温度应力试验装置的制作方法

本发明涉及材料力学实验教学的技术领域。

背景技术：

温度变化将引起构件的膨胀或收缩，是日常生活以及工程中常见的物理现象。静定结构当温度变化时由于可以自由变形，并不会引起构件的产生内力，但对于超静定结构由于构件变形受到部分或全部约束，温度的变化就要引起内力及应力，即所谓温度应力。

目前关于温度应力的测量特别是不同类型的膨胀节对温度应力的降低作用的专门教学演示试验装置还很少见。难以满足课堂上讲演需要，因此需要设计一种能够演示温度变化所引起的构件膨胀或收缩的实验装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是实现一种可以帮助学习材料力学的学生加深理解“温度应力的来源，以及不同类型膨胀节减缓温度应力(内力)的原理”。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：温度应力试验装置，底座上固定有两根立柱，待测量空心杆件一端通过可拆卸的方式固定在其中一根立柱上，所述待测量空心杆件内部放置有加热器和热电偶，另一根立柱上设有螺旋传动组件，所述螺旋传动组件包括固定在立柱上的导向套和可旋转的螺母、驱动所述螺母旋转的手轮、置于螺母内的螺杆，所述螺杆一端设有多边形的支撑杆，所述支撑杆穿过所述导向套的多边形孔，所述待测量空心杆件的另一端与支撑杆端部之间夹持有传力构件，所述传力构件与支撑杆端部之间设有压力传感器，两根所述立柱之间设有百分表位移计，所述百分表位移计测量端接触待测量空心杆件侧向伸出的翻边结构测量杆件的轴向变化位移。

所述待测量空心杆件外设有保温层，所述加热器位于待测量空心杆件的一端，所述热电偶位于待测量空心杆件的另一端。

所述待测量空心杆两端均设有法兰盘，其中一端的法兰盘上设有安装孔，并通过该安装孔将待测量空心杆固定在立柱上，另一端的法兰盘与百分表位移计的测量端接触。

两根所述立柱顶端通过横梁连接。

所述待测量空心杆中段设有膨胀节。

所述传力构件为中空管结构且中部设有隔板，所述传力构件一端接触待测量空心杆件端面，所述支撑杆端部伸入到述传力构件另一端内，所述压力传感器安装在隔板上。

两根所述立柱之间设有位移计导轨，所述百分表位移计通过滑套固定在位移计导轨上，所述位移计导轨与滑套之间设有锁止机构。

基于所述温度应力试验装置的线性膨胀系数实验方法：

1)将热电偶和电加热器放置到待测量空心杆件内；

2)将待测量空心杆件固定到立柱上；

3)转动手轮使得传力构件不接触待测量空心杆件，让待测量空心杆件可以自由伸长；

4)固定好百分表位移计，使百分表位移计具有一个初始读数；

5)测量出杆件的有效长度l，记录测温热电偶的读数以记录环境温度t0；

6)给加热器通电，观察并记录达到热电偶的温度读数t与百分表位移计的读数δlti；

7)根据获取的参数计算线膨胀系数的测量值。

基于所述温度应力试验装置的温度应力实验方法：

1)将热电偶和电加热器放置到待测量空心杆件内；

2)将待测量空心杆件固定到立柱上；

3)转动手轮使得传力构件接触待测量空心杆件，使得待测量空心杆件的两端均固定；

4)给加热器通电，同时记录热电偶与压力传感器的读数，并记录多组；

5)在记录每组数据时，转动手轮，给待测量空心杆件轴向载荷，使杆件压缩至原长时，记录此温度下相应的压力传感器的数值；

6)根据获取的参数计算温度应力的测量值。

本发明的优点在于可以帮助学生学习材料力学课程，理解以下3条规律(1)说明温度应力的产生原因及温度应力测量；(2)线膨胀系数测量；(2)采用膨胀节减缓构件温度应力(内力)的原理以及不同结构形式的膨胀节对构件温度应力的降低效果。此外还可以开展线膨胀系数测定(热变形伸长量)，温度应力(内力)的测量。

附图说明

下面对本发明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为温度应力试验装置结构示意图；

图2、3为图1中传力构件结构示意图；

图4为图1中螺旋传动组件结构示意图；

图5、6为图1中待测量空心杆件结构示意图；

图7、8为具有膨胀节的待测量空心杆件结构示意图；

上述图中的标记均为：1、底座，2、立柱，3、横梁，4、螺杆，5、手轮，6、螺母，7、导向套，8、压力传感器，9、传力构件，10、热电偶，11、保温层，12、加热器，13、位移计导轨，14、百分表位移计，15、待测量空心杆件。

具体实施方式

如图1所示，温度应力试验装置底座1上固定有两根立柱2，立柱2与底座11之间通过直角连接肋板由螺钉连接，为确保两根立柱2固定的可靠性，两根立柱2顶端通过横梁3连接，横梁3与立柱2之间也通过直角连接肋板由螺钉连接。

待测量空心杆件15为试验器具，可以根据需要更换不同的型号或材质的杆件，待测量空心杆件15的材质需要采用导热效果好的金属，如铝材，为了避免过大的温度应力，在管道中增加伸缩节，可以将待测量空心杆换为有膨胀节的待测构件，如图7、8所示。

