CN206210206U

CN206210206U - 用于结构力学实验的教学装置

Info

Publication number: CN206210206U
Application number: CN201621092310.1U
Authority: CN
Inventors: 何芝仙; 李修干; 张伟
Original assignee: Anhui Polytechnic University
Current assignee: Anhui Polytechnic University
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2026-09-29

Abstract

本实用新型揭示了一种用于结构力学实验的教学装置，教学装置包括门形刚架和底座，所述门形刚架包括A侧板、B顶梁和C侧板，所述B顶梁上粘贴有B应变片；本实用新型的优点结构简单，使用方法，可以用于结构力学课程教学实验。通过本专利提出的结构力学实验装置及其实验方法，可以帮助学习结构力学的学生加深理解“静定结构与超静定结构在非荷载因素作用下表现的不同力学特性”。

Description

用于结构力学实验的教学装置

技术领域

本实用新型涉及教学用具领域，尤其涉及用于结构力学实验教学的实验装置。

背景技术

目前有关结构力学实验教学常用的实验装置，刚架或桁架相关的实验装置比较多见，但大多数是测量结构在荷载作用下产生的内力和位移，而没有测量结构在非荷载因素作用下的内力和位移的相应功能，不能满足结构力学实验教学需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是实现一种测量非荷载因素作用下结构的内力和位移的实验教学装置。实验装置可以实现静定结构和超静定结构之间的快速转换、说明静定结构和超静定结构在非载荷因素作用下表现出不同力学性质。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：用于结构力学实验的教学装置，教学装置包括门形刚架和底座，所述门形刚架包括A侧板、B顶梁和C侧板，所述B顶梁上粘贴有B应变片；

所述C侧板包括与B顶梁固接的上插件、以及与上插件配合相互套接的下插套，所述底座上固定转轴，所述下插套的底端两侧固定接有链杆，所述链杆均固定在转轴上，所述链杆旁的底座上设有挡板，所述挡板和链杆上设有相配合的销孔，当所述挡板和链杆的销孔内插入第二销钉时，所述转轴被锁止，所述上插件顶端设有第一手轮，由所述第一手轮驱动的具有螺纹段的顶杆贯穿上插件并支撑在所述下插套上，所述C侧板上粘贴有C应变片；

所述底座的滑槽内放置有移动平台，所述A侧板放置在移动平台上方，所述A侧板两侧的移动平台上设有轴承座，所述A侧板底端的两侧分别延伸出的支撑轴固定在轴座内，所述支撑轴的轴线方向与移动平台和底座相对滑动的方向相同，其一个所述支撑轴上设有销孔并通插入的第一销钉锁止在移动平台的销孔内，另一个所述支撑轴通过联轴器连接传动轴，所述传动轴由固定在移动平台上的蜗轮蜗杆组件驱动旋转，所述蜗轮蜗杆组件由第三手轮驱动，所述底座的滑槽上设有锁孔，所述锁孔内设有通过挤压锁止移动平台的锁杆，所述锁杆上设有螺纹段并由第二手轮驱动伸缩，所述底座上固定有手轮支架，所述手轮支架上设有由第四手轮驱动旋转的齿轮，所述齿轮与A侧板上的齿条啮合，所述齿条与支撑轴的轴线方向平行，所述A侧板上粘贴有A应变片；所述A应变片、B应变片和C应变片输出信号至应变仪。

所述A侧板和C侧板的高度均为d，所述A应变片粘贴在距离底座d/4高度位置的A侧板上，所述C应变片粘贴在距离底座d/4高度位置的C侧板上，所述B顶梁长度为L，所述B应变片粘贴在距离A侧板L/4位置的B顶梁上。

所述C应变片粘贴在C侧板下插套上。

所述d/L＝1/2。

本实用新型的优点结构简单，使用方法，可以用于结构力学课程教学实验。通过本专利提出的结构力学实验装置及其实验方法，可以帮助学习结构力学的学生加深理解“静定结构与超静定结构在非荷载因素作用下表现的不同力学特性”。

附图说明

下面对本实用新型说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1用于结构力学实验的教学装置结构示意图；

图2-4为图1中教学实验装置局部示意图；

图5为刚架受力及贴片位置示意图；

上述图中的标记均为：1、刚架；2、应变片；3、第一手轮；4、链杆；5、挡板；6、底座；7、蜗轮蜗杆组件；8、第二手轮；9、第三手轮；10、移动平台；11、手轮支架；12、第四手轮；13.轴承座；14、第一销钉；15、第二销钉；16、联轴器。

具体实施方式

本专利所提出的一种结构力学实验装置，通过测量在非荷载因素(如侧板移动、材料收缩、温度改变、制造误差等)作用下静定刚架1结构和超静定刚架1结构的内力，验证在非荷载因素作用下静定结构和超静定结构所表现的不同的力学行为，即在非荷载因素作用下静定结构的内力不会发生变化，但在非荷载因素作用下超静定结构的内力会发生变化。本专利通过锁住或拆除刚架1与底座6之间连接铰链的销钉，实现静定与超静定结构之间的转换。本专利所提出的实验装置，可以用于结构力学课程教学实验。通过本专利提出的结构力学实验装置及其实验方法，可以帮助学习结构力学的学生加深理解“静定结构与超静定结构在非荷载因素作用下表现的不同特性”。

