CN215577243U - 材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，包括基座平台、载荷端头、控制器和杆件，所述基座平台位于底部，所述载荷端头至少包括两个，所述载荷端头和控制器均位于所述基座平台上方，所述载荷端头和控制器一一对应相连，所述杆件位于所述载荷端头之间，所述载荷端头与所述杆件连接，所述杆件由多根中空细管平行排列组成，所述中空细管内部充满单一颜色的凝胶球颗粒。本实用新型的教具结构简单，尺寸较小，非常适合课堂教学过程中学生使用，有助于有效提升学生对材料力学拉伸和压缩基本变形的理解，推动材料力学课程教学更加生动和深入。

Description

材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具

技术领域

本实用新型涉及一种教学用具，更具体涉及一种材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具。

背景技术

材料力学是机械工程、材料工程和土木工程等很多工科专业非常重要的专业基础课程，是研究构件强度、刚度和稳定性规律的一门学科。杆件是材料力学的研究对象，拉伸/压缩、剪切、扭转和弯曲是材料力学中主要的四种基本变形，每一种基本变形下的受力和变形特点,以及在此基础上学习的杆件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，作为学生接触的第一种基本变形，拉伸和压缩相对较为简单，但其内力和应力的学习主要基于抽象的假想实验，并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。当前，新工科和教学创新背景下各个专业和课程都在进行着教学改革，力求使得学生的学习效果和学习方式得到不断改进。模型类小型教具是其中很有效的一种学习辅助手段，并在分子结构等物理和化学课程中应用广泛，而材料力学中相关实验模型教具还很少见。

因此，开发一种材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，使得学生在课上可以直接动手，将内力和应力的变化规律得到亲眼可见的直接显现，将有效提升学生对材料力学拉伸和压缩基本变形的理解，推动材料力学课程教学更加生动和深入。

发明内容

本实用新型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专用的杆件拉伸和压缩实验教具，可以有效模拟杆件在拉伸和压缩变形时不同位置的变形和受力情况，有助于教师生动讲解知识点，也有利于学生深入理解相关内容。

按照本实用新型提供的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其采用的主要技术方案为：包括基座平台、载荷端头、控制器和杆件，所述基座平台位于底部，所述载荷端头至少包括两个，所述载荷端头和控制器均位于所述基座平台上方，所述载荷端头和控制器一一对应相连，所述杆件位于所述载荷端头之间，所述载荷端头与所述杆件连接，所述杆件由多根中空细管平行排列组成，所述杆件的中空细管为透明塑料材质，所述中空细管内部充满单一颜色的凝胶球颗粒。

本实用新型还具有如下附属技术方案：

所述载荷端头的底部设有光滑滚轮，所述基座平台表面设有与所述光滑滚轮配合的滑轨，所述滑轨表面有润滑油。

进一步的，所述中空细管内填充有透明多孔软芯，所述多孔软芯中均匀吸附单一颜色的液体。

所述中空细管的一端为封闭端，另一端为安装端。

所述杆件的外表面设有一个硅胶套管，所述中空细管均被硅胶套管所包裹，从而形成一个整体的杆件。

所述杆件的两端设有金属固定端头，每一根所述中空细管均穿过所述金属固定端头的内部。所述金属固定端头横截面设有与每一根中空细管对应的内孔，所述内孔可对从其中穿过的中空细管进行夹持。

所述载荷端头直接与所述金属固定端头连接，或所述载荷端头直接与载荷端头内部的全部中空细管连接，或所述载荷端头直接与载荷端头内部的部分中空细管连接。

所述控制器驱动和控制所述载荷端头沿所述杆件轴线方向移动。

按照本实用新型提供的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，与现有技术相比具有如下优点：一是本实用新型的技术方案中采用多根中空细管平行排列组成杆件，并在中空细管内部填充单一颜色的凝胶球颗粒，或填充有均匀吸附单一颜色的液体透明多孔软芯，可以利用填充单一色彩物质在轴向拉伸和压缩作用下的变形和受力，利用其填充物质的色彩分布来直接显现杆件的拉伸和压缩变形，进而获得内力和应力分布规律。二是本实用新型的技术方案中可以通过所述载荷端头对中空细管的不同加载方式，实现多种载荷加载形式以及模拟多种不同条件下的拉伸和压缩变形，比如，当所述载荷端头直接与载荷端头内部的同一侧的部分中空细管连接时可以实现对偏心拉伸或偏心压缩的模拟，当所述载荷端头直接与所述金属固定端头连接时，可以模拟轴向拉伸或压缩的合力作用线与杆件轴线重合的轴向拉伸或压缩。三是本实用新型的技术方案中的教具结构简单，尺寸较小，可以实现课堂教学过程中小组同步使用或者学生人手一台，有助于有效提升学生对材料力学拉伸和压缩基本变形的理解。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的杆件横截面结构示意图。

