一种结构力学位移法实验装置及结构力学位移法演示方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于结构力学位移法教学演示的实验装置及利用该装置的结构力学位移法演示方法，包括基座1、施力阀门2、杆件结构3、底座支座4、角点支座5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表A10和千分表B11，所述的施力阀门2安装在基座1的侧面，所述的杆件结构3、底座支座4、角点支座5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表A10和千分表B11与所述的基座1之间可拆卸地配合使用。该装置操作简单、原理通俗易懂、与传统力学实验相结合且易于拆卸。
【专利说明】一种结构力学位移法实验装置及结构力学位移法演示方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于力学实验装置的【技术领域】，具体而言涉及一种演示结构力学位移法原理的实验装置及结构力学位移法演示方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]力学课程具有一定的理论性，在教学过程中，有时老师会结合实验的方式加深学生对某一知识点的理解。所以一款简单易懂的实验演示装置显得尤为重要。
[0005]目前，实验室中针对理论力学、材料力学的实验装置比较多且比较成熟。然而，在结构力学的教学中尚无高效易用的演示教具帮助学生理解一些基本的原理和方法。学生对于现阶段的结构力学教学内容感到艰深难以理解，兴趣平平。我们希望能够开发出一种较为简单直观的教学演示工具，通过形象生动的模型演示，增加课堂中学生与老师的互动，提高学生的学习热情。让枯燥乏味的理论知识能够快速深刻地被初学者接受和理解。
[0006]
【发明内容】
[0007]为了克服了现有技术中的不足，本发明提供了一种操作简单、原理通俗易懂以及与传统力学实验相结合且易于拆卸的实验装置。
`[0008]为了实现上述目的，本发明提供一种结构力学位移法实验装置，包括基座1、施力阀门2、杆件结构3、底座支座4、角点支座5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表AlO和千分表B11，所述的施力阀门2安装在基座I的侧面，所述的杆件结构3、底座支座4、角点支座
5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表AlO和千分表Bll与所述的基座I之间可拆卸地配合使用。
[0009]优选地，所述的杆件结构3由横杆、竖杆和大刚度连接件组成，横杆和竖杆分别与大刚度连接件可拆卸连接，大刚度连接件和角点支座5间可拆卸配合使用。
[0010]优选地，所述的横杆和竖杆采用相同的材质，横截面均为矩形截面，所述的大刚度连接件的刚度大于所述的横杆和竖杆，所述的竖杆的下端开有圆孔，所述的竖杆和底座支座4可拆卸配合使用。
[0011]优选地，所述的大刚度连接件上打有圆孔，所述的大刚度连接件通过螺栓与角点支座5可拆卸连接。
[0012]优选地，所述的结构力学位移法实验装置还包括砝码组8和钢丝绳9，所述的砝码组8悬挂在所述的横杆上，所述的钢丝绳9分别与底座支座4和定滑轮支座7配合使用。
[0013]优选地，所述基座I由底座和外框架组成,并采用钢材材质。
[0014]优选地，所述底座支座4由三组配套使用的螺栓和螺栓孔以及一个定滑轮组成，其中，中间的螺栓孔与所述的杆件结构3的竖杆下端开设的圆孔具有相同的尺寸；所述的角点支座5上设有一组配合使用的螺栓孔和螺栓，所述的角点支座5上的螺栓孔与杆件结构3的大刚度连接件上的圆孔具有相同的尺寸。
[0015]优选地，所述的结构力学位移法实验装置还包括应变片和电阻应变仪，所述的杆件结构3上设有三个由应变片构成的测量点a，b，c，每个测量点在杆的内外两侧贴上应变片，所述应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪。