用于结构力学实验的教学装置，包括刚架1、应变片2、第一手轮3、链杆4、挡板5、底座6、蜗轮蜗杆组件7、第二手轮8、第三手轮9、移动平台10、手轮支架11、第四手轮12.轴承座13、第一销钉14、第二销钉15、联轴器16。

刚架1呈门形，由A侧板、B顶梁和C侧板固接构成。

C侧板包括与B顶梁固接的上插件、以及与上插件配合相互套接的下插套，两者构成插接关系，并能相对运动，底座6上固定转轴，转轴水平由轴承固定，可以在底座6上转动，下插套的底端两侧固定接有链杆4，两个链杆4均固定在转轴上，则下插套可随转轴转动，链杆旁的底座6上设有挡板5，优选设置两个挡板5分别对应两个链杆4，挡板5和链杆4上设有相配合的销孔，当挡板5和链杆4的销孔内插入第二销钉15时，转轴被锁止。

上插件顶端设有第一手轮3，由第一手轮3驱动的具有螺纹段的顶杆贯穿上插件并支撑在下插套上，这样通过旋转第一手轮3，则可以使得上插件和下插套相对滑动。

底座6的滑槽内放置有移动平台10，A侧板放置在移动平台10上方，仅接触不连接，A侧板两侧的移动平台10上设有轴承座13，A侧板底端的两侧分别延伸出的支撑轴分别固定在轴承座13上，支撑轴的轴线方向与移动平台10和底座6相对滑动的方向相同，其一个支撑轴上设有销孔并通插入的第一销钉14锁止在移动平台10的销孔内，另一个支撑轴通过联轴器16连接传动轴，传动轴由固定在移动平台10上的蜗轮蜗杆组件7驱动旋转，蜗轮蜗杆组件7由第三手轮9驱动，这样旋转第三手轮9，传动轴则能传递旋转力至支撑轴。

底座6的滑槽上设有锁孔，锁孔内设有通过挤压锁止移动平台10的锁杆，锁杆上设有螺纹段并由第二手轮8驱动伸缩，通过旋转第二手轮8，则可以控制底座6和移动平台10之间的锁止和滑动关系。

底座6上固定有手轮支架11，手轮支架11上设有由第四手轮12驱动旋转的齿轮，齿轮与A侧板上的齿条啮合，齿条与支撑轴的轴线方向平行，通过旋转第四手轮12，则可以控制移动平台10在底座6的滑槽内滑动上下滑动。

如图5所示，刚架1在非荷载因素作用下发生变形，刚架1可能受到侧板移动和转动，设竖向移动为c，绕侧板转动角度为θ。

A侧板上粘贴有A应变片2，C侧板上粘贴有C应变片2，B顶梁上粘贴有B应变片2，A侧板和C侧板的高度均为d，A应变片2粘贴在距离底座6d/4高度位置的A侧板上，C应变片2粘贴在距离底座6d/4高度位置的C侧板上，B顶梁长度为L，B应变片2粘贴在距离A侧板L/4位置的B顶梁上。C应变片2粘贴在C侧板下插套上。取高跨比h/L＝1/2，A应变片2、B应变片2和C应变片2输出信号至应变仪。

刚架1的三个电阻应变片2，通过静态电阻应变仪测量贴片处的工作应变，按照公式：

M＝EεW

计算方法获得贴片处刚架1横截面的弯矩，式中E为材料的弹性模量，ε为测量点的工作应变，W为截面的抗弯截面模量。

上述装置的工作原理：

静定刚架1在非荷载因素作用下构件横截面上的内力理论上等于0，而如图1所示的超静定刚架1在非荷载因素作用下内力求解需要求解3次超静定问题。利用力法求解此超静定问题，当h/l＝1/2时，同时发生侧板线位移和角位移时，刚架1A，B，C处截面弯矩为

式中：EI为梁的抗弯刚度，I为梁的跨度，Δ为侧板线位移，θ为侧板角位移。

刚架1A、B、C内力测量实验值利用电阻应变测量方法测量A、B、C的应变ε_A,ε_B,ε_C，若采用双臂半桥接法，其弯矩实验值计算公式为[5]：

M_i＝W_zE(ε_i1-ε_i2) i＝A,B,C

式中：W_z为截面抗弯截面系数，B为实验刚架1的宽度，H为实验刚架1的高度。

E为材料的弹性模量，ε_i1,ε_i2分别是截面里外测量点的应变读数。

基于用于结构力学实验的教学装置的使用方法：

静定结构：

拔出第一销钉14和第二销钉15，实验装置中的刚架1为静定刚架1，将应变仪调0。

1)第三手轮9，通过蜗轮蜗杆传动，旋转力由联轴器16传递到刚架1的支撑轴上，观察A、B、C点处的应变有无变化(无变化)。说明侧板发生角移动不会引起静定结构内力发生变化