待测量空心杆件15一端通过可拆卸的方式固定在其中一根立柱2上，可拆卸的结构方便更换安装，可以采用卡接，也可以采用如图5、6所示，待测量空心杆两端均设有法兰盘，其中一端的法兰盘上设有安装孔，并通过该安装孔将待测量空心杆固定在立柱2上，另一端的法兰盘与百分表位移计14的测量端接触。

待测量空心杆件15内部为中空结构，用于放置有加热器12和热电偶10，优选将加热器12位于待测量空心杆件15的一端，热电偶10位于待测量空心杆件15的另一端，为了方便接线，可以在立柱2上设置与待测量空心杆件15连通的通孔，方便从通孔中引出加热器12或/和热电偶10的线束。此外，待测量空心杆件15外设有保温层11，可以有助于提高试验效果，特别是在环境温度较低的情况下，可以有效保持待测量空心杆件15的恒温状态。

另一根立柱2上设有螺旋传动组件，螺旋传动组件包括固定在该立柱2上的导向套7和螺母6，螺母6可以在立柱2上旋转，并在螺母6一端设有方便操作的手轮5，螺旋传动组件还包括置于螺母6内的螺杆4，螺杆4一端设有多边形的支撑杆，导向套7上设有与支撑杆配合的多边形孔，通过相配合的多边形孔和支撑杆，可以防止螺杆4转动，这样旋转手轮5则能够取得支撑杆沿螺母6轴向往复运动。

待测量空心杆件15的另一端与支撑杆端部之间夹持有传力构件9，如图2、3所示，传力构件9为中空管结构且中部设有隔板，传力构件9一端接触待测量空心杆件15端面，支撑杆端部伸入到述传力构件9另一端内，压力传感器8安装在隔板上，压力传感器8用以测量温度升高时作用在螺杆4载荷的大小，传力构件9靠近待测量空心杆件15一端设有线槽，方便从线槽中引出加热器12或/和热电偶10的线束。

两根立柱2之间设有百分表位移计14，百分表位移计14测量端接触待测量空心杆件15侧向伸出的翻边结构测量杆件的轴向变化位移。百分表位移计14用以测量待测量空心杆件15有效长度内因温度升高引起的伸长量，百分表位移计14口接触待测量空心杆件15的端部法兰。优选将百分表位移计14固定在两根立柱2之间的位移计导轨13上，百分表位移计14通过滑套固定在位移计导轨13上，位移计导轨13与滑套之间设有锁止机构，可以根据待测量空心杆件15的型号调节百分表位移计14的位置。

基于上述温度应力试验装置的线性膨胀系数实验方法如下：

1)将热电偶10和电加热器12放置到待测量空心杆件15内；

2)将待测量空心杆件15固定到立柱2上；

3)转动手轮5使得传力构件9不接触待测量空心杆件15，让待测量空心杆件15可以自由伸长；

4)固定好百分表位移计14，使百分表位移计14具有一个初始读数；

5)测量出杆件的有效长度l，记录测温热电偶10的读数已记录环境温度^t0；

6)给加热器12通电，观察并记录达到热电偶10的温度读数t与百分表位移计14的读数δlti；

7)根据获取的参数计算线膨胀系数的测量值。

原理如下：

待测构件的线膨胀系数，可按下式计算获得实验测量值

式中：δt＝t-t0

δlt温度升高后杆件伸长量。

l实验环境温度下杆件的有效长度。

αl材料的线膨胀系数。

t目标杆件温度及测温热电偶10的读数。

t0实验环境温度。

基于上述温度应力试验装置的温度应力实验方法如下：

1)将热电偶10和电加热器12放置到待测量空心杆件15内；

2)将待测量空心杆件15固定到立柱2上；

3)转动手轮5使得传力构件9接触待测量空心杆件15，使得待测量空心杆件15的两端均固定；

4)给加热器12通电，同时记录热电偶10与压力传感器8的读数，并记录多组；

5)在记录每组数据时，转动手轮5，给待测量空心杆件15轴向载荷，使杆件压缩至原长时，记录此温度下相应的压力传感器8的数值；

6)根据获取的参数计算温度应力的测量值。

针对无膨胀节的待测量空心杆件15原理如下：

温度应力的实验值：

温度应力理论值：σt＝αleδt或

待测构件的柔度：

式中：

σ温度应力实验值

σt温度应力的理论值

e材料的杨氏弹性模量。

a待测杆件的横截面面积。

δt温度改变量。

αl材料的线膨胀系数

ft压力传感器8的读数。

针对有膨胀节的待测量空心杆件15原理如下：

通过分析可得其温度应力的理论解可按照(3)计算即

其待测构件的柔度根据分析可按下式计算：

δ待测构件柔度

r膨胀节类圆部分半径。

e材料杨氏弹性常量。

h膨胀节直板部分长度。

r待测空心管件半径。

其待测构件的柔度：

式中：

δ管件柔度。

e杆件材料弹性模量。

i截面对中性轴的惯性矩。

t管件壁厚。

d管件直径。

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