CN114882770A - 一种结构力学教具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构力学教具，包括底板；轻质垫板平行布置在底板上方，且通过多根竖向布置的弹簧与底板连接；质量块的数量为一块或多块，且可拆卸连接在轻质垫板的顶面。本发明提供的装置将单层框架结构简化而成，主要由单层框架结构上部荷载简化于一质点的质量块与轻质垫板连接，其中轻质垫板为楼板简化而成，起到将上部荷载传递给下部柱子的作用。本发明以课堂教学为背景，用于向学生演示结构自振周期的测量方法并和理论计算结果进行对比，提高教学的生动性，在教学中可以提前组装好，也可以将零部件带到课堂中指导学生现场组装培养学生们的动手操作能力，该装置便于拆卸和携带且操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及力学领域教育教学中的一种教具，更具体的说是涉及一种结构力学教具。
背景技术
结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科，它是土木工程专业和机械类专业学生必修的学科。
结构力学研究的内容包括结构的组成规则，结构在各种效应(外力、温度效应、施工误差及支座变形等)作用下的响应，包括内力(轴力、剪力、弯矩、扭矩)的计算，位移(线位移、角位移)计算，以及结构在动力荷载作用下的动力响应(自振周期、振型)的计算等。结构力学对于大多数学生来说较为深奥难懂，但目前针对于结构力学方面的教具又相对较少，老师上课时基本上全凭教材，难以进行生动形象的教学，这使得学生们对于那些晦涩难懂的知识的掌握程度很难达到要求。
为了提高课堂的生动性，加深学生们对结构力学相关知识的直观认识和理解。因此，急需一种能直观反应框架结构在受到外力作用下的形变以及如何求得框架结构的自振周期、如何让学生更直观更真切地理解什么是结构的抗侧刚度以及抗侧刚度与结构自振周期之间关系的一种教学用具。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种结构力学教具，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种结构力学教具，包括：
底板；
轻质垫板；所述轻质垫板平行布置在所述底板上方，且通过多根竖向布置的弹簧与所述底板连接；
质量块；所述质量块的数量为一块或多块，且可拆卸连接在所述轻质垫板的顶面。
通过上述技术方案，本发明提供的装置将单层框架结构简化而成，主要由单层框架结构上部荷载简化于一质点的质量块与轻质垫板连接，其中轻质垫板为楼板简化而成，起到将上部荷载传递给下部柱子的作用，本发明以课堂教学为背景，用于向学生演示结构自振周期的测量方法并和理论计算结果进行对比，提高教学的生动性，在教学中可以提前组装好，也可以将零部件带到课堂中指导学生现场组装培养学生们的动手操作能力，该装置便于拆卸和携带且操作简单。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述弹簧两端分别与所述底板和所述轻质垫板可拆卸连接。可拆卸连接方式使其使用效果更好，操作更方便。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述底板和所述轻质垫板与所述弹簧的对应处均开设有预留连接孔，所述弹簧端头通过U型卡和螺母与所述预留连接孔固定；所述U型卡卡住所述弹簧并穿过预留连接孔，所述U型卡的两个端头有螺纹，通过所述螺母紧固在所述轻质垫板上。U型卡或螺母质量忽略不计，尺寸可根据预留连接孔的大小而定，材质可由实际情况而定。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述底板和所述轻质垫板均为金属材质或塑料材质或木材，所述质量块为金属材料制成的板材。能够满足实验的材料选择需求。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述底板和所述轻质垫板均为矩形板或圆板，所述弹簧的数量至少为四个，且对称布置在所述轻质垫板的底面四侧。弹簧为实际框架结构中的四角受力柱简化而成，弹簧的大小和性能可根据实际情况自行选定。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述轻质垫板的一侧边沿中部具有操作预留孔，用于连接测力计，所述测力计为弹簧秤，或为与所述弹簧秤等力的测量仪器。此孔可方便用弹簧秤对其施加水平作用力。其具体方法为将弹簧秤前端勾于此孔中，然后根据所需施加力的大小拉动弹簧秤到相应位置，最后将弹簧秤前端从此孔中拔出。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述轻质垫板中部具有连接孔，长螺栓穿过所述连接孔和所述质量块，并通过螺母将所述质量块紧固在所述轻质垫板上。通过螺栓螺母的配合方式能够实现快速的可拆卸连接方式。
优选的，在上述一种结构力学教具中，当所述质量块的数量多个时，多个所述质量块罗叠放置。质量块可以是一个、两个、三个……，质量块的材质和形状均可根据实际情况更换，其质量可忽略不计，其大小和材质也可根据实际需求更换。
优选的，在上述一种结构力学教具中，所述长螺栓的长度大于所述质量块的总高度。能够满足连接需求。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种结构力学教具，具有以下有益效果：
1、本发明提供的装置将单层框架结构简化而成，主要由单层框架结构上部荷载简化于一质点的质量块与轻质垫板连接，其中轻质垫板为楼板简化而成，起到将上部荷载传递给下部柱子的作用。
2、本发明以课堂教学为背景，用于向学生演示结构自振周期的测量方法并和理论计算结果进行对比，提高教学的生动性，在教学中可以提前组装好，也可以将零部件带到课堂中指导学生现场组装培养学生们的动手操作能力，该装置便于拆卸和携带且操作简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种结构力学教具的结构正视图；
