專(zhuān)利名稱：結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高等院校《結(jié)構(gòu)力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域，產(chǎn)品主要應(yīng)用于桿件結(jié) 構(gòu)中剛架、桁架及組合結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)力學(xué)主要任務(wù)是根據(jù)力學(xué)原理研究在外力和其他外界因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi) 力和變形，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力反應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)的組成規(guī)律。高等院校《結(jié)構(gòu) 力學(xué)》主要研究對(duì)象為桿件結(jié)構(gòu)，桿件結(jié)構(gòu)由桿件、結(jié)點(diǎn)、支座等組成。理論分析時(shí)，桿件 簡(jiǎn)化為有一定剛度的軸線，可承受彎矩、軸力、剪力；結(jié)點(diǎn)和支座簡(jiǎn)化成只有功能而無(wú)尺寸 的連接點(diǎn)，根據(jù)功能的不同結(jié)點(diǎn)分為鉸結(jié)點(diǎn)、剛結(jié)點(diǎn)，支座分為滾動(dòng)支座、鉸支座、固定支 座。梁、拱、桁架、剛架、組合結(jié)構(gòu)是桿件結(jié)構(gòu)的典型形式，在工程實(shí)踐中的應(yīng)用非常廣泛， 因此，將典型的結(jié)構(gòu)形式制作成模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)將非常有助于學(xué)生對(duì)理論的理解，但由于 以下原因?qū)е聦?shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算誤差較大，使得該門(mén)課程始終無(wú)法進(jìn)行模型與理論的對(duì)比 實(shí)驗(yàn)。
1. 理想的結(jié)點(diǎn)是只有功能而沒(méi)有尺寸的結(jié)構(gòu)單元，桿件的長(zhǎng)度是節(jié)點(diǎn)間的距離，而實(shí)際 結(jié)點(diǎn)是有一定尺寸的實(shí)體，導(dǎo)致桿件在在理論長(zhǎng)度內(nèi)非等剛度，對(duì)測(cè)試結(jié)果會(huì)造成結(jié)點(diǎn)尺寸 效應(yīng)。鉸結(jié)點(diǎn)、剛結(jié)點(diǎn)都存在此問(wèn)題。
2. 理想的鉸結(jié)點(diǎn)只能承受軸力不能承受彎矩，但理想的鉸結(jié)點(diǎn)是不存在的，實(shí)際工程中 由于摩擦力等原因的存在使得鉸結(jié)點(diǎn)不僅能承受一定彎矩，而且往往隨著軸力的增大其可承 受的彎矩也隨之增大。同樣的情況存在于支座的理論簡(jiǎn)化中。
3. 桿件與結(jié)點(diǎn)的連接間隙，往往使結(jié)構(gòu)在加載初期為瞬變體系。
4. 加載裝置與結(jié)構(gòu)的連接后對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多功能結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)裝置，在該裝置上可組合出結(jié)構(gòu) 力學(xué)桁架、剛架、組合結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)裝置。所有的被測(cè)參量實(shí)現(xiàn)電測(cè)量，數(shù)據(jù)采集分析采用多 通道的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)。
本發(fā)明的方案是本發(fā)明由機(jī)架、桿件、結(jié)點(diǎn)、支座、加載裝置、傳感部分、數(shù)據(jù)采集 分析系統(tǒng)等組成。各部分功能分述如下
機(jī)架主體采用矩形框架結(jié)構(gòu)，由上橫梁、下橫梁、左立柱、右立柱、結(jié)點(diǎn)定位板及安裝 底座等組成，上橫梁用于安裝支座，左右立柱及下橫梁提供加載支撐，結(jié)點(diǎn)定位板用于實(shí)驗(yàn) 裝置安裝時(shí)的結(jié)點(diǎn)準(zhǔn)確定位及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持實(shí)驗(yàn)裝置的平面狀態(tài)。矩形框架結(jié)構(gòu)各部分之 間通過(guò)連接板聯(lián)接，整體通過(guò)螺栓與底座相聯(lián)接。
桿件采用薄壁金屬圓管或方管，管兩端有安裝用的定位孔，有定長(zhǎng)的及可調(diào)的兩種。桁 架桿及剛架桿采用相同的桿件，在桿件的特征部位粘貼有電阻應(yīng)變片用于測(cè)量測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。
結(jié)點(diǎn)用以連接各桿件，以組成需要的結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)采用剖分式圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)點(diǎn)盤(pán)，桿 件的安裝部分裝夾在兩結(jié)點(diǎn)盤(pán)的中間，通過(guò)結(jié)點(diǎn)盤(pán)與桿件的摩擦力及銷(xiāo)軸傳遞軸力，每個(gè)節(jié) 點(diǎn)最多可連接8個(gè)桿件。結(jié)點(diǎn)盤(pán)按功能分為為鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)和固結(jié)點(diǎn)盤(pán)兩類(lèi)，兩類(lèi)結(jié)點(diǎn)盤(pán)與桿件 的連接方式相同，可互換安裝。區(qū)別在于在鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)上設(shè)有弱連接，使得鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)只能承受 很小的彎矩，但能承受較大的軸力，而固結(jié)點(diǎn)盤(pán)既可承受較大的軸力也可承受較大的彎矩， 這樣通過(guò)不同類(lèi)型結(jié)點(diǎn)盤(pán)的組合就可以得到不同類(lèi)型的結(jié)點(diǎn)。每類(lèi)結(jié)點(diǎn)盤(pán)按安裝位置不同可 分為上盤(pán)和下盤(pán)兩種。結(jié)點(diǎn)盤(pán)按使用部位不同又可分為通用結(jié)點(diǎn)盤(pán)和支座結(jié)點(diǎn)盤(pán)兩類(lèi)。.
