一种材料力学变形应力演示教具的制作方法

本发明属于教具领域，涉及一种演示教具，特别是一种材料力学变形应力演示教具。

背景技术：

材料力学是机械类、土木类各专业一门重要的学科基础课，也是一门比较抽象的课程，尤其是拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲四大基本变形应力部分的内容，如不采用比较形象的描述和解释方法，则很难真正理解。例如一个简单的杆件剪切变形，学生可能比较容易明白剪切变形的变形特点，但要让其去真正理解杆件截面剪切应力分布，他们就会感觉有些力不从心。因此，在材料力学的授课过程中采用简单形象的教学辅助工具演示力学基本理论知识无疑是一种很好的教学手段，既形象生动，又能提高学生的学习兴趣和参与热情。针对学生在材料力学学习四大变形应力过程中的学习需要，开发相关演示教具，让老师或学生自己动手演示并观察杆件的四大基本变形及其应力分布情况，提高学生在课程学习过程中的参与热情与学习兴趣。

针对学生在学习四大变形应力过程中碰到的问题，且通过对实体市场与淘宝网等网络销售平台调查发现现在市面上单独演示这四种基本变形的应力演示实物模型少之又少，而把这四种基本变形的应力演示集中于一个模型的演示教具在市场上并没有搜索到。

所以，对于本领域内的技术人员，还有待研发一种能够直观的将拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲四大基本变形特点展现在学生面前，激发学生的兴趣，突出教学的重点，优化教学课堂结构，能有效的提高教学质量和效率。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种材料力学变形应力演示教具，本材料力学变形应力演示教具具有能够直观的对拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲基本变形特点进行展现。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种材料力学变形应力演示教具，包括教具杆件，其特征在于，所述的教具杆件包括杆件一、杆件二和杆件三，所述的杆件一沿长度方向开设有圆形通孔一，所述的杆件二沿长度方向开设有圆形通孔二，所述的杆件三沿长度方向开设有圆形通孔三，所述的杆件三的一端套设在杆件一上，杆件三的另一端固定有遮盘，杆件二的一端固定有弹簧固定件一，所述的弹簧固定件一的一侧面上开设有圆形凹槽，所述的圆形凹槽内固定有轴承，轴承的内圈上固定有轴一，所述的杆件三的圆形通孔三上固定有弹簧固定件二，弹簧固定件二与弹簧固定件一相互平行，所述的弹簧固定件二上开设有穿出孔，所述的杆件一上设置有轴二，所述的轴二穿设在穿出孔上，且轴二与穿出孔间隙配合，所述的轴一和轴二上套设有调节弹簧，所述的调节弹簧的一端固定在弹簧固定件一上，调节弹簧的另一端固定在弹簧固定件二上，所述的杆件三上的外壁上开设有与圆形通孔三相通的缺口，所述的杆件一的外表面上固定有拉伸表；所述的轴二穿出弹簧固定件二的一端固定有扭转表盘，且扭转表盘位于遮盘和弹簧固定件二之间；所述的杆件一和杆件二之间还设置有能够演示弯曲应力的弯曲应力演示组件；所述的杆件二的另一端设置有能够演示剪切应力的剪切应力演示组件。

