专利名称：结构力学组合实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高等院校《结构力学》实验教学设备领域，产品主要应用于杆 件结构中刚架、桁架及组合结构的实验教学中。
技术背景 结构力学主要任务是根据力学原理研究在外力和其他外界因素作用下结构的内 力和变形，结构的强度、刚度、稳定性和动力反应，以及结构的组成规律。高等院校《结构 力学》主要研究对象为杆件结构，杆件结构由杆件、结点、支座等组成。理论分析时，杆件 简化为有一定刚度的轴线，可承受弯矩、轴力、剪力；结点和支座简化成只有功能而无尺寸 的连接点，根据功能的不同结点分为铰结点、刚结点，支座分为滚动支座、铰支座、固定支 座。梁、拱、桁架、刚架、组合结构是杆件结构的典型形式，在工程实践中的应用非常广泛， 因此，将典型的结构形式制作成模型进行实验教学将非常有助于学生对理论的理解，但由于 以下原因导致实测结果与理论计算误差较大，使得该门课程始终无法进行模型与理论的对比 实验。
1. 理想的结点是只有功能而没有尺寸的结构单元，杆件的长度是节点间的距离，而实际 结点是有一定尺寸的实体，导致杆件在在理论长度内非等刚度，对测试结果会造成结点尺寸 效应。铰结点、刚结点都存在此问题。
2. 理想的铰结点只能承受轴力不能承受弯矩，但理想的铰结点是不存在的，实际工程中 由于摩擦力等原因的存在使得铰结点不仅能承受一定弯矩，而且往往随着轴力的增大其可承
受的弯矩也随之增大。同样的情况存在于支座的理论简化中。
3. 杆件与结点的连接间隙，往往使结构在加载初期为瞬变体系。
4. 加载装置与结构的连接后对结构变形的影响。
发明内容一种结构力学组合实验装置，机架采用由上、下横梁及左、右立柱组成的矩形 框架结构，实验结构由支座、结点、杆件组成，加载采用杠杆加载、液压油缸加载、螺旋加 载形式，可施加结点拉、压力及弯矩；拉、压力及弯矩通过拉压力传感器测量，应变通过粘 贴在特征部位的电阻应变片测量，结点位移通过位移传感器测量，采用多通道的数据采集分 析系统采集实验数据；其特征是结点盘采用剖分式结构，杆件安装在两片结点盘中，桁架 与刚架采用相同的杆件，铰结点盘、刚结点盘与杆件的连接方式相同，可以互换安装，并设 有结点盘安装定位板及在立柱上装有荷载换向滑轮机构。
本实用新型的目的是提供一种多功能结构力学试验装置，在该装置上可组合出结构力学 桁架、刚架、组合结构等实验装置。所有的被测参量实现电测量，数据采集分析采用多通道 的计算机数据采集、分析系统。
本实用新型的方案是本实用新型由机架、杆件、结点、支座、加载装置、传感部分、 数据采集分析系统等组成。各部分功能分述如下
机架主体采用矩形框架结构，由上横梁、下横梁、左立柱、右立柱、结点定位板及安装 底座等组成，上横梁用于安装支座，左右立柱及下横梁提供加载支撑，结点定位板用于实验 装置安装时的结点准确定位及实验过程中保持实验装置的平面状态。矩形框架结构各部分之 间通过连接板联接，整体通过螺栓与底座相联接。
杆件采用薄壁金属圆管或方管，管两端有安装用的定位孔，有定长的及可调的两种。桁 架杆及刚架杆采用相同的杆件，在杆件的特征部位粘贴有电阻应变片用于测量测点的应变。
结点用以连接各杆件，以组成需要的结构，结点采用剖分式圆盘结构，称为结点盘，杆件的 安装部分装夹在两结点盘的中间，通过结点盘与杆件的摩擦力及销轴传递轴力，每个节点最 多可连接8个杆件。结点盘按功能分为为铰结点盘和固结点盘两类，两类结点盘与杆件的连 接方式相同，可互换安装。区别在于在铰结点盘上设有弱连接，使得铰结点盘只能承受很小的弯矩，但能承受较大的轴力，而固结点盘既可承受较大的轴力也可承受较大的弯矩， 这样通过不同类型结点盘的组合就可以得到不同类型的结点。每类结点盘按安装位置不同可 分为上盘和下盘两种。结点盘按使用部位不同又可分为通用结点盘和支座结点盘两类。
支座通过转轴与上横梁相连接，通过控制支座的转动实现滚动支座与铰支座的转换，铰 支座与固定支座的区别在于支座结点与支座的连接方式。每一个支座的形式无需提前确定， 在实验过程中可通过支座调整装置任意转换。