[0016]优选地，所述的定向支座6包括横向部分和竖向部分，横向部分内部挖有“十”字形凹槽，所述的杆件结构3中的横杆和大刚度连接件的公共部分与所述的“十”字形凹槽滑动配合，所述的公共部分紧密贴合地装配在“十”字形凹槽内，所述的横向部分的外侧面开有两条竖直方向的浅槽，所述的竖向部分内侧的两条凸出体与所述的竖直方向的浅槽滑动配合。
[0017]本发明还提供了一种利用上述的结构力学位移法实验装置进行的结构力学位移法演示方法，其特征在于:包括以下步骤:
1)在杆件结构3上设三个测量点a、b和C，杆件的内外两侧贴上应变片，所述的应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪，所述的电阻应变仪通过测其应变值从而得到弯矩值；
2)拆除所有支座，仅装配底座支座4和千分表B11，并将底座支座4的外侧两组螺栓孔栓入螺栓，调节砝码组8至横杆中点附近位置，读出电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Ma，Mb, Mc,读出千分表Bll读数，记为Y ；
3)拆除所有支座，取下砝码组8，仅装配底座支座4、角点支座5和千分表A10，取下步骤2中底座支座4外侧两组螺栓，栓入底座支座4的螺栓将杆件结构3中的竖杆下端的圆孔和中间螺栓孔栓在一起，栓入框架支座5的螺栓将杆件结构3中的大刚度连接件和框架支座5栓在一起；顺时针转动施力阀门2，使得大刚度连接件绕着角点支座5的螺栓有一微小转动，读出千分表AlO的读数，记为XI`，则将Xl除以大刚度连接件上圆孔圆心至施力阀门2施力点间的垂直距离L，即可得到大刚度连接件转过的角度，记为A，单位rad，读出此时电阻应变仪读数，计算得到三个测量点的弯矩值，分别记为分别记为Ma1、Mbl和Md，分别将MaUMbl 和 Mcl 除以 A，得至Ij Mal，、Mbl，和 Md，；
4)拆除所有支座，松开施力阀门2，装配底座支座4、定向支座6、定滑轮支座7和千分表B11，底座支座4仅在两组外侧的螺栓孔栓入螺栓，将钢丝绳9的一端固定在杆件结构3的竖杆的下端，绕过底座支座4的定滑轮，再绕过定滑轮支座7的定滑轮，钢丝绳9的另一端挂载砝码，使得竖杆在竖直方向上有一微小位移，读出千分表Bll的读数，记为X2，读出此时电阻应变仪读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Ma2、Mb2和Mc2，分别将Ma2、Mb2 和 Mc2 除以 X2，得至Ij Ma2，、Mb2，和 Mc2，；
5)拆除所有支座，仅装配底座支座4和定向支座6，底座支座4栓入中间螺栓孔的螺栓，将相同质量的砝码组8挂载于与步骤2中的相同位置处，读出此时电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Map、Mbp和Mcp ；
6)根据结构力学位移法原理，由
Ma=Sl*Mal’ +S2*Ma2’ +Map, Mb=Sl*Mbl’ +S2*Mb2’ +Mbp,
Mc=Sl*Mcl’ +S2*Mc2’ +Mcp三个方程式组成的方程组，其中，SI和S2分别代表位移法中角位移与线位移未知量，由其中任意两个方程式解出未知数SI和S2的值，第三个方程式用来对比误差的大小；
7)在误差允许的范围内，对比S2的值和步骤2中的Y值是否一致，上述过程通过利用该实验装置演示了结构力学位移法的原理。
[0018]本发明的有益效果:该实验装置首先弥补了目前结构力学位移法实验装置的空缺；其次，该装置结构原理简单，各组件易于拆卸，只需更换相应支座，便可实现一个框架下多种不同约束条件的传统力学实验模拟。
[0019]
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明实验装置的整体结构示意图 图2是本发明的杆件结构的结构示意图
图3是本发明的底座支座的结构意图 图4是本发明的定向支座的结构示意图
【具体实施方式】
[0021]为使本发明实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
[0022]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
