CN1920900A - 多功能桁架结构实验台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多功能桁架结构实验台，包括底座、立柱、模型架和加载装置，底座两端分别连接有立柱，模型架由一组连杆通过连接片及销钉连接在一起而成，模型架的两端分别连接在底座两端的立柱上端，其中一端为铰接，另一端为自由滑动连接，加载装置安装在底座上，可在底座上移动，其传力轴与模型架连接，加载装置上安装有载荷传感器。载荷传感器的输出端通过信号采集仪与计算机连接。本发明根据不同要求组合成各种有工程背景的模型结构，借助于电测对模型结构进行应力分析，拆卸和组装方便，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及桁架结构的教学实验仪器，具体涉及具有教学、桥梁设计、房屋设计、施工演示等用途的桁架结构实验台。
背景技术
近年来，由于桁架结构具有独特优点以及相贯节点的研究日益成熟，各种巨型格构构件越来越广泛地用于大跨屋盖、桥梁。空间桁架梁由多个平面桁架组成，这样的空间格构式构件不仅具有竖向刚度，也有较大的平面外刚度，同时，它又具有平面体系的特点。结构布置时可以每轴线布置一榀空间桁架梁，结构分析时也能分解出次构件(如次桁架、檩条)的传力和空间桁架梁的受力关系，施工时同样可以分段制作，一榀一榀吊装。因此，空间桁架梁介于平面体系与空间体系之间，经济效益较好，用钢量明显低于网架，值得推广。但是尚缺乏理论研究，工程设计时显得无章可循。目前还没有能够进行应力分析等多项实验、便于教学并为系统地培训管理、监控、检测人员提供实验的桁架模型结构。学生在实验时只是对照实验指导书将主要步骤重复作一次，不能充分发挥学生的想象力、激发学生的创造力。
发明内容
本发明针对目前对桁架结构进行应力分析等实验装置的不足，提供一种成本低、可拆卸，能组成各种工程模型结构进行应力分析的多功能桁架结构实验台。
本发明的多功能桁架结构实验台，包括底座、立柱、模型架和加载装置，底座两端分别连接有立柱，模型架由一组连杆通过连接片及销钉连接在一起而成，模型架的两端分别连接在底座两端的立柱上端，其中一端为铰接，另一端为自由滑动连接，加载装置安装在底座上，可在底座上移动，其传力轴与模型架连接，加载装置上安装有载荷传感器，载荷传感器的输出端通过信号采集仪与计算机连接。
加载装置由蜗轮、蜗杆、壳体及传力轴组成，蜗杆和蜗轮均安装在壳体上，蜗轮与蜗杆啮合传动，蜗轮通过球形铰链与载荷传感器连接，传力轴与载荷传感器连接。转动蜗杆使蜗轮随之转动，蜗轮通过载荷传感器再带动传力轴上下移动以加载或卸载。
实验时各连杆上粘贴单向电阻应变片，串连成半桥电路(由于测点较多，具体操作时可使用单臂电路，以达到共用补偿片的目的)，连接到电阻应变仪上。可根据测试需要，在桁架的各节点通过移动加载装置在不同节点上加载，由载荷传感器读出载荷的大小，加载后，由电阻应变仪读出各连杆件由载荷引起的应变值ε，通过连杆件材料的弹性模量E，计算出各杆的应力值σ＝Eε。
本发明根据不同要求组合成各种有工程背景的模型结构，借助于电测对模型结构进行应力分析，拆卸和组装方便，成本低。为相关人员进行自主设计、综合研究实验提供一个基础平台，便于学生搭配各种桁架结构进行测试，系统地了解各种桁架结构，以提高学生的动手能力，分析问题的能力，激发学生的想象力和创造力，并为系统地培训管理、监控、检测人员提供了实验装置。
附图说明：
图1是本发明的第一个实施例的结构示意图。
图2是本发明中加载装置的结构示意图。
图3是本发明中应变值测定电路原理图。
图4是本发明的第一个实施例的结构受力分析模型图。
图5是本发明的第一个实施例的各连杆件受力大小图。
图6是本发明的第二个实施例的结构示意图。
图7是本发明的第二个实施例的结构受力分析模型图。
图8是本发明的第二个实施例的各连杆件受力大小图。
图9是本发明的第三个实施例的结构示意图。
图10是本发明的第三个实施例的结构受力分析模型图。
图11是本发明的第三个实施例的各连杆件受力大小图。
