用于虚功原理展示和教学的观测装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于虚功原理展示和教学的观测装置。
【背景技术】
[0002] 在本科生现阶段涉及机械力学的课程如理论力学，材料力学，结构力学等课程中 对虚功原理的教学尚还未有一套简明，有益与学生理解该部分内容的装置存在。学生普遍 又感觉虚功原理的内容过于抽象，难以理解。老师也会遇到内容难以诠释清楚等问题。而 虚功原理在力学研宄上十分重要，或称为力学问题研宄的"催化剂"，运用该理论可以将复 杂的力学问题大大简化，同时又能简化计算，应用广泛。虽然该原理本身有些抽象难懂，但 如果辅助以形象的教具，在学生刚接触该部分知识时就帮助学生建立起形象的模型，那在 接下来学生对该知识的理解能起到很好的辅助作用。
[0003] 目前在国内外虚功原理教学只能通过理论推断和例题解说等形式开展教学，采用 展示装置让学生亲自动手去验证虚功原理的教学方式尚未形成。由于虚功原理计算结构位 移时，需要涉及到两种状态：一是产生结构位移的实际状态（位移状态），除此之外还必须 虚设一个力状态，即在原结构上沿着所求位移的方向施加一个相应的外力，一般为单位力。 考虑到力状态中的结构是平衡的，根据虚功原理，力状态上的外力在实际位移状态上所做 的虚功就等于力状态中的内力在实际状态中的变形上所做的虚功。这样便可求得实际状态 中的位移。但是，其中的"功"并不是力在自身产生的位移或形变上所做的实际的功，而是 一种状态上的力在另一种状态的位移或形变上所做的虚功。因此在这种状况下，研宄出一 款能清晰展示虚功原理的教具，对该部分内容的教学颇有意义。
[0004] 并且，虚功原理应用广泛，如在静电学中，求解电场强度、电场力等矢量时很方便， 利用虚功原理导出一些重要的定律如帕斯卡定律，J积分守恒，利用虚功原理还能对结构的 敏感性进行分析和讨论，以虚功原理为基础，利用CAD变量几何法，求解空间并联机构各 分支的驱动力和约束力等等。因此研发一种演示虚功原理的可观测实验装置是非常有必要 的工作。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有虚功原理教学只能通过理论推断和例题解说等形式开展教学，采用 展示装置让学生亲自动手去验证虚功原理的教学方式尚未形成的缺陷，本发明提供一种能 帮助学生更好地理解虚位移、虚力、位移状态、力平衡状态及虚功原理等基本概念知识的、 操作简便、简单可行、通用性良好的用于虚功原理展示和教学的观测装置。
[0006] 本发明采用的技术方案是：
[0007] 用于虚功原理展示和教学的观测装置，其特征在于：包括安装座，设置在安装座上 的三铰拱，所述的安装座包括带延伸段的固定盘和安装在固定盘上的可调底盘，所述的三 铰拱包括左拱片和右拱片，所述的左拱片和右拱片的顶端通过合页铰接，所述的左拱片和 右拱片的底端分别设置有立式带轴轴承支座，所述的左拱片的底端通过立式带轴轴承支座 轴接在一立式支撑架上，所述的立式支撑架固定在所述的可调底盘上；所述的右拱片的底 端通过立式带轴轴承支座可滑动地设置在延伸段上；所述的左拱片与右拱片的底端的带轴 轴承支座之间设置有丝杆，所述的丝杆上设置有应变片测力计和螺旋测微头；所述的三铰 拱的拱顶设置有数显千分表。
[0008] 所述的数显千分表的指针的下端连接有一铁片，所述的数显千分表通过数显表座 固定在所述的延伸段上；所述的固定表座包括支撑杆和底座，所述的支撑杆的底端连接在 底座上，顶端固定数显千分表；所述的底座上设置有与铁片相配合作用的带控制开关的电 磁铁，所述的电磁铁用于吸附所述的铁片。
[0009] 所述的可调底盘上沿圆周方向等间距设置有若干螺丝孔，所述的可调底盘通过螺 丝穿过螺丝孔安装在固定盘上。
[0010] 所述的可调底盘上设置有用于使左右拱片处于水平对称的三颗可旋转螺钉，三颗 可旋转螺钉呈等腰三角形分布。