如图1所示，结构力学位移法实验装置包括基座1、施力阀门2、杆件结构3、底座支座
4、角点支座5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表AlO和千分表B11，所述的施力阀门2安装在基座I的侧面，所述的杆件结构3、底座支座4、角点支座5、定向支座6、定滑轮支座7、千分表AlO和千分表Bll与所述的基座I之间可拆卸地配合使用。
[0023]如图2所示，杆件结构3由横杆、竖杆和大刚度连接件组成，横杆和竖杆分别与大刚度连接件可拆卸连接，大刚度连接件和角点支座5间可拆卸配合使用。横杆和竖杆采用相同的材质，横截面均为矩形截面，所述的大刚度连接件的刚度大于所述的横杆和竖杆，所述的竖杆的下端开有圆孔，所述的竖杆和底座支座4可拆卸配合使用。大刚度连接件上打有圆孔，所述的大刚度连接件通过螺栓与角点支座5可拆卸连接。结构力学位移法实验装置还包括砝码组8和钢丝绳9，所述的砝码组8悬挂在所述的横杆上，所述的钢丝绳9分别与底座支座4和定滑轮支座7配合使用。
[0024]如图3所示，所述基座I由底座和外框架组成,并采用钢材材质。底座支座4由三组配套使用的螺栓和螺栓孔以及一个定滑轮组成，其中，中间的螺栓孔与所述的杆件结构3的竖杆下端开设的圆孔具有相同的尺寸；所述的角点支座5上设有一组配合使用的螺栓孔和螺栓，所述的角点支座5上的螺栓孔与杆件结构3的大刚度连接件上的圆孔具有相同的尺寸。
[0025]结构力学位移法实验装置还包括应变片和电阻应变仪，所述的杆件结构3上设有三个由应变片构成的测量点a，b，c，每个测量点在杆的内外两侧贴上应变片，所述应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪。[0026]如图4所示，所述定向支座6有两个组成部分，横向与竖向部分。横向部分内部挖有“十”字形凹槽，该凹槽与杆件结构3中横杆和大刚度连接件的公共部分的横截面吻合，且装配后可紧密贴合，并可自由滑动。横向部分的外侧竖直方向上开有两条浅槽，与竖向部分内部的两条凸出体相吻合，且装配后也紧密贴合，并能沿竖向滑动。整个定向支座6装配后，可使得杆件结构3中的大刚度连接件只发生横方向和竖方向上的微小线位移而不发生任何角位移。
[0027]利用上述结构力学位移法实验装置进行的结构力学位移法演示实验，通过以下步骤进行:
1)在杆件结构3上设三个测量点a、b和C，杆件的内外两侧贴上应变片，所述的应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪，所述的电阻应变仪通过测其应变值从而得到弯矩值；
2)拆除所有支座，仅装配底座支座4和千分表B11，并将底座支座4的外侧两组螺栓孔栓入螺栓，调节砝码组8至横杆中点附近位置，读出电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Ma，Mb, Mc,读出千分表Bll读数，记为Y ；
3)拆除所有支座，取下砝码组8，仅装配底座支座4、角点支座5和千分表A10，取下步骤2中底座支座4外侧两组螺栓，栓入底座支座4的螺栓将杆件结构3中的竖杆下端的圆孔和中间螺栓孔栓在一起，栓入框架支座5的螺栓将杆件结构3中的大刚度连接件和框架支座5栓在一起；顺时针转动施力阀门2，使得大刚度连接件绕着角点支座5的螺栓有一微小转动，读出千分表AlO的读数，记为XI，则将Xl除以大刚度连接件上圆孔圆心至施力阀门2施力点间的垂直距离L，即可得到大刚度连接件转过的角度，记为A，单位rad，读出此时电阻应变仪读数，计算得到三个测量点的弯矩值，分别记为分别记为Ma1、Mbl和Md，分别将MaUMbl 和 Mcl 除以 A，得到 Mal’、Mbl’ 和 Md’ ；
4)拆除所有支座，松开施力阀门2，装配底座支座4、定向支座6、定滑轮支座7和千分表B11，底座支座4仅在两组外侧的螺栓孔栓入螺栓，将钢丝绳9的一端固定在杆件结构3的竖杆的下端，绕过底座支座4的定滑轮，再绕过定滑轮支座7的定滑轮，钢丝绳9的另一端挂载砝码，使得竖杆在竖直方向上有一微小位移，读出千分表Bll的读数，记为X2，读出此时电阻应变仪读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Ma2、Mb2和Mc2，分别将Ma2、Mb2 和 Mc2 除以 X2，得到 Ma2’、Mb2’ 和 Mc2’ ；
