一种用于大学生结构设计竞赛的多功能加载与测试装置

本技术涉及机械结构设计领域，具体涉及一种用于大学生结构设计竞赛的多功能加载与测试装置。

背景技术：

1、大学生创新实践教育是高等教育教学中的关键环节。在力学、土木、建筑、机械等工科类学科中，高等院校会通过组织学生参加结构设计类竞赛来培育学生创新精神和动手实践能力，“全国大学生结构设计竞赛”也已经被教育部、财政部联合批准为全国性学科竞赛资助项目。结构设计竞赛中的模型涵盖桥梁设计、建筑物设计等，校级、省部级、国家级等不同级别的结构设计竞赛对模型结构尺寸要求有差异，但其对模型的评价标准基本统一，即：通过评价大学生自主设计的一定尺寸范围的模型不同构型的承载能力和抗变形能力，来鉴定模型设计的优劣等级。现有技术中，三峡大学科技学院的宋征在《以大学生结构设计大赛为导向的工科力学课程教学的思考》一文中，利用自制加载装置对《全国第十四届结构设计大赛》中桥梁模型进行加载测试；成都理工大学付玉帆在《结构设计竞赛分析》一文中，利用自制加载装置对《2019年第五届四川省大学生结构设计竞赛》中高大建筑物模型进行加载测试。以上加载装置囿于结构所限，不能对加载装置进行尺寸大范围调节，只能对桥梁模型或者高大建筑物模型单独进行测试，一种装置无法实现两种模型通用加载与测试，存在调节不便，功能单一等问题，导致学生受益面小。因此，研发一种用于大学生结构设计竞赛的多功能加载与测试装置，具备重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于大学生结构设计竞赛的多功能加载与测试装置，通过调整机械架构尺寸，可以兼顾桥梁结构设计竞赛和高大建筑设计竞赛的比赛需求，具备多功能性，操作简单。

2、为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

3、一种用于大学生结构设计竞赛的多功能加载与测试装置，包括机械架构及传感器模块；

4、所述机械架构为提供加载功能的主要结构，所述机械架构包括三横梁、三纵梁、支撑结构及保护结构四部分，所述机械架构上标注有刻度，可根据加载模型不同进行尺寸调节，能适应桥梁、高大建筑等不同结构设计竞赛模型要求；

5、所述传感器模块可根据需要对竞赛设计模型的变形进行测量，当用于桥梁模型时，可测量竖直向下方向变形量，当用于高大建筑结构设计竞赛时，可测量水平方向变形量。

6、作为一种优选：所述三横梁包括底座、第一横梁、第二横梁；

7、所述底座上标注有刻度，其内部嵌有钢质加强键，可承受拉压、弯曲载荷，用于支撑整体结构，提高装置整体刚度；

8、所述第一横梁上分为左右两部分，安装于所述底座上，与所述底座之间依靠滑键及紧固螺钉连接，所述第一横梁可沿底座在长度方向任意滑动；

9、所述第二横梁标注有刻度，分为左右两部分。

10、作为一种优选：所述三纵梁包括第一纵梁、第二纵梁、第三纵梁；

11、所述第一纵梁标注有刻度，分为左右两部分，第一纵梁刻度标注侧朝内固定于第一横梁；

12、所述第二纵梁，分为左右两部分，固定于第一横梁，可加强结构稳定性。

13、所述第三纵梁标注有刻度，分为左右两部分。

14、作为一种优选：所述支撑结构包括底座调节板、纵梁固定板、l形支撑板、调节杆、桥梁加载装置、滑轮；

15、所述底座调节板为多孔多槽结构，所述纵梁固定板由多片组成，所述l形支撑板为多孔形支撑板，所述调节杆有为螺纹副结构，底端为带有孔槽的固定板结构，另一端为带有螺纹孔的支撑杆；

16、所述加载装置由四轮的平板小车、螺纹杆、锁紧螺母、吊环、柔性轨道组成，根据加载需要，螺纹杆上可放置不同数量砝码，旋紧锁紧螺母可锁紧砝码，吊环穿过吊装绳安装，柔性轨道由工程线串联的窄竹片组成，放置于第二横梁两部分之上；

17、所述滑轮为圆形轮状和滑轮底座组成，所述滑轮底座上有螺纹孔，用于滑轮固定。

18、作为一种优选：所述保护结构包括吊装绳、手调螺杆、保护架；

19、所述吊装绳由多股钢丝及圆环结构组成，其钢丝穿过端部圆环进行锁紧固定，放松钢丝绳可实现吊装绳长度调节；

20、所述手调螺杆一端为六边形，便于使用扳手旋紧，一端为公制螺纹杆；

21、所述保护架为“回”字形状，四侧面封闭，其中两对立封闭的侧面上开有孔槽结构，该孔槽结构面可用于固定传感器，同时，可保证传感器发射出的光束能顺利通过保护架发射至模型结构被测位置。