拉伸或压缩应力演示：当杆件三受到拉压外力的作用时，利使代表应力方向的拉伸表进入杆件三的缺口视野内，调节弹簧产生弹性形变，形变后的调节弹簧自身会产生使自己恢复形变的弹力，弹力的方向与外力方向相反，当我们将外力撤除时弹簧的弹力就能使教具恢复到初始状态；扭转应力演示：当杆件三受到扭转外力偶矩作用时，杆件三带动遮盘扭转，从而使扭转表盘上的部分表示应力方向的箭头从遮盘的遮挡部位移出进入视野，扭转杆件三的同时带动调节弹簧发生扭转形变，当扭转外力撤消时调节弹簧恢复到初始状态并带动遮盘扭转，使扭转表盘上代表应力方向的箭头重新进入被遮盘遮挡的部位；通过弯曲应力演示组件能够对弯曲应力进行演示，通过剪切应力演示组件能够对剪切应力进行演示。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的剪切应力组件包括杆件四、杆件五、剪切弹簧一和剪切弹簧二，所述的杆件四的一端固定在杆件二上，且杆件四的另一端开设有有安装槽一，所述的剪切弹簧一位于安装槽一内，所述的杆件五朝向杆件四的一端开设有安装槽二，所述的剪切弹簧二位于安装槽二内，所述的杆件四和杆件五通过支架相连接。杆件四和杆件五通过支架连接，在且在支架的作用下，从而能够使对剪切弹簧一和剪切弹簧二进行挤压，从而能够实现对剪切应力的演示。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的支架包括封闭挡片一、封闭挡片二、定位条一和定位条二，所述的封闭挡片一和封闭挡片二均呈圆形，封闭挡片一固定在杆件四上，所述的封闭挡片二固定在杆件五上，且封闭挡片一和封闭挡片二相互平行，所述的封闭挡片一的上开设有滑槽一，封闭挡片二上开设有滑槽二；所述的定位条一和定位条二相互平行，定位条一和封闭挡片一相互垂直，定位条一的两端穿出滑槽一和滑槽二，定位条一的两端穿出滑槽一和滑槽二，剪切弹簧一位于定位条一和定位条二之间，且剪切弹簧一的两端分别固定在定位条一和定位条二位于杆件四的一端上，剪切弹簧二位于定位条一和定位条二之间，且剪切弹簧二的两端分别固定在定位条一和定位条二位于杆件五的一端上。

杆件五在外力的作用下，当杆件五相对杆件四向下按压时，定位条一相对封闭挡片一向下运动，定位条二相对封闭挡片二向上运动，从而能够对剪切弹簧一和剪切弹簧二挤压，实现杆件五相对杆件四沿剪切面方向发生相对向下错动；当杆件五相对杆件四向上推压时，定位条一相对封闭挡片二向下运动，定位条二相对封闭挡片一向上运动，从而能够对剪切弹簧一和剪切弹簧二挤压，实现杆件五相对杆件四沿剪切面方向发生相对向上错动。

当撤去施加在杆件五上的外力后，剪切弹簧一和剪切弹簧二就会恢复到初始状态，从而使发生位移错位的杆件五恢复到原来位置。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的封闭挡片一背向封闭挡片二的一侧面上固定有限位条一和限位条二，所述的限位条一和限位条二位于滑槽一的两侧，所述的封闭挡片二背向封闭挡片一的一侧面上固定有限位条三和限位条四，所述的限位条一和限位条二位于滑槽二的两侧。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的弯曲应力组件包括铰接件，铰接件的一端固定在轴二上，铰接件的另一端铰接在轴一上。铰接件的另一端固定在轴二上，能够使铰接件与轴一进行一定角度的转动，且铰接件的一端固定在轴二上，间接实现轴二与轴一进行转动。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的铰接件上沿长度方向开设有连接孔一，所述的轴二上沿长度方向开设有连接孔二，连接孔一和连接孔二孔径相等，所述的连接孔一内穿设有销轴，所述的销轴的另一端位于连接孔二内，且销轴位于连接孔二的一端还开设有螺纹孔一，轴二上开设有螺纹孔二，螺纹孔一和螺纹孔二上穿设有螺栓，且螺栓穿出轴二的一端通过螺母固定。销轴穿位于连接孔一和连接孔二上，从而能够实现轴二与铰接件的连接，且通过螺栓穿过螺纹孔一和螺纹孔二，从而能够实现将销轴固定在轴二上，从而能够实现将铰接件固定在轴二上。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的弯曲应力组件还包括塑料折管，所述的塑料折管的两端分别固定在杆件一和杆件二上，且塑料折管套设在铰接件上，所述的塑料折管上固定有弯曲表盘，所述的杆件二上开设有卡槽一，所述的卡槽一上卡设有连接杆一，所述的连接杆一的另一端固定有遮片一，所述的杆件三上开设有槽二，所述的卡槽二上卡设有连接杆二，所述的连接杆二的另一端固定有遮片二，所述的遮片一和遮片二均转动设置在弯曲表盘上，且遮片一位于遮片二的下方。