2)松开第三手轮9，并旋转第四手轮12，移动活动平台，观察A、B、C点处的应变有无变化(无变化)。说明侧板发生线位移不会引起静定结构内力发生变化。

3)第一手轮3，通过螺旋传动使得刚架1B侧板构件之间产生相对位移，观察A、B、C点处的应变有无变化(无变化)。模拟制造误差或温度改变不会引起静定结构内力发生变化。

注：上述3种情况可以是分别独立的操作，也可以同时进行，并可以观察到结构位移的变化。

超静定结构：

同时插上第一销钉14和第二销钉15，实验装置中的刚架1变成超静定刚架1，将应变仪调0。

1)第一手轮3，通过螺旋传动使得刚架1B侧板构件之间产生相对位移Δ，观察A、B、C点处的应变有无变化(有变化)。模拟制造误差或温度改变会引起静定结构内力发生变化。测量A、B、C点处的应变，按照(2)式计算实测值，并与理论值比较并计算误差。

M_i＝EWε_i (i＝A,B,C) (2)

根据结构力学理论，应用力法求解图1所示的3次超静定问题,当d＝L/2时,A、B、C点处对应刚架1截面处的弯矩理论值为：

式中:W—抗弯截面模量，

E—材料的弹性模量.

I-截面对中性轴的惯性矩

2)第一手轮3，通过螺旋传动消除刚架1B侧板构件之间产生相对位移并将应变仪置0，第四手轮12，通过螺旋传动移动活动平台，观察A、B、C点处的应变有无变化(有变化)。说明侧板发生位移c会引起静定结构内力发生变化。测量A、B、C点处的应变，按照(2)式计算实测值，并与理论值比较并计算误差。与理论值比较并计算误差。A、B、C点处对应刚架1截面的弯矩的理论值用c代替公式中(3)中的Δ即可。

3)第一手轮3，通过螺旋传动消除刚架1B侧板构件之间的相对位移，拔出第一销钉14，第四手轮12将移动平台10的位移调整到0点，并第二手轮8锁紧移动平台10，并将应变仪置0。第三手轮9，通过蜗杆蜗轮转动使得刚架1的支撑轴发生旋转，观察A、B、C点处的应变有无变化(有变化)。说明移动平台10转动位移θ会引起静定结构内力发生变化。测量A、B、C点处的应变，按照(2)式计算实测值，与理论值比较并计算误差。

此时A、B、C点处刚架1对应截面处的弯矩理论值：

其中：θ-为刚架1侧板转动角度；

4)第一手轮3，通过螺旋传动消除刚架1右侧构件之间的相对位移，拔出第一销钉14，第四手轮12将移动平台10的位移调整到0点，将应变仪置0。第四手轮12，通过螺旋传动移动活动平台产生位移c后，通过第二手轮8锁紧移动平台10。第三手轮9，通过蜗杆蜗轮转动使得刚架1的支撑轴发生旋转,产生侧板转动位移θ，观察A、B、C点处的应变有无变化(有变化)。说明同时发生侧板移动c和侧板转动θ会引起静定结构内力发生变化。测量A、B、C点处的应变，按照(2)式计算实测值，与理论值比较并计算误差。

此时A、B、C点处刚架1对应截面处的弯矩理论值：

其中：θ-为刚架1侧板转动角度,C为侧板产生的竖向移动线位移

上述的实验过程和结果都可以直观地观察到结构位移的变化，说明结构力学中关于静定结构与超静定结构在非荷载因素作用下表现的力学特征即：

(1)静定结构在非荷载因素(如侧板移动、材料收缩、温度改变、制造误差等)作用下会引起结构产生位移，但结构的内力不会发生变化。

(2)超静定结构在非荷载因素作用下不仅会引起结构产生位移，也会引起结构的内力发生变化。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.用于结构力学实验的教学装置，其特征在于：教学装置包括门形刚架和底座，所述门形刚架包括A侧板、B顶梁和C侧板，所述B顶梁上粘贴有B应变片；

2.根据权利要求1所述的用于结构力学实验的教学装置，其特征在于：所述A侧板和C侧板的高度均为d，所述A应变片粘贴在距离底座d/4高度位置的A侧板上，所述C应变片粘贴在距离底座d/4高度位置的C侧板上，所述B顶梁长度为L，所述B应变片粘贴在距离A侧板L/4位置的B顶梁上。

3.根据权利要求2所述的用于结构力学实验的教学装置，其特征在于：所述C应变片粘贴在C侧板下插套上。

4.根据权利要求2或3所述的用于结构力学实验的教学装置，其特征在于：所述d/L＝1/2。