加载装置安装在下横梁及左、右立柱上，用以提供所需要的荷载。加载机构主要有四种 分别为砝码杠杆加载、丝杠杠杆加载、涡轮蜗杆丝杠加载、双作用油缸加载，可直接对测试 对象施加多点的结点拉力、结点压力、结点弯矩。
传感部分设置了拉压力传感器、应变片、位移传感器等多种传感器用以测量施加在结点 上拉、压力、弯矩、杆件的应变、结点的位移等。
数据采集分析部分采用多通道的计算机数据采集、分析系统，测量不同类型传感器输出 的电信号，从而得到被测各物理量，并完成被测参量以不同方式的实时显示、储存、分析等。
本实用新型的优点是结点盘采用剖分式结构，杆件安装在两片结点盘中，在铰结点盘 上设置特定形状的弱连接，利用弱连接具有可传递较大轴力但只能传递很小弯矩的力学特性， 得到较为理想的铰结点。通过选择合理的刚结点盘与杆件的连接方式，减小刚结点盘的尺寸， 从而减小结点尺寸效应对测试结果的影响，得到较为理想的刚结点。桁架与刚架采用相同的 杆件、铰结点盘与刚结点盘可以互换安装、支座的形式可方便地转换等使得可以方便转换结 点、杆件及支座的性质，以得到不同类型的结构，有利于不同类型结构实验数据的比较。以 及加载种类及加载形式的多样化，有利于开展综合性研究性实验。杆件上的电阻应变片通过 插座的形式输出，不仅有利于快速接线，而且便于杆件的管理。杆件采用定长杆与可调杆相 结合的方式、采用剖分式的结点盘及设置结点盘定位板等有利于实验装置的快速组装。设置 多种类型的传感器，有利于数据的计算机采集，多通道、多数据类型计算机数据采集分析系 统不仅具有强大的数据采集、分析功能，而且由于计算机应用，丰富了实验教学手段，有利 于进行开放式的实验教学。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一歩说明
图1为结构力学试验装置实施例的正面视图。
图2、 3为通用铰结点实施例的装配图。图3为图2的A向剖视图，图2为图3的B向 剖视图。
图4、 5为通用固结点实施例的装配图。图5为图4的A向剖视图，图4为图5的B向 剖视图。
图6为杆件实施例装配图。
图7、 8为通用固结点另一实施例的装配图。图8为图7的A向剖视图，图7为图8的 B向剖视图。
图9、 K)为支座铰结点实施例的装配图。图1()为阁9的A向剖视图，图9为图10的B 向剖视图。
图中1底座，2下横梁，3左立柱，4拉压加载杆，5涡轮蜗杆副，6连接板，7支座结点盘， 8可调支座，9支座转轴，10支座调整螺钉，11上横梁，12杆件，12-1左调整螺杆，12-2 左锁紧螺母，12-3杆件本体，12-4右锁紧螺母，12-5右调整螺杆，12-6应变片，12-7接线 插座，13右立柱，14滑轮机构，15加载杆杆，16钢丝绳调整装置17加载砝码，18双向加 载油缸，19加载小车，20加载丝杠，21钢丝绳，22测力传感器，23弯矩加载杆，24通用 结点盘，25结点盘定位板。
具体实施方式
本实用新型的是这样实施的
1、 结点部分在图2、 3、 4、 5、 7、 8、 9、 10所示结点中，结点由上、下两结点盘组 成，杆件(12)的调整螺栓(12-1、 5)通过上、下盘的圆弧面夹紧，上、下结点盘通过螺 栓连接，下盘为螺纹孔，上盘为通孔。图2、 3为通用铰结点，图4、 5为通用固结点，图9、 IO为支座铰结点。铰结点与固结点的区别在于铰结点的上、下盘均为铰结点盘，固结点的 上、下盘至少有一个结点盘为固结点盘。通用结点与支座结点的区别在于支座结点可通过 结点盘中间的螺栓与可调支座(8)实现铰结，若增加一个限位螺栓，则实现支座结点与可 调支座(8)的固结。铰结点盘和固结点盘的区别在于在铰结点盘上设有弱连接，使得铰 结点盘只能传递很小的弯矩，但能传递较大的轴力，而固结点盘既可传递较大的轴力也可传 递较大的弯矩，这样通过安装不同的结点盘就可以得到不同类型的结点。图2、 3所示的铰 结点盘采用矩形微梁形式的弱连接，微梁只需较小的的弯矩即可产生较大的转角，从而达到 控制桁架杆件上最大弯矩的目的。