在外力的作用下，通过杆件一和杆件二之间的塑料折管，从而能够使使杆件一和杆件二发生弯曲形变，使轴二通过铰接件与轴一随之发生转动时，调节弹簧也发生弯曲形变，在杆件一和杆件二发生弯曲形变时，套设在杆件一上的杆件三通过连接杆一能够带动遮片一相对弯曲表盘转动，同时，杆件二通过连接杆一能够带动遮片二相对弯曲表盘转动，从而来表示弯曲应力变化特征；同时，撤除外力后，调节弹簧恢复到初始状态，从而带动遮挡片一和遮挡片二相互合拢是显露的表盘再次隐藏在遮挡片一和遮挡片二下面。

在上述材料力学变形应力演示教具中，所述的教具杆件采用市场上常用的pvc材料即聚氯乙烯，有较好的机械性能抗拉强度55～65mpa，冲击强度5～10kj/m²。

与现有技术相比，本材料力学变形应力演示教具具有以下优点：本发明集合对拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲多种变形应力演示于一身，保证整体结构简单，从而来降低制造成本；同时，在演示过程中，操作简单，具有立体直观的力学变形、应力演示效果，保证变形应力演示简单、明了、易懂。

附图说明

图1是本发明的正视结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是本发明的右视结构示意图；

图4是本发明的剖视结构示意图；

图5是本发明中扭转表盘的结构示意图；

图6是本发明中遮片一的结构示意图；

图7是本发明中架体的结构示意图。

图中，1、杆件一；2、杆件二；3、杆件三；4、遮盘；5、弹簧固定件一；6、轴一；7、弹簧固定件二；8、轴二；9、拉伸表；10、扭转表盘；11、杆件四；12、杆件五；13、调节弹簧；14、剪切弹簧一；15、剪切弹簧二；16、支架；16a、封闭挡片一；16b、封闭挡片二；16c、定位条一；16d、定位条二；17、限位条一；18、限位条二；19、限位条三；20、限位条四；21、铰接件；22、销轴；23、塑料折管；24、遮片一；25、遮片二；26、弯曲表盘；27、连接杆一；28、连接杆二。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图3所示，一种材料力学变形应力演示教具，包括教具杆件，教具杆件采用市场上常用的pvc材料即聚氯乙烯，有较好的机械性能抗拉强度55～65mpa，冲击强度5～10kj/m²，在实际应用过程中，教具杆件的机械性能抗拉强度65mpa，冲击强度8kj/m²。教具杆件包括杆件一1、杆件二2和杆件三3。杆件一1沿长度方向开设有圆形通孔一，杆件二2沿长度方向开设有圆形通孔二，杆件三3沿长度方向开设有圆形通孔三，杆件三3的一端套设在杆件一1上，杆件三3的另一端固定有遮盘4。杆件三3上的外壁上开设有与圆形通孔三相通的缺口，杆件一1的外表面上固定有拉伸表9。

如图4所示，杆件二2的一端固定有弹簧固定件一5，弹簧固定件一5的一侧面上开设有圆形凹槽，圆形凹槽内固定有轴承，轴承的内圈上固定有轴一6，杆件三3的圆形通孔三上固定有弹簧固定件二7，弹簧固定件二7与弹簧固定件一5相互平行，弹簧固定件二7上开设有穿出孔，杆件一1上设置有轴二8，轴二8穿设在穿出孔上，且轴二8与穿出孔间隙配合，轴一6和轴二8上套设有调节弹簧13，调节弹簧13的一端固定在弹簧固定件一5上，调节弹簧13的另一端固定在弹簧固定件二7上。如图5所示，轴二8穿出弹簧固定件二7的一端固定有扭转表盘10，且扭转表盘10位于遮盘4和弹簧固定件二7之间。