22、作为一种优选：所述传感器模块包括传感器、放大器、通讯模块、电源；

23、所述传感器为非接触式激光位移传感器，体积小、测量精度高；

24、所述放大器为传感器配套元器件，可对传感器位移信号进行放大，并对传感器测量到的位移数据进行实时显示；

25、所述通讯模块为放大器配套元器件，可与计算机通过tcp协议通讯，实现位移数据批量导出；

26、所述电源为24v直流电源，为传感器、放大器提供直流电。

27、作为一种优选：所述装置用于桥梁模型加载时，

28、所述第一横梁通过滑键及紧固螺钉分别安装于底座左右两端，通过放松紧固螺钉，依据模型实际长度方向需求，使第一横梁沿着底座的长度方向平移；

29、所述第一纵梁、第二纵梁通过固接螺钉固定于第一横梁，其中，第一纵梁靠近中心(定义为内侧)安装，刻度线侧朝内侧放置，为加强整体机械架构稳定性，将第二横梁远离中心安装；

30、所述第二横梁通过固接螺钉固定于第一纵梁及第二纵梁顶端；

31、所述第三纵梁通过滑键及固定螺母固定在第二横梁上，可沿第二横梁长度方向移动；

32、所述手调螺杆穿过吊装绳两端环形结构，调整吊装绳长度后，旋紧手调螺杆，将吊装绳固定于手调螺杆与第三纵梁顶端之间，吊装绳上可虚接桥梁模型加载装置，若模型发生破坏，加载装置失去支撑时，周围事物需要保护时，吊装绳自动拉紧；

33、所述l形支撑板安装于第一纵梁内侧，与第一纵梁通过可调螺母连接，可沿第一纵梁上下活动，进行加载测试时，根据模型实际尺寸调整位置，用于支撑桥梁模型；

34、所述底座调节板通过紧固螺钉安装于底座上，当需要位置调节时，放松紧固螺钉，底座调节板可沿底座长度方向和垂直长度方向移动，从而实现两个方向位置调节；

35、所述传感器保护架通过调节杆固定于底座调节板，当桥梁模型调整时，可通过旋动调节杆使桥梁底面处于传感器有效测量范围。

36、作为一种优选：所述装置用于高大建筑模型加载时，

37、所述第三纵梁通过滑键及固定螺母调整位置，使第三纵梁固定在第二横梁内侧；

38、所述第一横梁位置通过滑键及固定螺母调整位置，根据高大建筑模型尺寸，调整第一横梁两部分间距，并取消l形支撑板；

39、所述底座调节板通过放松固定螺母调整位置，使其中心定位孔居中，用于对高大建筑模型进行定位；

40、所述多片纵梁固定板分别固定于第三纵梁左右两部分的不同位置，所述滑轮固定于左端的纵梁固定板上；所述调节杆取消，所述传感器及其保护架通过紧固螺钉固定于右端的纵梁固定板上。

41、与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

42、1、本实用新型设计了三横梁、三纵梁、底座固定、纵梁固定板等机械架构，能实现竖直方向与水平方向的空间位置调整功能，具备多向、多尺寸调节的特点，据此特点，可根据实际需求进行不同组装，实现差异化调节，能适用桥梁、高大建筑物等多种模型加载，适用于国家级、省部级、院校级等不同层级的大学生结构设计竞赛要求，一物多用，受益面极广，节省空间；

43、2、本实用新型装置中机械架构上标注有刻度，在进行空间位置调整时，通过放松滑键后即可直接进行位置精确调整，无须借助其他测量工具，操作简便。

44、3、本实用新型机械结构采用铝合金型材，底座中安装有加强键，纵梁通过第一纵梁、第二纵梁两层加强，可同时承受较大拉压、弯曲载荷，结构稳定、强度高、重量轻，易于搬运。

45、4、本实用新型中加载装置设计了柔性轨道，轨道由工程线串联起窄竹片，当对桥梁模型加载时，加载小车放置于柔性轨道上，加载小车全部载荷施加在模型上；同时，l形支撑板高度可调节，对于不同模型，柔性轨道均紧密铺设在模型表面上，保证了不同模型所承受载荷状态统一，使加载过程更加科学、合理。

46、5、本实用新型使用了非接触式位移传感器，通过调整位移传感器安装位置，可实现竖直方向和水平方向多方向位移测量，同时可实现模型底部、侧面等多位置测量。能用于桥梁模型、高大建筑模型加载过程中变形量的实时测量，具有非接触、便携、位移数据可直读的优点。

47、6、本实用新型设计了机械保护结构，一方面，当用于桥梁模型加载发生破坏时，保护结构中吊装绳可对加载装置施加承载力，从而实现对周围事物的保护作用；另一方面，位移传感器外安装有保护架，当桥梁模型发生坍塌、高大建筑物模型发生倾斜时，可有效避免对位移传感器造成的破坏。