆141和载荷端142组成，所述载荷端142采用砝码加载或力传感器加载，所述力组件的对称轴和所述杆件2的对称轴均处于所述底座1的法平面内，所述力组件可在所述顶部横板15平行于所述杆件2轴线的滑槽内移动。所述分布力组件可通过对多个力组件进行紧密组合实现，或者利用施力头与杆件之间接触面的面积大小调整来实现。进一步的，所述载荷端可采用外置机械自动调节装置实现载荷的灵活、准确和实时调整。

参见图1和图4，所述杆件2的侧面连接有力偶连接头21，所述力偶组件包括方向轮213、第一施力链条211、第二施力链条212和控制器210，所述第一施力链条211和第二施力链条212分置于所述方向轮213任一直径的两端，所述控制器210连接并控制所述第一施力链条211和第二施力链条212实现方向轮213的转动，所述方向轮213与所述力偶连接头21连接并向所述杆件2传递力偶。所述控制器210置于所述底座1表面上方，所述控制器210通过其设置的动力结构和机械装置来实现所述第一施力链条211和第二施力链条212在竖直平面内垂直于直径方向的移动，且所述第一施力链条211和第二施力链条212施加给方向轮213总是构成一对力偶。所述力偶组件可以根据需要在所述杆件的多个位置安装，为了保证力偶作用效果，还可以在所述力偶连接头连接位置处采用卡箍等辅助结构设计。

所述铰链支座12的底部可在所述底座1表面沿所述杆件2轴线方向移动，所述铰链支座12的顶部与所述杆件2的下表面接触。待位置确定后，所述铰链支座12的底部与所述底座1表面之间根据需要设置可调整卡位装置进行固定。该设计使得梁的约束位置、数量和类型都可以改变，从而可以实现包括简支梁、外伸梁和悬臂梁在内的各类型梁的弯曲变形模拟。

参见图6，杆件2在正弯矩作用下的颜色深浅分布呈现上部浅、下部深的直观现象，这很好地反映了杆件上表面受压应力作用下填充物质被排挤到下部，而下表面受拉应力作用下填充物质被吸引到下部，从而直观显现了杆件的应力分布情况，即颜色最浅的地方压应力最大，颜色最深的地方拉应力最大。不同段受力和变形不一样情况下，会出现不同的颜色深浅分布情况，在胡克定律条件下，应力的规律进一步对其应变情况进行了相应的提示，可以很好地帮助学生直接观察和分析梁的弯曲变形规律。

本发明的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，通过子杆件单元的组合、约束组件和施力组件的设计，很好地实现对梁自身和受力的多种组合，满足对实际工程中梁的弯曲变形工况模拟，特别适合材料力学教学过程中学生亲自动手进行各种个性化设计，分析对应条件下梁的弯曲变形规律。特别是对于学生理解难度较大的变截面梁，分段进行弯矩分析，以及对固定端约束作用下的弯曲变形等条件进行现场模拟，有助于在动手设计的同时实现知识点的深入理解。学生利用本发明的施力组件位置和约束组件的调整，可以探讨和学习利用约束和载荷的合理调整降低梁横截面的最大弯矩，提高其抗弯刚度和抗弯强度；同时利用不同横截面外形和尺寸的组合，可以模拟不同横截面下对应不同的抗弯截面系数，进而通过直接观察来深刻理解空心横截面和工字型横截面在梁弯曲变形中的应用价值。因此，本发明的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，是一种课堂教学的有力辅助工具，将有效促进教师教学的讲授效果，提升学生对材料力学弯曲变形知识点的学习效果。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座、侧边立柱和顶部横板，所述杆件位于所述底座、侧边立柱和顶部横板组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板与所述杆件接触，所述力偶组件位于所述杆件和所述底座表面之间，所述约束组件包括铰链支座和固定端支座，所述铰链支座与所述底座接触，所述固定端支座与所述侧边立柱内表面固定；所述杆件为中空结构的透明塑料直杆，通过控制杆件中空部分填充物质的密度可调节所述杆件的刚度。

2.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述杆件中空部分均匀充满单一颜色的凝胶球颗粒或均匀充满单一颜色的乳化液。

3.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述杆件中空部分充满与所述杆件外形一致的透明多孔软芯，所述多孔软芯中均匀吸附单一颜色的液体。

4.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述杆件由多个子杆件单元沿轴线方向组合而成，且各个子杆件单元的轴线重合。

5.根据权利要求4所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述子杆件单元的横截面形状相同或不同，所述子杆件单元的横截面尺寸相同或不同。

6.根据权利要求4所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述子杆件单元的一端表面设有内陷的安装孔槽，另一端表面设有外凸的安装卡头。

7.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述力组件包括集中力组件和分布力组件，所述力组件由施力头、传递杆和载荷端组成，所述载荷端采用砝码加载或力传感器加载，所述力组件的对称轴和所述杆件的对称轴均处于所述底座的法平面内。

8.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述杆件的侧面连接有力偶连接头，所述力偶组件包括方向轮、第一施力链条、第二施力链条和控制器，所述第一施力链条和第二施力链条分置于所述方向轮任一直径的两端，所述控制器连接并控制所述第一施力链条和第二施力链条实现方向轮的转动，所述方向轮与所述力偶连接头连接并向所述杆件传递力偶。

9.根据权利要求1所述的材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其特征在于，所述铰链支座的底部可在所述底座表面沿所述杆件轴线方向移动，所述铰链支座的顶部与所述杆件的下表面接触。

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