CN114112681A - 一种压缩实验综合装置和实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明材料力学实验研究技术领域，尤其是涉及一种压缩实验综合装置和实验方法。其包括：固定底座、上夹板、下夹板、杆件试样及加载螺杆；所述下夹板在四个边缘分别设置一个安装位，所述下夹板的上表面呈中心对称图形；所述上夹板在四个边缘分别设置一个安装位，所述上夹板的下表面呈中心对称图形；所述上夹板的下表面纵向正投影与所述下夹板上表面重合；四个所述杆件试样分别安装于所述下夹板与上夹板之间的安装位；所述加载螺杆连接于所述上夹板与所述下夹板之间，用于在轴心方向、单向偏心方向、双向偏心方向施加轴向荷载。

Description

一种压缩实验综合装置和实验方法
技术领域
本发明材料力学实验研究技术领域，尤其是涉及一种压缩实验综合装置和实验方法。
背景技术
杆件轴向拉压、剪切、弯曲、扭转四种基本变形及其组合变形是材料力学研究的主要内容，实验应力应变分析是其中重要方法。在基础力学教学中，杆件拉伸、弯曲、扭转等实验应力应变分析装置较多，而杆件压缩类应力应变实验分析装置和实验方法则比较少。一套综合轴向压缩、单向偏压、双向偏压以及压杆稳定的综合实验装置将帮助学生理解压缩变形及组合变形、压杆稳定等相关理论知识，对提高学生的创新思维能力和综合素质有着重要意义。现有关于材料压缩试验装置和方法的技术主要是针对材料的力学性能测定试验，通过发明不同的压缩夹具和试验方法完成不同材料在不同环境及不同工况下的压缩力学性能测定。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压缩实验综合装置和实验方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种压缩实验综合装置，其包括：固定底座、上夹板、下夹板、杆件试样及加载螺杆；
所述下夹板设置于所述固定底座；所述下夹板在四个边缘分别设置一个安装位，所述下夹板的上表面呈中心对称图形；所述上夹板在四个边缘分别设置一个安装位，所述上夹板的下表面呈中心对称图形；所述上夹板的下表面纵向正投影与所述下夹板的上表面重合；四个所述杆件试样分别安装于所述下夹板与上夹板之间的安装位，安装完毕后使上夹板、下夹板、杆件试样三者形成一个对称构件；所述加载螺杆连接于所述上夹板与所述下夹板之间，用于在轴心方向、单向偏心方向、双向偏心方向施加轴向荷载。
优选地，所述下夹板为方形板；所述下夹板的上表面设置有四条滑道；所述滑道与其对应的下夹板的侧边平行；所述滑道的深度为所述下夹板厚度的三分之一；所述滑道的长度为所述下夹板侧边长的四分之三；所述滑道的一端从所述下夹板边缘开槽；所述滑道底部扩孔并设为半圆形；所述下夹板在其上表面的形心位置设置有螺孔；所述下夹板在其上表面的对称轴上设置有螺孔；所述下夹板在其上表面的非对称轴上设置有螺孔。
优选地，所述下夹板的四角通过螺栓固定在所述固定底座上。
优选地，所述上夹板为方形板；所述上夹板的下表面设置有四条滑道；所述滑道与其对应的上夹板的侧边平行；所述滑道的深度为所述上夹板厚度的三分之一；所述滑道的长度为所述上夹板侧边长的四分之三；所述滑道的一端从所述上夹板边缘开槽；所述滑道顶部扩孔并设为半圆形；所述上夹板在其上表面的形心位置设置有螺孔；所述上夹板在其上表面的对称轴上设置有螺孔；所述上夹板在其上表面的非对称轴上设置有螺孔。
优选地，所述加载螺杆包括：第一螺杆和第二螺杆；所述第一螺杆和第二螺杆上设置有可拆卸地手持摇柄，所述手持摇柄通过螺纹安装有把手；所述第一螺杆安装于所述上夹板的螺孔、下夹板的螺孔中；所述第二螺杆安装于所述上夹板的螺孔、下夹板的螺孔中；或者，所述第二螺杆安装于所述上夹板的螺孔、下夹板的螺孔中。
优选地，所述第一螺杆和第二螺杆均为一体式通长螺杆。
优选地，所述第一螺杆和第二螺杆均包括上螺杆、下螺杆和压力传感器；所述上螺杆与压力传感器的上螺纹孔连接；所述下螺杆与压力传感器的下螺纹孔连接。
