薄壁杆件试验装置和试验方法与流程

本发明涉及力学试验器具技术领域，尤其是涉及一种薄壁杆件试验装置和试验方法。

背景技术：

薄壁杆件试验是学生重要的力学试验，现有本科生常设的薄壁杆件试验主要是应用电测试验技术对组合变形下的薄壁圆筒进行应力应变测试，并通过测试结果对测点应力状态及截面内力素进行分析。该试验方法试验对象是闭口的薄壁圆筒，试验手段是获取测点应变的电测方法，试验内容和目的是对闭口薄壁杆件进行应力应变分析。

薄壁杆件开口截面是薄壁杆件的另一种重要的截面形式，其与完全闭合截面的计算方法不同。在薄壁圆筒上哪怕仅出现一条缝隙，其应力应变大小、分布及变形将与完全闭合情况有很大差异。现有的薄壁圆筒试验方法没有针对这两种模型的应力应变的差异进行测试分析；现有薄壁圆筒试验方法采用单一的应变电测技术，也没有对开口和闭口薄壁圆筒扭转变形进行测试分析。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种薄壁杆件试验装置和试验方法，以解决现有技术中薄壁圆筒存在的试验方法单一、试验内容不足的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种薄壁杆件试验装置，其包括：薄壁圆筒杆件、第一支撑机构、第二支撑机构、加载定位机构和百分表机构；所述薄壁圆筒杆件沿其长度方向分为闭口截面杆段和开口截面杆段；所述第一支撑机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述闭口截面杆段的一侧固定连接；所述第二支撑机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段的一侧可拆卸地连接；所述加载定位机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段的端部固定连接，用于对所述薄壁圆筒杆件施加扭转作用；所述百分表机构与所述薄壁圆筒杆件上的待测定位置连接，用于测试相应位置的位移。

作为一种进一步的技术方案，所述第一支撑机构包括：自下而上依次设置的第一台座、第一压块；所述第一台座与所述第一压块固定连接，在所述第一台座与所述第一压块之间具有第一安装位，所述薄壁圆筒杆件靠近所述闭口截面杆段的一侧固定连接于所述第一安装位。

作为一种进一步的技术方案，所述第二支撑机构包括：自下而上依次设置的第二台座、第二压块和第三压块；所述第二台座与第二压块可拆卸地连接，所述第三压块与第二压块可拆卸地连接，在所述第三压块与第二压块之间具有第二安装位，所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段的一侧穿过所述第二安装位，且与所述第二安装位可拆卸地连接。

作为一种进一步的技术方案，所述加载定位机构包括：加载定位件、加载伸缩件和加载移动轨道；所述加载定位件与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段的端部固定连接，所述加载移动轨道设置于所述加载定位件的纵向投影位置，所述加载伸缩件的上端与所述加载定位件可活动地连接，能沿所述加载定位件的长度方向进行移动，所述加载伸缩件的下端与所述加载移动轨道可活动地连接，能沿所述加载移动轨道的长度方向进行移动。

作为一种进一步的技术方案，所述加载伸缩件包括：由柔索依次连接的第一挂钩、调节组件、拉力传感器和第二挂钩，所述调节组件用于控制与其连接的柔索的长度；

所述加载定位件上开设有通槽结构，所述第一挂钩可活动地安装于所述通槽结构中；所述加载移动轨道上开设有滑槽结构，所述第二挂钩可活动地安装于所述滑槽结构中。

作为一种进一步的技术方案，所述调节组件包括：旋转套筒、第一螺柱和第二螺柱，所述旋转套筒设置有贯通设置的内螺孔；所述第一螺柱设置有与所述内螺孔配合的外螺纹，所述第一螺柱从所述旋转套筒的一端插入至所述内螺孔中，且与其对应的柔索连接；所述第二螺柱置有与所述内螺孔配合的外螺纹，所述第二螺柱从所述旋转套筒的另一端插入至所述内螺孔中，且与其对应的柔索连接；所述旋转套筒的外表面设置有沟槽结构，用于插装插销以转动所述旋转套筒。

作为一种进一步的技术方案，在所述闭口截面杆段的周面四等分点的位置分别设置有四个应变花；在所述开口截面杆段的周面四等分点的位置分别设置有三个应变花，所述开口截面杆段的开口部分对应设置于剩下的一个周面四等分点的位置。