图3是本实用新型的杆件中空细管的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，按照本实用新型提供的一种材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，包括基座平台1、载荷端头2、控制器22和杆件3，所述基座平台1位于底部，所述载荷端头2至少包括两个，所述载荷端头2和控制器22均位于所述基座平台1上方，所述载荷端头2和控制器22一一对应相连，所述杆件3位于所述载荷端头2之间，所述载荷端头2与所述杆件3连接，通过控制器中的动力元件和传感器元件实现对载荷端头的控制，进而实现对杆件施加拉力或压力作用，实现杆件的拉伸或压缩变形。参见图2，所述杆件3由多根中空细管32平行排列组成，这样可以将横截面上的内力合力分解成各个中空细管端面上的多个小面积上的内力，进而更加有助于同学们理解横截面上每一个点上的内力即对应点位置应力的概念。所述杆件的中空细管32为透明塑料材质。所述中空细管32内部充满单一颜色的凝胶球颗粒。所述中空细管的塑料可根据实验需要选取常见的PP和PE等材料，并可根据实验对硬度的要求选择相应的厚度和密度来实现。所述凝胶球颗粒可选用红色、蓝色和紫色等颜色较深的颜色，并选择合适的填充密度，使得弯曲变形过程中的密度变化导致颜色可以出现明显的深浅变化。所述中空细管的直径范围1~10mm，所述凝胶球颗粒的粒度不超过1 mm，所述凝胶球颗粒可采用具有一定粘度的液体代替。

所述载荷端头2的底部设有光滑滚轮21，所述基座平台1表面设有与所述光滑滚轮21配合的滑轨，所述滑轨表面有润滑油。该光滑滚轮、滑轨和润滑油的设计，使得杆件两端的移动更为灵活自由。

进一步的，作为替代方案，所述中空细管32内填充有透明多孔软芯，所述多孔软芯中均匀吸附单一颜色的液体。

所述杆件的中空细管采用透明材质可以使得填充的颜色直观方便的观察，采用压力注入装置来实现中空细管内部液体的填充和密度的改变，而通过调整中空细管中填充物质的密度还可以改变杆件的硬度，进而模拟不同刚度杆件的拉伸和压缩变形。

参见图3，所述中空细管32的一端为封闭端322，另一端为安装端321。该设计可以实现中空细管内部的填充，并可以在后期进行填充物质的密度改变。

参见图2，所述杆件3的外表面设有一个硅胶套管33，所述中空细管32均被硅胶套管33所包裹。硅胶套管的存在使得中空细管成为一个整体，更符合实际杆件的情况。

所述杆件3的两端设有金属固定端头31，每一根所述中空细管32均穿过所述金属固定端头的内部，所述金属固定端头31横截面设有与每一根中空细管对应的内孔，所述内孔可对从其中穿过的中空细管进行夹持，进而通过金属固定端头对每一根中空细管的夹持就可以实现对整个杆件的夹持。通过在杆件中部设计新的金属固定端头，并设计相对应的载荷端头和控制器，可以实现对杆件不同段受力不同的情况，进而模拟分段进行内力的分析。

所述载荷端头2直接与所述金属固定端头连接，或所述载荷端头2直接与载荷端头内部的全部中空细管连接，或所述载荷端头2直接与载荷端头内部的部分中空细管连接。通过所述载荷端头对中空细管的不同加载方式，实现多种载荷加载形式以及模拟多种不同条件下的拉伸和压缩变形，当所述载荷端头直接与载荷端头内部的同一侧的部分中空细管连接时可以实现对偏心拉伸或压缩的模拟，当所述载荷端头直接与所述金属固定端头连接时，可以模拟轴向拉伸或压缩的合力作用线与杆件轴线重合的轴向拉伸或压缩，还可以通过对不同中空细管的连接控制来模拟横截面不同位置处的应变和应力分布情况。

所述控制器驱22动和控制所述载荷端头2沿所述杆件轴线方向移动。所述控制器内部可根据需要安装小型电机和驱动机构，来实现相应的机械运动。

本实用新型的技术方案提供了一种材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，通过充分利用杆件中空细管及其内部填充单一色彩物质在轴向拉伸和压缩作用下的变形和受力，利用其填充物质的色彩分布来直接显现杆件的拉伸和压缩变形，进而获得内力和应力分布规律。该教具结构简单，尺寸较小，非常适合课堂教学过程中学生使用，有助于有效提升学生对材料力学拉伸和压缩基本变形的理解，推动材料力学课程教学更加生动和深入，有助于推动新工科和教学创新背景下材料力学课程在教学创新上的教学改革。

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

Claims (6)

1.材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，包括基座平台、载荷端头、控制器和杆件，所述基座平台位于底部，所述载荷端头至少包括两个，所述载荷端头和控制器均位于所述基座平台上方，所述载荷端头和控制器一一对应相连，所述杆件位于所述载荷端头之间，所述载荷端头与所述杆件连接，所述杆件由多根中空细管平行排列组成，所述杆件的中空细管为透明塑料材质，所述中空细管内部充满单一颜色的凝胶球颗粒。

2.如权利要求1所述的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，所述载荷端头的底部设有光滑滚轮，所述基座平台表面设有与所述光滑滚轮配合的滑轨，所述滑轨表面有润滑油。

3.如权利要求1所述的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，所述中空细管的一端为封闭端，另一端为安装端。

4.如权利要求1所述的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，所述杆件的外表面设有一个硅胶套管，所述中空细管均被硅胶套管所包裹。

5.如权利要求1所述的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，所述杆件的两端设有金属固定端头，每一根所述中空细管均穿过所述金属固定端头的内部。

6.如权利要求1所述的材料力学教学专用的杆件拉伸和压缩实验教具，其特征在于，所述控制器驱动和控制所述载荷端头沿所述杆件轴线方向移动。

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