5)拆除所有支座，仅装配底座支座4和定向支座6，底座支座4栓入中间螺栓孔的螺栓，将相同质量的砝码组8挂载于与步骤2中的相同位置处，读出此时电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Map、Mbp和Mcp ；
6)根据结构力学位移法原理，由
Ma=Sl*Mal’ +S2*Ma2’ +Map, Mb=Sl*Mbl’ +S2*Mb2’ +Mbp,
Mc=Sl*Mcl’ +S2*Mc2’ +Mcp三个方程式组成的方程组，其中，SI和S2分别代表位移法中角位移与线位移未知量，由其中任意两个方程式解出未知数SI和S2的值，第三个方程式用来对比误差的大小；
7)在误差允许的范围内，对比S2的值和步骤2中的Y值是否一致，上述过程通过利用该实验装置演示了结构力学位移法的原理。
[0028]以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明 构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:包括基座(1)、施力阀门(2)、杆件结构(3)、底座支座(4)、角点支座(5)、定向支座(6)、定滑轮支座(7)、千分表A(10)和千分表B(11)，所述的施力阀门(2)安装在基座(1)的侧面，所述的杆件结构(3)、底座支座(4)、角点支座(5)、定向支座(6)、定滑轮支座(7)、千分表A (10)和千分表B (11)与所述的基座(1)之间可拆卸地配合使用。
2.根据权利要求1所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的杆件结构(3)由横杆、竖杆和大刚度连接件组成，横杆和竖杆分别与大刚度连接件可拆卸连接，大刚度连接件和角点支座(5)间可拆卸配合使用。
3.根据权利要求2所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的横杆和竖杆采用相同的材质，横截面均为矩形截面，所述的大刚度连接件的刚度大于所述的横杆和竖杆，所述的竖杆的下端开有圆孔，所述的竖杆和底座支座(4)可拆卸配合使用。
4.根据权利要求2所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的大刚度连接件上打有圆孔，所述的大刚度连接件通过螺栓与角点支座(5)可拆卸连接。
5.根据权利要求3或4所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的结构力学位移法实验装置还包括砝码组(8)和钢丝绳(9)，所述的砝码组(8)悬挂在所述的横杆上，所述的钢丝绳(9 )分别与底座支座(4 )和定滑轮支座(7 )配合使用。
6.根据权利 要求1所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述基座(1)由底座和外框架组成，并采用钢材材质。
7.根据权利要求5所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述底座支座(4)由三组配套使用的螺栓和螺栓孔以及一个定滑轮组成，其中，中间的螺栓孔与所述的杆件结构(3)的竖杆下端开设的圆孔具有相同的尺寸；所述的角点支座(5)上设有一组配合使用的螺栓孔和螺栓，所述的角点支座(5)上的螺栓孔与杆件结构(3)的大刚度连接件上的圆孔具有相同的尺寸。