作为一种进一步的技术方案，所述百分表机构包括：t型支架、第一百分表、第二百分表、第一刚性连接部和第二刚性连接部，所述t型支架的纵杆支撑设置于所述薄壁圆筒杆件的一侧，所述第一百分表设置于所述t型支架的横杆的第一端，且所述百分表的测出点抵接在所述第一刚性连接部的上表面，所述第一刚性连接部固定于所述闭口截面杆段靠近所述开口截面杆的一侧位置；所述第二百分表设置于所述t型支架的横杆的第二端，且所述百分表的测出点抵接在所述第二刚性连接部的上表面，所述第二刚性连接部固定于所述闭口截面杆段靠近所述第二支撑机构的一侧位置。

作为一种进一步的技术方案，该薄壁杆件试验装置还包括：台架，所述台架用于承载所述第一支撑机构、第二支撑机构、加载定位机构和百分表机构。

第二方面，本发明还提供一种根据所述薄壁杆件试验装置的试验方法，包括：将薄壁圆筒杆件的闭口截面杆段和开口截面杆段集成于同一杆件之中，在同样的扭转作用下对闭口截面杆段、开口截面杆段的应力应变分布进行分析比较；

其中，在所述第二支撑机构处于安装状态时，能够对薄壁圆筒杆件提供纵向约束，能够进行闭口截面杆段、开口截面杆段的应力应变及变形的对比试验；

其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段形成悬空状态，能够进行组合变形下闭口截面杆段的应力应变及变形的测定试验；

其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段形成悬空状态，能够对开口截面杆段进行弯曲中心的测定试验。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(一)、本发明将薄壁圆筒闭口截面和开口截面综合在同一根杆件之中，实现了在同样的扭转作用下对薄壁杆件闭口和开口两种截面的应力应变分布进行分析比较。

(二)、本发明在薄壁圆筒试验中引入了百分表测位移方法确定截面的扭转变形，从而与已有的应变电测方法一道对薄壁圆筒构成了相对完备的受力分析。

(三)、本发明可以根据不同的目的对薄壁圆筒实现多项试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的薄壁杆件试验装置的结构示意图；

图2为图1所示的a-a的剖视图；

图3为图1所示的b-b的剖视图；

图4为本发明实施例提供的调节组件的结构示意图。

附图标记：

101-闭口截面杆段；102-应变花；103-第一刚性连接部；

201-开口截面杆段；202-应变花；203-第二刚性连接部；

301-第一百分表；302-第二百分表；303-t型支架；

401-加载定位件；402-柔索；403-旋转套筒；

404-拉力传感器；405-加载移动轨道；406-第一挂钩；

407-第一螺柱；408-沟槽结构；409-第二挂钩；

502-第二台座；503-第二压块；501-第三压块；

601-第一台座；602-第一压块；701-台架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

结合图1至图4所示，本实施例提供一种薄壁杆件试验装置，其包括：薄壁圆筒杆件、第一支撑机构、第二支撑机构、加载定位机构和百分表机构；所述薄壁圆筒杆件沿其长度方向分为闭口截面杆段101和开口截面杆段201；所述第一支撑机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述闭口截面杆段101的一侧固定连接；所述第二支撑机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段201的一侧可拆卸地连接；所述加载定位机构与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段201的端部固定连接，用于对所述薄壁圆筒杆件施加扭转作用；所述百分表机构与所述薄壁圆筒杆件上的待测定位置连接，用于测试相应位置的位移。可见，本实施例将薄壁圆筒杆件的闭口截面杆段101和开口截面杆段201集成于同一杆件之中，在同样的扭转作用下对闭口截面杆段101、开口截面杆段201的应力应变分布进行分析比较；其中，在所述第二支撑机构处于安装状态时，能够对薄壁圆筒杆件提供纵向约束，能够进行闭口截面杆段101、开口截面杆段201的应力应变及变形的对比试验；其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段201形成悬空状态，能够进行组合变形下闭口截面杆段101的应力应变及变形的测定试验；其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段201形成悬空状态，能够对开口截面杆段201进行弯曲中心的测定试验。

