專利名稱：多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及桁架結(jié)構(gòu)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，具體涉及具有教學(xué)、橋梁設(shè)計(jì)、房屋設(shè)計(jì)、施工演示等用途的桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺。
背景技術(shù)：
近年來，由于桁架結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)以及相貫節(jié)點(diǎn)的研究日益成熟，各種巨型格構(gòu)構(gòu)件越來越廣泛地用于大跨屋蓋、橋梁?？臻g桁架梁由多個(gè)平面桁架組成，這樣的空間格構(gòu)式構(gòu)件不僅具有豎向剛度，也有較大的平面外剛度，同時(shí)，它又具有平面體系的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)布置時(shí)可以每軸線布置一榀空間桁架梁，結(jié)構(gòu)分析時(shí)也能分解出次構(gòu)件(如次桁架、檁條)的傳力和空間桁架梁的受力關(guān)系，施工時(shí)同樣可以分段制作，一榀一榀吊裝。因此，空間桁架梁介于平面體系與空間體系之間，經(jīng)濟(jì)效益較好，用鋼量明顯低于網(wǎng)架，值得推廣。但是尚缺乏理論研究，工程設(shè)計(jì)時(shí)顯得無章可循。目前還沒有能夠進(jìn)行應(yīng)力分析等多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)、便于教學(xué)并為系統(tǒng)地培訓(xùn)管理、監(jiān)控、檢測人員提供實(shí)驗(yàn)的桁架模型結(jié)構(gòu)。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)只是對照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書將主要步驟重復(fù)作一次，不能充分發(fā)揮學(xué)生的想象力、激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前對桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析等實(shí)驗(yàn)裝置的不足，提供一種成本低、可拆卸，能組成各種工程模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析的多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺。
本發(fā)明的多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺，包括底座、立柱、模型架和加載裝置，底座兩端分別連接有立柱，模型架由一組連桿通過連接片及銷釘連接在一起而成，模型架的兩端分別連接在底座兩端的立柱上端，其中一端為鉸接，另一端為自由滑動連接，加載裝置安裝在底座上，可在底座上移動，其傳力軸與模型架連接，加載裝置上安裝有載荷傳感器，載荷傳感器的輸出端通過信號采集儀與計(jì)算機(jī)連接。
加載裝置由蝸輪、蝸桿、殼體及傳力軸組成，蝸桿和蝸輪均安裝在殼體上，蝸輪與蝸桿嚙合傳動，蝸輪通過球形鉸鏈與載荷傳感器連接，傳力軸與載荷傳感器連接。轉(zhuǎn)動蝸桿使蝸輪隨之轉(zhuǎn)動，蝸輪通過載荷傳感器再帶動傳力軸上下移動以加載或卸載。
實(shí)驗(yàn)時(shí)各連桿上粘貼單向電阻應(yīng)變片，串連成半橋電路(由于測點(diǎn)較多，具體操作時(shí)可使用單臂電路，以達(dá)到共用補(bǔ)償片的目的)，連接到電阻應(yīng)變儀上。可根據(jù)測試需要，在桁架的各節(jié)點(diǎn)通過移動加載裝置在不同節(jié)點(diǎn)上加載，由載荷傳感器讀出載荷的大小，加載后，由電阻應(yīng)變儀讀出各連桿件由載荷引起的應(yīng)變值ε，通過連桿件材料的彈性模量E，計(jì)算出各桿的應(yīng)力值σ＝Eε。
本發(fā)明根據(jù)不同要求組合成各種有工程背景的模型結(jié)構(gòu)，借助于電測對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，拆卸和組裝方便，成本低。為相關(guān)人員進(jìn)行自主設(shè)計(jì)、綜合研究實(shí)驗(yàn)提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺，便于學(xué)生搭配各種桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，系統(tǒng)地了解各種桁架結(jié)構(gòu)，以提高學(xué)生的動手能力，分析問題的能力，激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，并為系統(tǒng)地培訓(xùn)管理、監(jiān)控、檢測人員提供了實(shí)驗(yàn)裝置。