[0011] 所述的右拱片底端的立式带轴轴承支座上设置有滚轮，所述的滚轮可沿所述的延 伸段的长度方向滑动。
[0012] 所述的丝杆的中部设置有使丝杆处于水平状态的支撑座。避免因丝杆及杆上的装 置产生的重力对于人为制造误差位移的影响，从而提高实验的精度和准确性。
[0013] 所述的立式带轴轴承支座的轴上开设有用于连接丝杆的螺纹孔，所述的丝杆上设 置有两边可旋转的轴承。
[0014] 所述的三铰拱满足抛物线,y= -A-)，其中，f?为三铰拱的拱的高度，1为三 铰拱的拱的宽度。
[0015] 本发明的技术构思为：用静定的带拉线（丝杆）的抛物线形三铰拱作为实验装置 的主体。用铝合金制作的三铰拱装置具有很好的轴向刚度，且具有以下特点：①因为是抛物 线形的合理共轴，其实验初始的自身重力可视为均布荷载在拱轴线上的分布，故其产生的 剪力和弯矩为零；②轴向的刚度较大，其产生的轴力微小；③材料便于钻孔等工艺和加工， 便于组装。
[0016] 本发明用抛物线形三铰拱作为教学装置的结构形式，能最大程度地降低结构因自 身重量产生的初始变形。因为抛物线是三铰拱在均布载荷作用下的合理拱轴线，所以在自 重的作用下，拱的弯矩、剪力的大小为零。而拱的轴向刚度相对较大，轴向变形微小可忽略 不计。
[0017] 用钩码作为虚设的外力，应变测力片外加显示器可直观清晰的测量需要计算的内 力的大小，精度可达〇? 005g。
[0018] 巧妙利用螺旋测微头调节丝杆的伸缩，给定丝杆的制造误差，十分的方便，直观精 确，精度可达〇? 01謹。
[0019] 三角拱顶安装数显千分表测拱顶产生的位移，直观精确，精度可达0. 001mm。
[0020] 本发明的有益效果体现在：
[0021] 1、可用性好，教学两用，能真正做到老师与学生的互动；全量程标定，确定线性区， 实验数据确，可靠；两片弓形构架，通过内外负荷加载，使位移显化，演示虚功原理；力的测 量与位移的测量相互独立，互不影响，方便测量，因而清晰直观，简介明了。
[0022] 2、该教学装置结构巧妙，操作步骤简单，实验数据可靠，在帮助学生理解虚位移、 虚功、位移状态、力平衡状态等概念的基础上掌握虚功原理的实质。
[0023] 3、用抛物线形三铰拱作为实验装置的结构形式，能最大程度地降低结构因自身重 量产生的初始变形。因为抛物线是三铰拱在均布载荷作用下的合理拱轴线，所以在自重的 作用下，拱的弯矩、剪力的大小为零。而拱的轴向刚度相对较大，轴向变形微小可忽略不计。
[0024] 4、用螺旋测微头调节拉线的伸缩，给定拉线的制造误差，直观精确。
[0025] 5、用钩码作为虚设的外力，应变测力计则可测量需要计算的内力的大小。
[0026] 6、整个实验装置在虚功原理的验证时避免了三铰拱的剪力、弯矩、轴力的变形虚 功的积分运算，而只需考虑拉线轴力的变形虚功大小，从而验证虚功原理。
[0027]7、实验装置为装配式结构，可即时拆装，便于携带和在不同场合操作、演示。
[0028] 8、该教学装置材料主要为铝合金，市场上易获得，而且制作成本较低，适合批量生 产。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明整体结构示意图。
[0030] 图2是本发明位移的逻辑关系图。
[0031] 图3是本发明力的逻辑关系图。
[0032] 图4a是本发明受力示意图A。
[0033] 图4b是本发明受力示意图B。
【具体实施方式】
[0034] 参照图1至图3,用于虚功原理展示和教学的观测装置，包括安装座1，设置在安装 座上的三铰拱，所述的安装座1包括带延伸段的固定盘15和安装在固定盘上的可调底盘 16,所述的三铰拱包括左拱片3和右拱片7,所述的左拱片3和右拱片7的顶端通过合页4 铰接，所述的左拱片3和右拱片7的底端分别设置有立式带轴轴承支座2,所述的左拱片3 的底端通