优选地，所述杆件试样的宽度为所述下夹板或所述上夹板的平面边长的三分之一；所述杆件试样的高宽比为3:1或者所述杆件试样的高宽比为6：1。
优选地，在所述杆件试样的中部两侧面，沿杆件试样的宽度方向分别等间距布置三个测点，测点编号为a，b，c，a’，b’，c’；其中，测点b和测点b’位于杆件试样截面的对称轴位置；在测点a、测点c、测点a’、测点c’位置沿杆件试样纵轴方向布置单向应变片，在测点b、测点b’位置布置90度应变花且其中一个应变片方向沿着杆件试样的纵轴方向。
第二方面，本发明提供一种压缩实验方法，采用所述的压缩实验综合装置进行杆件的轴向压缩实验、单向偏压实验、双向偏压实验以及压杆稳定分析实验。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明可实现杆件在不同压缩条件下的加载，克服杆件压缩时的加载偏差，同时可实现比较相同杆件在轴向压缩、偏心压缩条件下应力应变分布特点和差异，观察两端铰接弹性直杆失稳并分析失稳时应力分布特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的轴心受压、压杆稳定组装的示意图；
图2为本发明实施例提供的单向偏心受压、双向偏心受压组装示意图；
图3为本发明实施例提供的上下夹板加载螺孔的定位图；
图4为本发明实施例提供的上下盖板滑槽开口位置图；
图5为本发明实施例提供的压缩杆件的侧面示意图；
图6为本发明实施例提供的压缩杆件的正面示意图；
图7为本发明实施例提供的压缩杆件的安装图；
图8为本发明实施例提供的加载螺杆的样式图；
图9为本发明实施例提供的杆件试样的侧视图；
图10为本发明实施例提供的杆件试样的正视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一
结合图1至图10所示，本实施例提供一种压缩实验综合装置，其包括：固定底座1、上夹板401、下夹板201、杆件试样及加载螺杆；下夹板201设置于固定底座1；下夹板201在四个边缘分别设置一个安装位，下夹板201的上表面呈中心对称图形；上夹板401在四个边缘分别设置一个安装位，上夹板401的下表面呈中心对称图形；上夹板401的下表面纵向正投影与下夹板201的上表面重合；四个杆件试样(杆件301、杆件302、杆件303、杆件304)分别安装于下夹板201与上夹板401之间的安装位，安装完毕后使上夹板、下夹板、杆件试样三者形成一个对称构件；加载螺杆连接于上夹板401与下夹板201之间，用于在轴心方向、单向偏心方向、双向偏心方向施加轴向荷载。本实施例可以实现杆件的轴向压缩和偏心压缩应力应变测量、弹性直杆压缩失稳分析，可以有效调整加载偏差，使实验加载符合实验方法要求。
优选地，下夹板201为方形板(当然，可根据需要设置为其他形状，例如圆形、正多边形等)；下夹板201的上表面设置有四条滑道202；滑道202与其对应的下夹板201的侧边平行；滑道202的深度为下夹板201厚度的三分之一，滑道202的长度为下夹板201侧边长的四分之三；滑道202的一端从下夹板201边缘开槽；滑道202底部扩孔并设为半圆形；下夹板201在其上表面的形心位置设置有螺孔204；下夹板201在其上表面的对称轴上设置有螺孔203；下夹板201在其上表面的非对称轴上设置有螺孔205。
优选地，下夹板201的四角通过螺栓固定在固定底座1上。
优选地，所述上夹板401为方形板，(当然，可根据需要设置为其他形状，例如圆形、正多边形等)；所述上夹板401的下表面设置有四条滑道402；所述滑道402与其对应的上夹板401的侧边平行；所述滑道402的深度为所述上夹板401厚度的三分之一；所述滑道402的长度为所述上夹板401侧边长的四分之三；所述滑道402的一端从所述上夹板401边缘开槽；所述滑道402顶部扩孔并设为半圆形；所述上夹板401在其上表面的形心位置设置有螺孔404；所述上夹板401在其上表面的对称轴上设置有螺孔403；所述上夹板401在其上表面的非对称轴上设置有螺孔405。