本实施例中，优选的，所述第一支撑机构包括：自下而上依次设置的第一台座601、第一压块602；所述第一台座601与所述第一压块602固定连接，在所述第一台座601与所述第一压块602之间具有第一安装位，所述薄壁圆筒杆件靠近所述闭口截面杆段101的一侧固定连接于所述第一安装位。对于第一台座601、第一压块602的形状并不局限，可以采用多种形状，以其中一种优选的方式举例：第一台座601、第一压块602均为梯形体。

本实施例中，对应的，所述第二支撑机构包括：自下而上依次设置的第二台座502、第二压块503和第三压块501；所述第二台座502与第二压块503可拆卸地连接(例如：可以采用纵向的螺栓进行螺纹连接)，所述第三压块501与第二压块503可拆卸地连接(例如：可以采用纵向的螺栓进行螺纹连接)，在所述第三压块501与第二压块503之间具有第二安装位，所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段201的一侧穿过所述第二安装位，且与所述第二安装位可拆卸地连接(此外，该薄壁圆筒杆件的端部还与加载定位机构固定连接)。当第二台座502、第二压块503和第三压块501由螺栓依次连接时，对薄壁圆筒杆件仅施加竖向位移约束。当第二压块503和第三压块501拆卸时，则薄壁圆筒杆件该侧为悬臂端。

作为一种进一步的技术方案，所述加载定位机构包括：加载定位件401、加载伸缩件和加载移动轨道405；所述加载定位件401与所述薄壁圆筒杆件靠近所述开口截面杆段201的端部固定连接，所述加载移动轨道405设置于所述加载定位件401的纵向投影位置，所述加载伸缩件的上端与所述加载定位件401可活动地连接，能沿所述加载定位件401的长度方向进行移动，所述加载伸缩件的下端与所述加载移动轨道405可活动地连接，能沿所述加载移动轨道405的长度方向进行移动。

具体的，所述加载伸缩件包括：由柔索402依次连接的第一挂钩406、调节组件、拉力传感器404和第二挂钩409，所述调节组件用于控制与其连接的柔索402的长度；所述加载定位件401上开设有通槽结构，所述第一挂钩406可活动地安装于所述通槽结构中；所述加载移动轨道405上开设有滑槽结构，所述第二挂钩409可活动地安装于所述滑槽结构中。第一挂钩406和第二挂钩409为一字型，结构简单，操作方便。

进一步的，所述调节组件包括：旋转套筒403、第一螺柱407和第二螺柱，所述旋转套筒403设置有贯通设置的内螺孔；所述第一螺柱407设置有与所述内螺孔配合的外螺纹，所述第一螺柱407从所述旋转套筒403的一端插入至所述内螺孔中，且与其对应的柔索402连接；所述第二螺柱置有与所述内螺孔配合的外螺纹，所述第二螺柱从所述旋转套筒403的另一端插入至所述内螺孔中，且与其对应的柔索402连接；所述旋转套筒403的外表面设置有沟槽结构408，用于插装插销以转动所述旋转套筒403，从而使柔索402收紧或放松，对薄壁圆筒杆件施加载荷作用，载荷大小通过拉力传感器404测定，柔索402的上下挂钩(第一挂钩406、第二挂钩409)可以在通槽结构、滑槽结构内滑动，实现沿垂直试验薄壁圆筒轴线水平方向不同位置施加载荷。

作为一种进一步的技术方案，在所述闭口截面杆段101的周面四等分点的位置分别设置有四个应变花102；在所述开口截面杆段201的周面四等分点的位置分别设置有三个应变花202，所述开口截面杆段201的开口部分对应设置于剩下的一个周面四等分点的位置，以对开口、闭口薄壁截面应力应变分布进行测试分析。