杆件一1和杆件二2之间还设置有能够演示弯曲应力的弯曲应力演示组件，弯曲应力组件包括铰接件21，铰接件21的一端固定在轴二8上，铰接件21的另一端铰接在轴一6上。铰接件21的另一端固定在轴二8上，能够使铰接件21与轴一6进行一定角度的转动，且铰接件21的一端固定在轴二8上，间接实现轴二8与轴一6进行转动。铰接件21上沿长度方向开设有连接孔一，轴二8上沿长度方向开设有连接孔二，连接孔一和连接孔二孔径相等，所述的连接孔一内穿设有销轴22，所述的销轴22的另一端位于连接孔二内，且销轴22位于连接孔二的一端还开设有螺纹孔一，轴二8上开设有螺纹孔二，螺纹孔一和螺纹孔二上穿设有螺栓，且螺栓穿出轴二8的一端通过螺母固定。销轴22穿位于连接孔一和连接孔二上，从而能够实现轴二8与铰接件21的连接，且通过螺栓穿过螺纹孔一和螺纹孔二，从而能够实现将销轴22固定在轴二8上，从而能够实现将铰接件21固定在轴二8上。

如图2和图6所示，弯曲应力组件还包括塑料折管23，塑料折管23的两端分别固定在杆件一1和杆件二2上，且塑料折管23套设在铰接件21上，所述的塑料折管23上固定有弯曲表盘26，杆件二2上开设有卡槽一，卡槽一上卡设有连接杆一27，连接杆一27的另一端固定有遮片一24，杆件三3上开设有槽二，卡槽二上卡设有连接杆二28，连接杆二28的另一端固定有遮片二25，遮片一24和遮片二25均转动设置在弯曲表盘26上，且遮片一24位于遮片二25的下方。

在外力的作用下，通过杆件一1和杆件二2之间的塑料折管23，从而能够使使杆件一1和杆件二2发生形变，使轴二8通过铰接件21与轴一6随之发生转动时，调节弹簧13也发生形变，在杆件一1和杆件二2发生弯曲形变时，套设在杆件一1上的杆件三3通过连接杆一27能够带动遮片一24相对弯曲表盘26转动，同时，杆件二2通过连接杆一27能够带动遮片二25相对弯曲表盘26转动，从而来表示弯曲应力变化特征；同时，撤除外力后，调节弹簧13恢复到初始状态，从而带动遮挡片一和遮挡片二相互合拢是显露的表盘再次隐藏在遮挡片一和遮挡片二下面。

杆件二2的另一端设置有能够演示剪切应力的剪切应力演示组件。剪切应力组件包括杆件四11、杆件五12、剪切弹簧一14和剪切弹簧二15，杆件四11的一端固定在杆件二2上，且杆件四11的另一端开设有有安装槽一，剪切弹簧一14位于安装槽一内，杆件五12朝向杆件四11的一端开设有安装槽二，剪切弹簧二15位于安装槽二内，杆件四11和杆件五12通过支架16相连接。杆件四11和杆件五12通过支架16连接，在且在支架16的作用下，从而能够使对剪切弹簧一14和剪切弹簧二15进行挤压，从而能够实现对剪切应力的演示。

如图7所示，支架16包括封闭挡片一16a、封闭挡片二16b、定位条一16c和定位条二16d。封闭挡片一16a和封闭挡片二16b均呈圆形，封闭挡片一16a固定在杆件四11上，封闭挡片二16b固定在杆件五12上，且封闭挡片一16a和封闭挡片二16b相互平行，封闭挡片一16a的上开设有滑槽一，封闭挡片二16b上开设有滑槽二；定位条一16c和定位条二16d相互平行，定位条一16c和封闭挡片一16a相互垂直，定位条一16c的两端穿出滑槽一和滑槽二，定位条一16c的两端穿出滑槽一和滑槽二，剪切弹簧一14位于定位条一16c和定位条二16d之间，且剪切弹簧一14的两端分别固定在定位条一16c和定位条二16d位于杆件四11的一端上，剪切弹簧二15位于定位条一16c和定位条二16d之间，且剪切弹簧二15的两端分别固定在定位条一16c和定位条二16d位于杆件五12的一端上。