对应地，杆件301、杆件302、杆件303、杆件304的厚度小于上下夹板表面宽度；杆件301、杆件302、杆件303、杆件304的上下两端设置为半圆形端头；半圆形端头直径小于夹板滑道扩孔半圆直径，大于夹板表面宽度。
优选地，杆件试样的宽度为下夹板201或上夹板401的平面边长的三分之一；杆件试样的高宽比为3:1或者杆件试样的高宽比为6：1。
优选地，在杆件试样的中部两侧面，沿杆件试样的宽度方向分别等间距布置三个测点，测点编号为a，b，c，a’，b’，c’；其中，测点b和测点b’位于杆件试样截面的对称轴位置；在测点a、测点c、测点a’、测点c’位置沿杆件试样纵轴方向布置单向应变片，在测点b、测点b’位置布置90度应变花且其中一个应变片方向沿着杆件试样的纵轴方向。
优选地，加载螺杆包括：第一螺杆503和第二螺杆504，实现试样杆件位置固定及轴向压缩。第一螺杆503和第二螺杆504上设置有可拆卸地手持摇柄501，手持摇柄501通过螺纹安装有把手502。
第一螺杆503安装于上夹板401的螺孔404、下夹板201的螺孔204中；第一螺杆503的长度根据杆件试样长度分为两种，满足安装连接的长度要求，分别用于轴向受压和压感稳定实验。
第二螺杆504安装于上夹板401的螺孔403、下夹板201的螺孔203中；或者，第二螺杆504安装于上夹板401的螺孔405、下夹板201的螺孔205中，分别用于试样单向偏心加载或双向偏心加载。
优选地，第一螺杆503和第二螺杆504均为一体式通长螺杆。
优选地，第一螺杆503和第二螺杆504均包括上螺杆、下螺杆和压力传感器；上螺杆与压力传感器505的上螺纹孔连接；下螺杆与压力传感器505的下螺纹孔连接。
转动手持摇柄把手502，将使手持摇柄501与第一螺杆503或者第二螺杆504锁死，通过继续转动手持摇柄把手502，将使第一螺杆503或者第二螺杆504收紧，缩小上下夹板距离，实现对上下夹板的压缩，所加压力的大小可通过连接在第一螺杆503或者第二螺杆504螺纹上的压力传感器测读。
实施例二
本实施例二提供了一种压缩实验方法，其特征在于，采用实施例一所述的压缩实验综合装置进行杆件的轴向压缩实验、单向偏压实验、双向偏压实验以及压杆稳定分析实验。实施例一所公开的技术特征也适用于该实施例，实施例一已公开的技术特征不再重复描述。
1)、实验装置的组装
轴心受压实验和压杆稳定实验：将与轴心受压实验和压杆稳定实验配备的第一螺杆503下半段连接至下压板并连接压力传感器。再根据实验目的选取相应的1组4块杆件试样，4块杆件试样沿着上下压板滑道分别从侧面插入上下压板内，杆件试样的布置关于上下压板的对称轴对称。将第一螺杆503上半段通过上压板至压力传感器连接。在第一螺杆503安装上手持摇柄把手502，转动手持摇柄把手502，使上下压板压紧杆件试样。
偏心受压实验：将第一螺杆503下半段连接至下压板螺孔204位置并连接压力传感器，将第二螺杆504下半段连接至下压板螺孔203位置(单向偏压实验时)或螺孔205位置(双向偏压实验时)并连接压力传感器。再选取偏心受压实验用1组4块杆件试样，4块杆件试样沿着上下压板滑道分别从侧面插入上下压板内，并对称布置在上下压板的对称轴上。将第一螺杆503上半段通过上压板至压力传感器连接。在503螺杆安装上手持摇柄502，转动手持摇柄把手502，使上下压板压紧杆件试样。
2)实验装置初始状态设置
为了使上述组装后的实验装置为一对称构件，同时，实验过程中减少上下盖板对4块杆件试样的转动约束，使实验结果符合对称截面轴压理论分析和偏心受压组合变形理论分析，采用如下措施：杆件试样与上下压板设计为可转动的球铰连接，杆件试样关于上下压板对称轴对称布置，当上下压板由第一螺杆503定位连接后，杆件试样和上下压板形成的构件可视为受压的对称构件。
理论分析表明当通过第一螺杆503在压板形心位置施加竖向力时，整体构件将轴向受压，各侧板上应力应变均匀分布且相等。