本实施例中，所述百分表机构包括：t型支架303、第一百分表301、第二百分表302、第一刚性连接部103和第二刚性连接部203，所述t型支架303的纵杆支撑设置于所述薄壁圆筒杆件的一侧，所述第一百分表301设置于所述t型支架303的横杆的第一端，且所述百分表的测出点抵接在所述第一刚性连接部103的上表面，所述第一刚性连接部103固定于所述闭口截面杆段101靠近所述开口截面杆的一侧位置；所述第二百分表302设置于所述t型支架303的横杆的第二端，且所述百分表的测出点抵接在所述第二刚性连接部203的上表面，所述第二刚性连接部203固定于所述闭口截面杆段101靠近所述第二支撑机构的一侧位置。其中，第一刚性连接部103、第二刚性连接部203均可采用钢片结构，且分别与所述薄壁圆筒杆件垂直设置。当对薄壁圆筒杆件施加荷载时，通过百分表的测触点处上下位移可以确定相应位置的扭转变形。

此外，本实施例中，作为一种进一步的技术方案，该薄壁杆件试验装置还包括：台架701，所述台架701用于承载所述第一支撑机构、第二支撑机构、加载定位机构和百分表机构。台架701起到对整个装置进行支撑的作用，使得整个试验过程更加稳定、可靠。

实施例二

结合图1至图4所示，本实施例二还提供一种根据上述实施例一所述薄壁杆件试验装置的试验方法，包括：将薄壁圆筒杆件的闭口截面杆段101和开口截面杆段201集成于同一杆件之中，在同样的扭转作用下对闭口截面杆段101、开口截面杆段201的应力应变分布进行分析比较；其中，在所述第二支撑机构处于安装状态时，能够对薄壁圆筒杆件提供纵向约束，能够进行闭口截面杆段101、开口截面杆段201的应力应变及变形的对比试验；其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段201形成悬空状态，能够进行组合变形下闭口截面杆段101的应力应变及变形的测定试验；其中，在所述第二支撑机构处于拆卸状态时，使开口截面杆段201形成悬空状态，能够对开口截面杆段201进行弯曲中心的测定试验。

更加具体而言，下面以实施例一中的所述薄壁杆件试验装置描述其工作原理。

一)、将薄壁圆筒杆件的闭口截面杆段101和开口截面杆段201集成于同一杆件之中，实现了在同样的扭转作用下对薄壁杆件闭口和开口两种截面的应力应变分布进行分析比较。具体而言，当第二台座502、第二压块503和第三压块501安装连接对实验薄壁圆筒施加竖向约束时，加载定位机构将对实验薄壁圆筒施加扭转作用，保持试验线弹性加载，则在开口薄壁段(开口截面杆段201)和闭口薄壁段(闭口截面杆段101)受相同的扭矩内力作用。

二)、在薄壁圆筒试验中引入了百分表测位移方法确定截面的扭转变形，从而与已有的应变电测方法一道对薄壁圆筒构成了相对完备的受力分析。第一刚性连接部103和第二刚性连接部203与薄壁圆筒相应位置进行固定，当薄壁圆筒受荷载作用产生扭转变形时，第一刚性连接部103和第二刚性连接部203将随相应截面位置进行转动，百分表触针将随之上下滑动，并通过百分表测出触点的位移，在线弹性加载的小变形条件下，将测出的位移除以触点到薄壁圆筒形心的水平距离，则可以得到相应截面到固定截面的扭转角度。

三)、可根据不同的目的对薄壁圆筒实现多项试验。

当第二台座502、第二压块503和第三压块501按图示连接对薄壁圆筒提供竖向约束时，可以进行薄壁圆筒开、闭口应力应变及变形的对比实验；当第二压块503和第三压块501拆卸时对闭口截面杆段101可以实现组合变形下闭口薄壁截面的应力应变及变形的测定实验；当第二压块503和第三压块501拆卸时对开口截面杆段201可以实现弯曲中心的测定实验。

对于弯曲中心测定实验，本发明可以实现两种不同的技术方案进行确定验证，例如：可以应用应变电测方法确定弯曲中心位置，而应用百分表测位移的方法验证验证弯心位置。在加载定位机构预先确定若干加载位置，依次移动加载定位机构至这些加载位置施加相同的荷载，通过b-b截面粘贴的应变花测出不同加载位置相应应变大小，通过分析这些应变变化可以确定弯曲中心位置，将加载定位机构移至应变电测方法确定的弯曲中心位置再次施加荷载，用百分表测定相应位置位移，根据开口薄壁截面性质，此时百分表所测位移应相等，从而验证应变电测方法实验结果。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。