图中：1、底座，2、立柱，3、销轴，4、加载装置，5、载荷传感器，6、连杆，7、连接片，8、销钉，9、蜗轮，10、蜗杆，11、壳体，12、传力轴，13、球形铰链，14、单向电阻应变片，15、标准电阻。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，本实施例的桁架是一个下斜拉架模型，包括底座1、立柱2、连杆6、连接片7、销钉8、加载装置4和载荷传感器5，底座1的两端分别连接有立柱2，共有十三个连杆6通过八个连接片7及二十六个销钉8连接在一起组成了下斜拉模型架，模型架的两端分别连接在底座两端的立柱2上端，其中一端通过销轴3与立柱2铰接，另一端可在下面安装滑轮，形成自由滑动连接，在受载情况下可以移动，以适应其位移。加载装置4安装在底座1上，可在底座1上移动，以便于对不同位置的连杆施力。
加载装置4的结构如图2所示，由蜗轮9、蜗杆10、壳体11及传力轴12组成，蜗轮9和蜗杆10均安装在壳体11上，蜗轮9与蜗杆10啮合传动。球形铰链13分为上下两部分，上部分的下端为球头结构，下部分的上端为球形凹坑结构，球头嵌在球形凹坑内，使球形铰链13的上下两部分连接在一起。球形铰链13的上部分的上端通过螺纹与载荷传感器5固定连接。球形铰链13的下部分的下端通过螺纹与蜗轮9连接形成螺旋传动。球形铰链13的下部分随蜗轮9的转动而上下移动，球形铰链13的上部分不转动，只上下移动。传力轴12的下端通过螺纹与载荷传感器5连接，上端与模型架连接。转动蜗杆10使蜗轮9随之转动，通过球形铰链13的螺旋移动带动载荷传感器5、传力轴12上下移动给模型架加载或卸载。载荷传感器5的输出端通过信号采集仪与计算机连接。
实验时各杆件上粘贴单向电阻应变片14，测量用的单向电阻应变片14与标准电阻15组成如图3所示的半桥电路(由于测点较多，具体操作时可使用单臂电路，以达到共用补偿片的目的)，连接到电阻应变仪上。根据测试需要，在桁架的各节点通过移动加载装置可在不同节点上加载，由载荷传感器5读出载荷的大小，加载后，由电阻应变仪读出各杆件由载荷引起的应变值ε，通过该钢板条材料的弹性模量E，计算出各杆的应力值σ＝Eε。
本实施例在模型架跨中处受力载荷为P的受力分析模型图如图4所示。由整体静力平衡求出桁架的约束反力，建立整体坐标系，通过理论力学的基础静力平衡方程，再利用节点法可以求出各连杆内力(汇交力系、只有两个平衡方程)。得出的全部连杆件受力大小如图5所示。各连杆的内力与其横截面积之比即为该连杆的拉(压)应力值σ，进一步可求出其应变值ε＝σ/E。
考虑到连杆件的稳定性，实验时采取构造对称模型，即在立柱上有前后两个相同的模型架，中间加载(加载装置输出200N的力，相当于每个模型受载P＝100N)的方式。传力轴12与两个对称模型架的连接横梁连接。为验证实验台的测试精度，对各连杆的应变值(με)测试结果与理论计算结果进行比较，计算出相对误差。如下表所示：
| 测点 | a | b | c | d | e | f | g | h | i | j | k | l | m | n | o | p | q |
| 理论值 | 0.0 | 0.0 | -11.1 | 7.3 | 0.0 | -11.2 | 3.7 | 7.3 | 11.2 | -11.2 | 3.7 | 7.3 | 0.0 | 0.0 | -11.1 | 7.3 | 0.0 |
| 实验值 | 0.0 | 0.0 | -11.0 | 7.5 | 0.0 | -11.3 | 3.6 | 7.2 | 11.4 | -11.1 | 3.6 | 7.2 | 0.0 | 0.0 | -11.2 | 7.4 | 0.0 |
| 相对误差(％) | 0.0 | 0.0 | 0.9 | 2.7 | 0.0 | 0.9 | 2.7 | 1.4 | 1.8 | 0.9 | 2.7 | 1.4 | 0.0 | 0.0 | 0.9 | 1.4 | 0.0 |
实施例2
如图6所示，本实施例的桁架是一个倒W架模型，由十三个连杆通过八个连接片及二十六个销钉连接而成。其余结构与实施例1一样。
本实施例在模型架跨中处受力载荷为P的受力分析模型图如图7所示。通过理论力学的基础可以求出各连杆内力。得出的全部连杆件受力大小如图8所示。实验时同样采取构造对称模型，中间加载的方式。对各连杆的应变值(με)测试结果与理论计算结果进行比较，计算出相对误差。如下表所示：
| 测点 | a | b | c | d | e | f | g | h | i | j | k | l | m |