但实际组装后各杆件试样安装初始状态的间隙及安装的偶然偏心会影响构件截面对称性，产生误差，使实验结果偏离轴压、偏心受压及压杆稳定理论分析。为减少该误差，本发明采用如下调整方法：在前述实验装置组装完毕，将每个杆件试件a，b，c，a’，b’，c’号应变片分别按半桥单臂接入应变仪，在第一螺杆503位置预加轴向荷载，根据测点应变大小差异对上压板进行前后左右微调，调整杆件试样的初始偏差，并最终使各测点应变大小差异控制在5个微应变内。这样，初始状态的偏心影响基本消除可以忽略。
各项实验均在实验装置初始状态调整完毕后进行。
3)轴心受压实验
加载：在实验装置初始状态调整完毕后，通过压力传感器读取第一螺杆503螺杆压力值P0。按实验方案确定实验加载范围(最大加载值Pmax)及每次载荷增量(△P)。继续转动安装在第一螺杆503螺杆摇柄501，按逐级等增量的方式加载。
应变测量：在实验装置初始状态调整完毕后，根据实验分析需要，选取四块压板的测点，使用电阻应变片电测技术，按半桥单臂或半桥双臂或全桥方法组桥并测度应变大小，相应应力由测量应变乘以压杆试样的弹性模量得到。
4)偏心受压实验
加载：在实验装置初始状态调整完毕后，保留第一螺杆503预紧初始状态，通过第一螺杆503压力传感器读取记录压力值P0。将第二螺杆504上半段通过上压板螺孔403(单向偏心受压时)或螺孔405(双向偏心受压时)至安装其上的压力传感器连接。将第一螺杆503上手持摇柄501卸下，安装在第二螺杆504上，转动手持摇柄501，通过第二螺杆504螺纹收紧，在偏心位置使上下压板压紧杆件试样。按实验方案确定实验加载范围(最大加载值Pmax)及每次载荷增量(△P)。继续转动手持摇柄501，按逐级等增量的方式加载。
应变测量：在实验装置初始状态调整完毕后，根据实验分析需要，选取四个杆件试样上的测点，使用电阻应变片电测技术，按半桥单臂或半桥双臂或全桥方法组桥并测定应变大小，相应应力由测量应变乘以压杆试样的弹性模量得到。
5)压杆稳定实验
加载：在实验装置初始状态调整完毕后，通过压力传感器读取第一螺杆503压力值P0。按实验方案确定实验加载范围(最大加载值Pmax)及每次载荷增量(△P)。继续转动安装在转动手持摇柄502，按逐级等增量的方式加载。
应变测量：在实验装置初始状态调整完毕后，选取四个压杆中的任一个作为压杆稳定实验分析对象，选取该压板的测点a，c，a’，c’，将a测点电阻应变片串联接入电桥1号桥臂，a’测点电阻应变片串联接入电桥2号桥臂，c测点电阻应变片串联接入电桥3号桥臂，c’测点电阻应变片串联接入电桥4号桥臂，按电阻应变片电测技术全桥方法测量应变大小。
失稳现象判定：压杆在失稳前为轴向压缩，a，c，a’，c’上应变均匀分布，所在测点应变相等，按上述应变测量方法测到的应变大小为0，但压杆侧向失稳时，杆件将发生侧向弯曲，此时压杆由直杆轴压下的平衡转换为压弯组合作用下的平衡，对称布置的a-a’，c-c’两组测点弯曲正应变大小互为相反数且四个测点的弯曲正应绝对值大小相等，按上述应变测量方法测到的应变大小为单个测点弯曲正应变绝对值的4倍。实验时观察记录应变测量值，随着整体构件轴向压力逐步增加，当在某连续加载后测量值出现非零读数且读数显著增大时，该压杆失稳。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种压缩实验综合装置，其特征在于，包括：固定底座(1)、上夹板(401)、下夹板(201)、杆件试样及加载螺杆；
所述下夹板(201)设置于所述固定底座(1)；所述下夹板(201)在四个边缘分别设置一个安装位，所述下夹板(201)的上表面呈中心对称图形；所述上夹板(401)在四个边缘分别设置一个安装位，所述上夹板(401)的下表面呈中心对称图形；所述上夹板(401)的下表面纵向正投影与所述下夹板(201)的上表面重合；四个所述杆件试样分别安装于所述下夹板(201)与上夹板(401)之间的安装位，安装完毕后使上夹板(401)、下夹板(201)、杆件试样三者形成一个对称构件；所述加载螺杆连接于所述上夹板(401)与所述下夹板(201)之间，用于在轴心方向、单向偏心方向、双向偏心方向施加轴向荷载。