2、 杆件部分杆件有定长杆件与可调杆件两种，在图6可调杆件中，左右调整蠊杆(12-1、 5)分别为左、右旋螺纹，旋转杆件本体(12-3)可调节调整螺杆上定位孔的距离，以达到要 求的安装尺寸。杆件上粘贴有电阻应变片(12-6)，并装有接线插座(12-7)，以方便应变测 试及应变测试快速接线。桁架杆及刚架杆采用相同的杆件有利于结点类型的快速转换。
3、 机架部分通过连接板(5)将下横梁(2)、左立柱(3)、右立柱(13)、上横梁(11) 连接成一个矩形的实验框架，下横梁(2)安装在底座(1)上，上下横梁之间装有结点定位 板(25)(图示实验结构应有5个，图中只绘出2个)。可调支座(8)通过支座转轴(9)与 上横梁相连，通过支座调整螺钉(10)的调紧与松开并结合支座结点盘(7)与可调支座(8) 的固定关系，可实现多种支座形式。如当支座调整螺钉(10)为旋松状态、支座结点盘(7) 与可调支座(8)为铰接状态时，则此时的支座形式为滚动支座。下横梁(2)为加载提供加 载反力支撑，左、右立柱(3， 13)既可提供加载反力支撑，也可通过滑轮机构(14)将竖向 加载转化为水平加载。结点盘定位板(25)上装有结点定位销轴，用于实验结构组装时的结 点盘准确定位及实验过程中保持实验结构的平面状态。
4、 加载部分如图l所示的加载方案，测力传感器(22) —端连接在结点盘上， 一端连 接在钢丝绳(21)上、钢丝绳(21)又通过钢丝绳调整装置(16)连接到加载杠杆(15)上， 通过加载砝码(17)或加载丝杠(20)加载，就可以得到经杆杆放大的竖向拉力。也可将钢 丝绳(21)连接到带有加载小车(19)的双向加载油缸(18)上，直接施加竖向拉力。如果 将与双向加载油缸(18)连接的钢丝绳(21)换成刚性加载杆，则可实现拉、压双向加载， 也可以采用拉压加载杆(4)与涡轮蜗杆副(5)相配合的方式实现拉、压双向加载。竖向拉 力也可通过滑轮机构(14)转化成水平拉力或弯矩，将水平力连接在弯矩加载杆(23)的施 力点时，便施加了结点弯矩，弯矩的大小为拉力与弯矩加载杆(23)长度的积。另外，可通 过调整可调杆件的长度产生相应的内力荷载。
5、数据采集分析部分采用多通道的计算机数据采集、分析系统，通过设置的拉压力传 感器、电阻应片、位移传感器等可直接测量各测点拉、压力及应变、位移，结点弯矩等，通 '过相应的分析软件可分析当前荷载下杆件应变、结点位移的理论值并与实测值相比较。
权利要求1、一种结构力学组合实验装置，机架采用由上、下横梁及左、右立柱组成的矩形框架结构，实验结构由支座、结点、杆件组成，加载采用杠杆加载、液压油缸加载、螺旋加载形式，可施加结点拉、压力及弯矩；拉、压力及弯矩通过拉压力传感器测量，应变通过粘贴在特征部位的电阻应变片测量，结点位移通过位移传感器测量，采用多通道的数据采集分析系统采集实验数据；其特征是结点盘采用剖分式结构，杆件安装在两片结点盘中，桁架与刚架采用相同的杆件，铰结点盘、刚结点盘与杆件的连接方式相同，可以互换安装，并设有结点盘安装定位板及在立柱上装有荷载换向滑轮机构。
2、 根据权利要求1所述的结构力学组合实验装置，其特征是在铰结点盘上设有弱连接。
3、 根据权利要求1所述的结构力学组合实验装置，其特征是支座上设有支座转动调整 螺钉。
4、 根据权利要求1所述的结构力学组合实验装置，其特征是杆件有定长杆与可调杆两 种形式。
专利摘要本实用新型涉及高等院校《结构力学》实验教学设备领域，产品主要应用于杆件结构中刚架、桁架及组合结构的实验教学中。本实用新型的主要特点在于结点盘采用剖分式结构，杆件安装在两片结点盘中，在铰结点盘上设置特定形状的弱连接，利用弱连接具有可传递较大轴力但只能传递很小弯矩的力学特性，得到较为理想的铰结点。通过选择合理的刚结点盘与杆件的连接方式，减小刚结点盘的尺寸效应对测试结果的影响，得到较为理想的刚结点。结点性质、支座性质转换方便。所有被测量均实现可应用计算机数据采集分析的电测量，计算机数据采集分析系统的应用不仅方便了数据采集，而且丰富了实验教学手段，有利于进行开放式的实验教学。
文档编号G09B25/00GK201285618SQ20082000297
公开日2009年8月5日 申请日期2008年1月30日 优先权日2008年1月30日
发明者吴江龙, 锟 董, 袁苗苗, 褚福运 申请人:烟台大学;烟台新天地试验技术有限公司