| 理论值 | -11.0 | 12.5 | 7.2 | -8.3 | -25.0 | 28.9 | 16.7 | 28.9 | -25.0 | -8.3 | 12.5 | -11.0 | 7.2 |
| 实验值 | -11.2 | 12.6 | 7.1 | -8.2 | -25.2 | 28.7 | 16.5 | 29.0 | -25.3 | -8.0 | 12.7 | -11.2 | 7.1 |
| 相对误差(％) | 1.8 | 0.8 | 1.4 | 1.2 | 0.8 | 0.7 | 1.2 | 0.3 | 1.2 | 3.6 | 1.6 | 1.8 | 1.4 |
实施例3
如图9所示，本实施例的桁架是一个菱形架模型，由十七个连杆通过十个连接片及三十四个销钉连接而成。其余结构与实施例1一样。
本实施例在模型架1/2跨中处受力载荷为P的受力分析模型图如图10所示。通过理论力学的基础可以求出各连杆内力。得出的全部连杆件受力大小如图11所示。实验时同样采取构造对称模型，中问加载的方式。对各连杆的应变值(με)测试结果与理论计算结果进行比较，计算出相对误差。如下表所示：
| 测点 | a | b | c | d | e | f | g | h | i | j | k | l | m | n | o | p | q |
| 理论值 | -4.2 | -4.2 | 4.2 | 0.0 | 4.2 | -4.2 | -12.5 | 14.4 | 0.0 | -12.5 | -4.2 | 14.4 | 12.5 | -12.5 | 12.5 | 0.0 | -12.5 |
| 实验值 | -4.1 | -4.3 | 4.2 | 0.0 | 4.3 | -4.1 | -12.6 | 14.5 | 0.0 | -12.4 | -4.1 | 14.6 | 12.7 | -12.4 | 12.5 | 0.0 | -12.6 |
| 相对误差(％) | 2.4 | 2.4 | 0.0 | 0.0 | 2.4 | 2.4 | 0.8 | 0.7 | 0.0 | 0.8 | 2.4 | 1.4 | 1.6 | 0.8 | 0.0 | 0.0 | 0.8 |
从上述三个实施例的表中数据可以看出，本发明的多功能桁架结构实验台测试精度良好。
Claims (2)
1.一种多功能桁架结构实验台，其特征在于：包括底座、立柱、模型架和加载装置，底座两端分别连接有立柱，模型架由一组连杆通过连接片及销钉连接在一起而成，模型架的两端分别连接在底座两端的立柱上端，其中一端为铰接，另一端为自由滑动连接，加载装置安装在底座上，可在底座上移动，其传力轴与模型架连接，加载装置上安装有载荷传感器。
2.如权利要求1所述的多功能桁架结构实验台，其特征在于：所述加载装置由蜗轮、蜗杆、壳体及传力轴组成，蜗杆和蜗轮均安装在壳体上，蜗轮与蜗杆啮合传动，蜗轮通过球形铰链与载荷传感器连接，传力轴与载荷传感器连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200610068785 CN1920900A (zh) | 2006-09-12 | 2006-09-12 | 多功能桁架结构实验台 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 200610068785 CN1920900A (zh) | 2006-09-12 | 2006-09-12 | 多功能桁架结构实验台 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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ID=37778620
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2006
- 2006-09-12 CN CN 200610068785 patent/CN1920900A/zh active Pending
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