2.根据权利要求1所述的压缩实验综合装置，其特征在于，
所述下夹板(201)为方形板；
所述下夹板(201)的上表面设置有四条滑道(202)；所述滑道(202)与其对应的下夹板(201)的侧边平行；所述滑道(202)的深度为所述下夹板(201)厚度的三分之一；所述滑道(202)的长度为所述下夹板(201)侧边长的四分之三；所述滑道(202)的一端从所述下夹板(201)边缘开槽；所述滑道(202)底部扩孔并设为半圆形；
所述下夹板(201)在其上表面的形心位置设置有螺孔(204)；所述下夹板(201)在其上表面的对称轴上设置有螺孔(203)；所述下夹板(201)在其上表面的非对称轴上设置有螺孔(205)。
3.根据权利要求2所述的压缩实验综合装置，其特征在于，所述下夹板(201)的四角通过螺栓固定在所述固定底座(1)上。
4.根据权利要求1所述的压缩实验综合装置，其特征在于，
所述上夹板(401)为方形板；
所述上夹板(401)的下表面设置有四条滑道(402)；所述滑道(402)与其对应的上夹板(401)的侧边平行；所述滑道(402)的深度为所述上夹板(401)厚度的三分之一；所述滑道(402)的长度为所述上夹板(401)侧边长的四分之三；所述滑道(402)的一端从所述上夹板(401)边缘开槽；所述滑道(402)顶部扩孔并设为半圆形；所述上夹板(401)在其上表面的形心位置设置有螺孔(404)；所述上夹板(401)在其上表面的对称轴上设置有螺孔(403)；所述上夹板(401)在其上表面的非对称轴上设置有螺孔(405)。
5.根据权利要求1所述的压缩实验综合装置，其特征在于，所述加载螺杆包括：第一螺杆(503)和第二螺杆(504)；
所述第一螺杆(503)和第二螺杆(504)上设置有可拆卸地手持摇柄(501)，所述手持摇柄(501)通过螺纹安装有把手(502)；所述第一螺杆(503)安装于所述上夹板(401)的螺孔(404)、下夹板(201)的螺孔(204)中；所述第二螺杆(504)安装于所述上夹板(401)的螺孔(403)、下夹板(201)的螺孔(203)中；或者，所述第二螺杆(504)安装于所述上夹板(401)的螺孔(405)、下夹板(201)的螺孔(205)中。
6.根据权利要求5所述的压缩实验综合装置，其特征在于，所述第一螺杆(503)和第二螺杆(504)均为一体式通长螺杆。
7.根据权利要求5所述的压缩实验综合装置，其特征在于，所述第一螺杆(503)和第二螺杆(504)均包括上螺杆、下螺杆和压力传感器；
所述上螺杆与压力传感器(505)的上螺纹孔连接；
所述下螺杆与压力传感器(505)的下螺纹孔连接。
8.根据权利要求1所述的压缩实验综合装置，其特征在于，所述杆件试样的宽度为所述下夹板(201)或所述上夹板(401)的平面边长的三分之一；所述杆件试样的高宽比为3:1或者所述杆件试样的高宽比为6：1。
9.根据权利要求1所述的压缩实验综合装置，其特征在于，
在所述杆件试样的中部两侧面，沿杆件试样的宽度方向分别等间距布置三个测点，测点编号为a，b，c，a’，b’，c’；其中，测点b和测点b’位于杆件试样截面的对称轴位置；在测点a、测点c、测点a’、测点c’位置沿杆件试样纵轴方向布置单向应变片，在测点b、测点b’位置布置90度应变花且其中一个应变片方向沿着杆件试样的纵轴方向。
10.一种压缩实验方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的压缩实验综合装置进行杆件的轴向压缩实验、单向偏压实验、双向偏压实验以及压杆稳定分析实验。
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