8.根据权利要求5所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的结构力学位移法实验装置还包括应变片和电阻应变仪，所述的杆件结构(3)上设有三个由应变片构成的测量点a，b，c，每个测量点在杆的内外两侧贴上应变片，所述应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种结构力学位移法实验装置，其特征在于:所述的定向支座(6)包括横向部分和竖向部分,横向部分内部挖有“十”字形凹槽,所述的杆件结构(3)中的横杆和大刚度连接件的公共部分与所述的“十”字形凹槽滑动配合，所述的公共部分紧密贴合地装配在“十”字形凹槽内，所述的横向部分的外侧面开有两条竖直方向的浅槽，所述的竖向部分内侧的两条凸出体与所述的竖直方向的浅槽滑动配合。
10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的结构力学位移法实验装置进行的结构力学位移法演示方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)在杆件结构(3)上设三个测量点a、b和C，杆件的内外两侧贴上应变片，所述的应变片通过半桥电路连接至电阻应变仪，所述的电阻应变仪通过测其应变值从而得到弯矩值； 2)拆除所有支座，仅装配底座支座(4)和千分表B(11)，并将底座支座(4)的外侧两组螺栓孔栓入螺栓，调节砝码组(8)至横杆中点附近位置，读出电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Ma，Mb, Mc,读出千分表B(Il)读数，记为Y ；3)拆除所有支座，取下砝码组(8)，仅装配底座支座(4)、角点支座(5)和千分表A( 10)，取下步骤2)中底座支座(4)外侧两组螺栓，栓入底座支座(4)的螺栓将杆件结构(3)中的竖杆下端的圆孔和中间螺栓孔栓在一起，栓入框架支座(5)的螺栓将杆件结构(3)中的大刚度连接件和框架支座(5)栓在一起；顺时针转动施力阀门(2)，使得大刚度连接件绕着角点支座(5)的螺栓有一微小转动，读出千分表A (10)的读数，记为XI，则将Xl除以大刚度连接件上圆孔圆心至施力阀门(2)施力点间的垂直距离L，即可得到大刚度连接件转过的角度，记为A，单位rad，读出此时电阻应变仪读数，计算得到三个测量点的弯矩值，分别记为分另Ij记为Mal、MbI和McI，分别将Mal、MbI和McI除以A，得到Mai’、MbI’和McI’ ； 4)拆除所有支座，松开施力阀门(2 )，装配底座支座(4 )、定向支座(6 )、定滑轮支座(7 )和千分表B (11)，底座支座(4)仅在两组外侧的螺栓孔栓入螺栓，将钢丝绳(9)的一端固定在杆件结构(3)的竖杆的下端,绕过底座支座(4)的定滑轮,再绕过定滑轮支座(7)的定滑轮，钢丝绳(9)的另一端挂载破码,使得竖杆在竖直方向上有一微小位移，读出千分表B (11)的读数，记为X2，读出此时电阻应变仪读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为1&12、]\&2和]^2，分别将1&12、]\&2和]^2除以父2，得到]\&12’、]\&2’ 和 Mc2’ ； 5)拆除所有支座，仅装配底座支座(4 )和定向支座(6 )，底座支座(4 )栓入中间螺栓孔的螺栓，将相同质量的砝码组(8)挂载于与步骤2)中的相同位置处，读出此时电阻应变仪所示的应变值读数，计算得出三测量点的弯矩值，分别记为Map、Mbp和Mcp ； 6)根据结构力学位移法原理，由
Ma=Sl*Mal’ +S2*Ma2’ +Map, Mb=Sl*Mbl’ +S2*Mb2’ +Mbp, Mc=Sl*Mcl’ +S2*Mc2’ +Mcp三个方程式组成的方程组，其中，SI和S2分别代表位移法中角位移与线位移未知量，由其中任意两个方程式解出未知数SI和S2的值，第三个方程式用来对比误差的大小； 7)在误差允许的范围内，对 比S2的值和步骤2)中的Y值是否一致，上述过程通过利用该实验装置演示了结构力学位移法的原理。
【文档编号】G09B23/10GK103761910SQ201410013713
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月13日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】吴有奇, 张健飞, 梁虹, 王博文 申请人:河海大学