多功能可拆装结构力学组合实验装置

本发明涉及结构力学实验装置领域，特别是涉及多功能可拆装结构力学组合实验装置。

背景技术：

1、结构力学作为土木工程专业课程体系中非常重要的一门专业基础课程，具有理论性强的显著特点。几何不变体系几何组成规则、合理形式及结构计算简图合理选取作为结构力学基础单元模块，对学习者工程意识的建立、计算分析能力的培养具有重要意义。然而，受“重理论、轻实践”等传统教学思想的影响，使得结构力学实践教学重视程度仍有待提高，尤其体现在实验教学装置功能单一，实验装置数量不足方面，不利于应用型、研究型人才的培养。

2、现有结构力学实验装置中，多是针对已拼装完成的几何不变体系进行加载、测定而设计，如可进行平面刚架、平面桁架加载与测试，这对于验证所学结构计算理论是非常必要的，但对于基础偏弱的学生理解各类结点、支座约束的性质、几何可变体系的变形与位移、机动法绘制静定结构影响线时机构的虚位移等内容却甚少有提供可操作功能。即使教师用教具对个别模型进行演示，但限于学生未能亲自操作，课后仍难以留下深刻印象，仍处于似懂非懂状态。

3、现有技术中，中国专利cn101303813a提供了一种结构力学组合实验装置，该实验装置结构轻巧，可组装出结构力学中刚架、桁架等常见杆系结构，但其加载装置位置的灵活性有待优化；中国专利cn104332086a、cn106251745b提供了一种多功能结构力学实验平台，可进行不同刚架实验并验证结构力学相关理论，具有可反复拆装、形象直观的优点，但其所述的h型钢梁-球节点钢管桁架组合结构构造复杂，不易建造。

4、目前，结构力学实验装置中多是针对规则刚架、桁架结构加载、测试而研发的，缺少能够进行任意类型直杆杆件体系拼装的实验装置。此外，针对几何组成分析时的位移演示、机构虚位移演示、结构计算简图形象化展示相关实验装置还很缺乏。虽有部分实验装置功能多样，但限于其构造复杂、造价高，致使结构力学教学实验装置匮乏，学生难以体验结构力学教学中各类杆系体系的组装、加载及位移变形演示。因此，亟待开发出具有各类直杆杆件体系组装与位移演示、各类直杆杆件结构加载与变形测定的多功能、可拆卸、便操作、造价低的结构力学实验装置，以弥补现有实验装置的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种集直杆杆件体系可自由组装、体系位移演示、直杆杆件结构加载与变形测定于一体的多功能可拆装结构力学组合实验装置，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供多功能可拆装结构力学组合实验装置，包括：

3、实验框架，所述实验框架由底板、左侧板、右侧板、顶板合围而成。所述底板、左侧板、顶板上分别固定有两平行的底滑道、两平行的侧滑道、两平行的顶滑道；所述右侧板中部竖向上设有两平行的预留长孔，所述预留长孔与所述侧滑道在同一平面内，所述侧滑道与所述预留长孔间设有中滑道以实现杆件体系的升降调节及分层装配。

4、杆件，所述杆件设置若干个，由端部设有圆孔的不同长度方钢管制作而成，所述杆件设有多类型方钢管外护套可供选择，所述方钢管外护套套于杆件端部或杆件上并由螺栓实现所述杆件与所述方钢管外护套间的紧固连接。

5、连接约束，所述连接约束为杆件间的连接，包括链杆连接、单铰结点、复铰结点、组合结点、刚结点；所述链杆连接为所述方钢管外护套、链杆、螺栓间的连接；所述单铰结点、组合结点、刚节点为所述方钢管外护套、螺栓间的连接；所述复铰结点为所述方钢管外护套、螺栓、铰环或铰盘间的连接。

6、支座约束，所述支座约束包括可动铰支座、固定铰支座、固定支座、定向支座四类，所述支座约束由所述方钢管外护套、挡板、单头螺栓、链杆、螺栓组合而成。所述支座约束由顶滑道、侧滑道、底滑道、中滑道所限定且可拆卸连接。

7、加载装置，所述加载装置为手动加载，由承载板、连接体、传力杆、连接杆、承载连接套组合而成。所述承载板安装于顶滑道、侧滑道内并由紧固螺栓分别固定于顶板、左侧板上。

8、所述实验框架、杆件、连接约束、支座约束、加载装置均为刚性构件，采用钢材制作而成。

9、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述顶板、左侧板、底板、右侧板平面均呈矩形，各板之间为焊接或螺栓连接；所述顶板上两顶滑道外围、所述左侧板上两侧滑道外围均设有两列预留圆孔以用于承载板的固定；所述左侧板上两侧滑道之间、所述底板上两底滑道间均设有一列预留方孔以用于挡板的固定；所述底板两侧长边边缘上均设有固定螺栓以对实验框架进行固定。所述顶板、左侧板、底板间当采用螺栓连接时，尚需在各板材两短边边缘位置处设置相应预留孔。