图2附图为本发明提供的一种结构力学教具的结构侧视图；
图3附图为本发明提供的一种结构力学教具的结构俯视图；
图4附图为本发明提供的一种结构力学教具的图1中A-A剖面图。
其中：
1-质量块；2-轻质垫板；3-弹簧；4-操作预留孔；5-底板；6-长螺栓；7-螺母；8-U型卡；9预留连接孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
参见附图1至附图4，本发明实施例公开了一种结构力学教具，包括：
底板5；
轻质垫板2；轻质垫板2平行布置在底板5上方，且通过多根竖向布置的弹簧3与底板5连接；
质量块1；质量块1的数量为一块或多块，且可拆卸连接在轻质垫板2的顶面。
为了进一步优化上述技术方案，弹簧3两端分别与底板5和轻质垫板2可拆卸连接。
在一种具体的实施方式中，底板5和轻质垫板2与弹簧3的对应处均开设有预留连接孔9，弹簧3端头通过U型卡8和螺母与预留连接孔9固定；U型卡8卡住弹簧3并穿过预留连接孔9，U型卡8的两个端头有螺纹，通过螺母紧固在轻质垫板2上。
为了进一步优化上述技术方案，底板5和轻质垫板2均为金属材质或塑料材质或木材，质量块1为金属材料制成的板材。
为了进一步优化上述技术方案，底板5和轻质垫板2均为矩形板或圆板，弹簧3的数量至少为四个，且对称布置在轻质垫板2的底面四侧。
为了进一步优化上述技术方案，轻质垫板2的一侧边沿中部具有操作预留孔4，用于连接测力计。
为了进一步优化上述技术方案，测力计为弹簧秤，或为与弹簧秤等力的测量仪器。
为了进一步优化上述技术方案，轻质垫板2中部具有连接孔，长螺栓6穿过连接孔和质量块1，并通过螺母7将质量块1紧固在轻质垫板2上。
为了进一步优化上述技术方案，当质量块1的数量多个时，多个质量块1罗叠放置。
为了进一步优化上述技术方案，长螺栓6的长度大于质量块1的总高度。
本发明的试验过程为：
首先称出每块质量块1的质量，此过程应在将质量1固定在轻质垫板2上之前完成，然后先放一块质量块1进行试验。用弹簧秤通过轻质垫板2处的预留连接孔4对其施加外力使其发生振动，接下来记录该教具的振动次数和所需时间，最后计算出其在外力作用下的振动周期。第一次实验完成后可增加一块质量块，重复上述试验。
具体操作步骤及与理论公式之间关系如下：
首先通过弹簧秤对教具施加水平作用力，测量出在水平力的作用下轻质垫板2的位移，计算出该教具(简化的单层框架结构)的抗侧刚度(此过程可以帮助学生理解单层框架结构的抗侧刚度的定义)。
接下来将弹簧秤的前端拔出使教具自由振动，此过程中要及时的记录该教具的振动次数和时间，计算出该教具在水平外力作用下的振动周期(此过程有助于帮助学生们理解在水平外力作用下框架结构的变形形式和振动周期)。其中进行两次试验且增加质量块1的数量(即增加上部结构的荷载)的作用是为了证明此理论在任何质量条件下都成立。然后与理论公式所算出的结果进行比较，若结果在误差范围内，说明试验模拟的很成功，若误差较大可多做几次试验取其平均值。
通过此试验既证明了公式的正确性又能让学生们明白其中的原理。本发明中的装置以课堂教学为背景，提高教学的生动性，在教学中可以提前组装好，也可以将零部件带到课堂中指导学生现场组装培养学生们的动手操作能力。该装置便于拆卸和携带且操作简单。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种结构力学教具，其特征在于，包括：
底板(5)；
轻质垫板(2)；所述轻质垫板(2)平行布置在所述底板(5)上方，且通过多根竖向布置的弹簧(3)与所述底板(5)连接；
质量块(1)；所述质量块(1)的数量为一块或多块，且可拆卸连接在所述轻质垫板(2)的顶面。
2.根据权利要求1所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述弹簧(3)两端分别与所述底板(5)和所述轻质垫板(2)可拆卸连接。
3.根据权利要求2所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述底板(5)和所述轻质垫板(2)与所述弹簧(3)的对应处均开设有预留连接孔(9)，所述弹簧(3)端头通过U型卡(8)和螺母与所述预留连接孔(9)固定；所述U型卡(8)卡住所述弹簧(3)并穿过预留连接孔(9)，所述U型卡(8)的两个端头有螺纹，通过所述螺母紧固在所述轻质垫板(2)上。
4.根据权利要求3所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述底板(5)和所述轻质垫板(2)均为金属材质或塑料材质或木材，所述质量块(1)为金属材料制成的板材。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述底板(5)和所述轻质垫板(2)均为矩形板或圆板，所述弹簧(3)的数量至少为四个，且对称布置在所述轻质垫板(2)的底面四侧。
6.根据权利要求1所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述轻质垫板(2)的一侧边沿中部具有操作预留孔(4)，用于连接测力计。
7.根据权利要求6所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述测力计为弹簧秤。
8.根据权利要求1所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述轻质垫板(2)中部具有连接孔，长螺栓(6)穿过所述连接孔和所述质量块(1)，并通过螺母(7)将所述质量块(1)紧固在所述轻质垫板(2)上。
9.根据权利要求8所述的一种结构力学教具，其特征在于，当所述质量块(1)的数量多个时，多个所述质量块(1)罗叠放置。
10.根据权利要求9所述的一种结构力学教具，其特征在于，所述长螺栓(6)的长度大于所述质量块(1)的总高度。
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2022
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