封闭挡片一16a背向封闭挡片二16b的一侧面上固定有限位条一17和限位条二18，所述的限位条一17和限位条二18位于滑槽一的两侧，所述的封闭挡片二16b背向封闭挡片一16a的一侧面上固定有限位条三19和限位条四20，限位条一17和限位条二18位于滑槽二的两侧。

拉伸或压缩应力演示：当杆件三3受到拉压外力的作用时，利使代表应力方向的拉伸表9进入杆件三3的缺口视野内，调节弹簧13产生弹性形变，形变后的调节弹簧13自身会产生使自己恢复形变的弹力，弹力的方向与外力方向相反，当我们将外力撤除时弹簧的弹力就能使教具恢复到初始状态。

扭转应力演示：当杆件三3受到扭转外力偶矩作用时，杆件三3带动遮盘4扭转，从而使扭转表盘10上的部分表示应力方向的箭头从遮盘4的遮挡部位移出进入视野，扭转杆件三3的同时带动调节弹簧13发生扭转形变，当扭转外力撤消时调节弹簧13恢复到初始状态并带动遮盘4扭转，使扭转表盘10上代表应力方向的箭头重新进入被遮盘4遮挡的部位。

弯曲应力演示：在外力的作用下，通过杆件一1和杆件二2之间的塑料折管23，从而能够使使杆件一1和杆件二2发生弯曲形变，使轴二8通过铰接件21与轴一6随之发生转动时，调节弹簧13也发生弯曲形变，在杆件一1和杆件二2发生弯曲形变时，套设在杆件一1上的杆件三3通过连接杆一27能够带动遮片一24相对弯曲表盘26转动，同时，杆件二2通过连接杆一27能够带动遮片二25相对弯曲表盘26转动，从而来表示弯曲应力变化特征；同时，撤除外力后，调节弹簧13恢复到初始状态，从而带动遮挡片一和遮挡片二相互合拢是显露的表盘再次隐藏在遮挡片一和遮挡片二下面。

剪切应力演示：当杆件五12相对杆件四11向下按压时，定位条一16c相对封闭挡片一16a向下运动，定位条二16d相对封闭挡片二16b向上运动，从而能够对剪切弹簧一14和剪切弹簧二15挤压，实现杆件五12相对杆件四11沿剪切面方向发生相对向下错动；当杆件五12相对杆件四11向上推压时，定位条一16c相对封闭挡片二16b向下运动，定位条二16d相对封闭挡片一16a向上运动，从而能够对剪切弹簧一14和剪切弹簧二15挤压，实现杆件五12相对杆件四11沿剪切面方向发生相对向上错动；同时，当撤去施加在杆件五12上的外力后，剪切弹簧一14和剪切弹簧二15就会恢复到初始状态，从而使发生位移错位的杆件五12恢复到原来位置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了1、杆件一；2、杆件二；3、杆件三；4、遮盘；5、弹簧固定件一；6、轴一；7、弹簧固定件二；8、轴二；9、拉伸表；10、扭转表盘；11、杆件四；12、杆件五；13、调节弹簧；14、剪切弹簧一；15、剪切弹簧二；16、支架；16a、封闭挡片一；16b、封闭挡片二；16c、定位条一；16d、定位条二；17、限位条一；18、限位条二；19、限位条三；20、限位条四；21、铰接件；22、销轴；23、塑料折管；24、遮片一；25、遮片二；26、弯曲表盘；27、连接杆一；28、连接杆二等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。