10、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述底滑道、侧滑道、顶滑道沿各板材长边方向布置，采用焊接或螺栓连接方式固定于底板、左侧板、顶板上；所述底滑道正立面呈回字形，由两平行设置的第一刚性杆在其两端固结而成；所述侧滑道、顶滑道正立面均呈不等边п形，由第二刚性杆、第三刚性杆在其一端固结而成，所述第二刚性杆、第三刚性杆平行设置，第二刚性杆长于第三刚性杆，第三刚性杆端部及与该端部对应的第二刚性杆上均设有供紧固螺栓穿入的预留孔。所述第一刚性杆、第二刚性杆、第三刚性杆横截面均为矩形。当所述底滑道、侧滑道、顶滑道与底板、左侧板、顶板间螺栓连接时，尚需在相应第一刚性杆、第二刚性杆上设置可供内置螺栓穿入的预留孔，底板、左侧板、右侧板上相应位置处增设预留孔。

11、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述中滑道与侧滑道间通过固定连接套连接；所述固定连接套为长方体，设有两个互相垂直的空腔，两所述空腔分别作为第三刚性杆、中滑道端部的外护套；所述中滑道两端为实体，横截面为矩形，一端设有预留孔以与所述固定连接套通过螺栓进行连接；所述中滑道中间段间隔设有条形孔以形成第一刚性杆。

12、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述方钢管外护套为杆件的外包结构，设有多种类型，包括用于单铰结点、链杆连接的铰结点a护套、铰结点b护套、铰结点c护套、链杆连接护套；用于组合结点的组合结点护套；用于刚结点的刚节点a护套、刚节点b护套、刚节点c护套、刚节点d护套、固定支座护套。所述方钢管外护套为设有空腔的长方体，横截面呈回字形，侧面设有供螺栓穿入的圆孔，所述空腔尺寸与所述杆件相适配。所述铰结“”点a护套上设有一个连接环；所述铰结点b护套、铰结点c护套、链杆连接护套、组合结点护套上设有两个平行设置的连接环；所述连接环位于方钢管外护套封闭端，封闭端与设有圆孔的侧面垂直设置；所述连接环为半圆环，内部设有预留孔；封闭端两平行设置的连接环区域内凹设置以利于铰结点a护套、链杆间的连接。所述固定支座护套上设有一个固定锁条，所述固定锁条位于与固定支座护套侧面垂直的封闭端面上，所述固定锁条为长方体，内部设有垂直于侧面的三个预留孔。

13、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述链杆呈一字形，中间段为杆状长方体，两端设有所述连接环；所述铰环、铰盘外轮廓均为圆形，所述铰环由外环、内环及外环与内环间联系杆所组成；所述铰盘设有若干垂直于圆盘表面的预留孔。

14、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述固定铰支座由铰结点b护套、两挡板、两单头螺栓、若干螺栓组合而成；所述可动铰支座由铰结点b护套、若干螺栓组合而成；所述固定支座由固定支座护套、两挡板、两单头螺栓、若干螺栓组合而成；所述定向支座由链杆连接护套、两链杆、若干螺栓组合而成。所述挡板固定于所述预留方孔内，所述挡板设有预留孔供所述单头螺栓穿入并紧固。

15、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述连接体为圆柱状，与所述承载板垂直且一体设置。所述连接体远离承载板侧的端部设有与所述传力杆直径相适配的螺纹孔以供与传力杆连接；所述传力杆上设有转盘以实现手动加载；所述传力杆一端设有与所述螺纹孔相适配的螺纹，另一端设有预留柱状孔，所述预留柱状孔内设有含螺杆的球铰以便于转盘转动并实现与连接杆间的有效连接；所述螺杆长度小于所述预留柱状孔深度；所述承载连接套与杆件间通过紧固件进行连接，所述连接杆一端与传力杆间通过螺杆进行连接，另一端与承载连接套间通过套环、销钉进行连接。

16、根据本发明提供的多功能可拆装结构力学组合实验装置，所述顶滑道、所述侧滑道上第二刚性杆、第三刚性杆间距，所述底滑道、所述中滑道上第一刚性杆间间距均与所述承载板厚度、所述连接环内预留孔直径相适配。

17、本发明公开了以下技术效果：

18、本发明中杆件由方钢管制作而成，通过设置方钢管外护套，并采用链杆、铰环、铰盘、螺栓等连接约束可实现结构力学中常见结点的组装连接；通过在方钢管外护套外围增设挡板、单头螺栓、链杆，可实现结构力学中常见支座的组装。本发明中实验框架各构件可根据需要采用焊接连接或螺栓连接制作而成，支座约束、加载装置能够在相应滑道上自由移动、固定，加载装置可实现平面内竖向、水平向加载。

19、本发明作为结构力学实践教学用实验装置，可实现结构力学教学中常见直杆杆件体系的自由拼装，具有在同一实验框架平台上进行几何组成位移演示、机动法绘制影响线虚位移演示、杆件结构加载等多项功能，便于教师实践教学演示与学生自主操作，能够解决现有结构力学实验装置功能单一、构造复杂、组装困难、造价高等问题。学习者通过自行组装、自行拆卸，亲自体验理论教学中难以理解的有关内容，有助于学习者理论联系实际，理解领会到计算简图与工程实际、可变与稳定、荷载与位移之间的对应关系。