圖1是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中應(yīng)變值測定電路原理圖。
圖4是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)受力分析模型圖。
圖5是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例的各連桿件受力大小圖。
圖6是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)受力分析模型圖。
圖8是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的各連桿件受力大小圖。
圖9是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)受力分析模型圖。
圖11是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例的各連桿件受力大小圖。
圖中1、底座，2、立柱，3、銷軸，4、加載裝置，5、載荷傳感器，6、連桿，7、連接片，8、銷釘，9、蝸輪，10、蝸桿，11、殼體，12、傳力軸，13、球形鉸鏈，14、單向電阻應(yīng)變片，15、標(biāo)準(zhǔn)電阻。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例的桁架是一個(gè)下斜拉架模型，包括底座1、立柱2、連桿6、連接片7、銷釘8、加載裝置4和載荷傳感器5，底座1的兩端分別連接有立柱2，共有十三個(gè)連桿6通過八個(gè)連接片7及二十六個(gè)銷釘8連接在一起組成了下斜拉模型架，模型架的兩端分別連接在底座兩端的立柱2上端，其中一端通過銷軸3與立柱2鉸接，另一端可在下面安裝滑輪，形成自由滑動連接，在受載情況下可以移動，以適應(yīng)其位移。加載裝置4安裝在底座1上，可在底座1上移動，以便于對不同位置的連桿施力。
加載裝置4的結(jié)構(gòu)如圖2所示，由蝸輪9、蝸桿10、殼體11及傳力軸12組成，蝸輪9和蝸桿10均安裝在殼體11上，蝸輪9與蝸桿10嚙合傳動。球形鉸鏈13分為上下兩部分，上部分的下端為球頭結(jié)構(gòu)，下部分的上端為球形凹坑結(jié)構(gòu)，球頭嵌在球形凹坑內(nèi)，使球形鉸鏈13的上下兩部分連接在一起。球形鉸鏈13的上部分的上端通過螺紋與載荷傳感器5固定連接。球形鉸鏈13的下部分的下端通過螺紋與蝸輪9連接形成螺旋傳動。球形鉸鏈13的下部分隨蝸輪9的轉(zhuǎn)動而上下移動，球形鉸鏈13的上部分不轉(zhuǎn)動，只上下移動。傳力軸12的下端通過螺紋與載荷傳感器5連接，上端與模型架連接。轉(zhuǎn)動蝸桿10使蝸輪9隨之轉(zhuǎn)動，通過球形鉸鏈13的螺旋移動帶動載荷傳感器5、傳力軸12上下移動給模型架加載或卸載。載荷傳感器5的輸出端通過信號采集儀與計(jì)算機(jī)連接。
實(shí)驗(yàn)時(shí)各桿件上粘貼單向電阻應(yīng)變片14，測量用的單向電阻應(yīng)變片14與標(biāo)準(zhǔn)電阻15組成如圖3所示的半橋電路(由于測點(diǎn)較多，具體操作時(shí)可使用單臂電路，以達(dá)到共用補(bǔ)償片的目的)，連接到電阻應(yīng)變儀上。根據(jù)測試需要，在桁架的各節(jié)點(diǎn)通過移動加載裝置可在不同節(jié)點(diǎn)上加載，由載荷傳感器5讀出載荷的大小，加載后，由電阻應(yīng)變儀讀出各桿件由載荷引起的應(yīng)變值ε，通過該鋼板條材料的彈性模量E，計(jì)算出各桿的應(yīng)力值σ＝Eε。
本實(shí)施例在模型架跨中處受力載荷為P的受力分析模型圖如圖4所示。由整體靜力平衡求出桁架的約束反力，建立整體坐標(biāo)系，通過理論力學(xué)的基礎(chǔ)靜力平衡方程，再利用節(jié)點(diǎn)法可以求出各連桿內(nèi)力(匯交力系、只有兩個(gè)平衡方程)。得出的全部連桿件受力大小如圖5所示。各連桿的內(nèi)力與其橫截面積之比即為該連桿的拉(壓)應(yīng)力值σ，進(jìn)一步可求出其應(yīng)變值ε＝σ/E。
考慮到連桿件的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)時(shí)采取構(gòu)造對稱模型，即在立柱上有前后兩個(gè)相同的模型架，中間加載(加載裝置輸出200N的力，相當(dāng)于每個(gè)模型受載P＝100N)的方式。傳力軸12與兩個(gè)對稱模型架的連接橫梁連接。為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺的測試精度，對各連桿的應(yīng)變值(με)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算出相對誤差。如下表所示

實(shí)施例2如圖6所示，本實(shí)施例的桁架是一個(gè)倒W架模型，由十三個(gè)連桿通過八個(gè)連接片及二十六個(gè)銷釘連接而成。其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1一樣。
本實(shí)施例在模型架跨中處受力載荷為P的受力分析模型圖如圖7所示。通過理論力學(xué)的基礎(chǔ)可以求出各連桿內(nèi)力。得出的全部連桿件受力大小如圖8所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)同樣采取構(gòu)造對稱模型，中間加載的方式。對各連桿的應(yīng)變值(με)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算出相對誤差。如下表所示

實(shí)施例3如圖9所示，本實(shí)施例的桁架是一個(gè)菱形架模型，由十七個(gè)連桿通過十個(gè)連接片及三十四個(gè)銷釘連接而成。其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1一樣。
本實(shí)施例在模型架1/2跨中處受力載荷為P的受力分析模型圖如圖10所示。通過理論力學(xué)的基礎(chǔ)可以求出各連桿內(nèi)力。得出的全部連桿件受力大小如圖11所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)同樣采取構(gòu)造對稱模型，中問加載的方式。對各連桿的應(yīng)變值(με)測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，計(jì)算出相對誤差。如下表所示

從上述三個(gè)實(shí)施例的表中數(shù)據(jù)可以看出，本發(fā)明的多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺測試精度良好。
權(quán)利要求
1.一種多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺，其特征在于包括底座、立柱、模型架和加載裝置，底座兩端分別連接有立柱，模型架由一組連桿通過連接片及銷釘連接在一起而成，模型架的兩端分別連接在底座兩端的立柱上端，其中一端為鉸接，另一端為自由滑動連接，加載裝置安裝在底座上，可在底座上移動，其傳力軸與模型架連接，加載裝置上安裝有載荷傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺，其特征在于所述加載裝置由蝸輪、蝸桿、殼體及傳力軸組成，蝸桿和蝸輪均安裝在殼體上，蝸輪與蝸桿嚙合傳動，蝸輪通過球形鉸鏈與載荷傳感器連接，傳力軸與載荷傳感器連接。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多功能桁架結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺，包括底座、立柱、模型架和加載裝置，底座兩端分別連接有立柱，模型架由一組連桿通過連接片及銷釘連接在一起而成，模型架的兩端分別連接在底座兩端的立柱上端，其中一端為鉸接，另一端為自由滑動連接，加載裝置安裝在底座上，可在底座上移動，其傳力軸與模型架連接，加載裝置上安裝有載荷傳感器。載荷傳感器的輸出端通過信號采集儀與計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明根據(jù)不同要求組合成各種有工程背景的模型結(jié)構(gòu)，借助于電測對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，拆卸和組裝方便，成本低。
文檔編號G09B25/00GK1920900SQ20061006878
公開日2007年2月28日 申請日期2006年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月12日
發(fā)明者湯紅衛(wèi), 曲英姿, 馬惠敏, 汪保良 申請人:山東大學(xué)