支座通過(guò)轉(zhuǎn)軸與上橫梁相連接，通過(guò)控制支座的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)支座與鉸支座的轉(zhuǎn)換，鉸 支座與固定支座的區(qū)別在于支座結(jié)點(diǎn)與支座的連接方式。每一個(gè)支座的形式無(wú)需提前確定， 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可通過(guò)支座調(diào)整裝置任意轉(zhuǎn)換。加載裝置安裝在下橫梁及左、右立柱上，用以提供所需要的荷載。加載機(jī)構(gòu)主要有四種 分別為砝碼杠桿加載、絲杠杠桿加載、渦輪蝸桿絲杠加載、雙作用油缸加載，可直接對(duì)測(cè)試 對(duì)象施加多點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)拉力、結(jié)點(diǎn)壓力、結(jié)點(diǎn)彎矩。
傳感部分設(shè)置了拉壓力傳感器、應(yīng)變片、位移傳感器等多種傳感器用以測(cè)量施加在結(jié)點(diǎn) 上拉、壓力、彎矩、桿件的應(yīng)變、結(jié)點(diǎn)的位移等。
數(shù)據(jù)采集分析部分采用多通道的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，測(cè)量不同類(lèi)型傳感器輸出 的電信號(hào)，從而得到被測(cè)各物理量，并完成被測(cè)參量以不同方式的實(shí)時(shí)顯示、儲(chǔ)存、分析等。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)點(diǎn)盤(pán)采用剖分式結(jié)構(gòu)，桿件安裝在兩片結(jié)點(diǎn)盤(pán)中，在鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)上設(shè) 置特定形狀的弱連接，利用弱連接具有可傳遞較大軸力但只能傳遞很小彎矩的力學(xué)特性，得 到較為理想的鉸結(jié)點(diǎn)。通過(guò)選擇合理的剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)與桿件的連接方式，減小剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)的尺寸， 從而減小結(jié)點(diǎn)尺寸效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，得到較為理想的剛結(jié)點(diǎn)。桁架與剛架采用相同的 桿件、鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)與剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)可以互換安裝、支座的形式可方便地轉(zhuǎn)換等使得可以方便轉(zhuǎn)換結(jié) 點(diǎn)、桿件及支座的性質(zhì)，以得到不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，有利于不同類(lèi)型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。以 及加載種類(lèi)及加載形式的多樣化，有利于開(kāi)展綜合性研究性實(shí)驗(yàn)。桿件上的電阻應(yīng)變片通過(guò) 插座的形式輸出，不僅有利于快速接線，而且便于桿件的管理。桿件采用定長(zhǎng)桿與可調(diào)桿相 結(jié)合的方式、采用剖分式的結(jié)點(diǎn)盤(pán)及設(shè)置結(jié)點(diǎn)盤(pán)定位板等有利于實(shí)驗(yàn)裝置的快速組裝。設(shè)置 多種類(lèi)型的傳感器，有利于數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)采集，多通道、多數(shù)據(jù)類(lèi)型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系 統(tǒng)不僅具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析功能，而且由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，有利 于進(jìn)行開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明


圖1為結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)裝置實(shí)施例的正面視圖
圖2為通用鉸結(jié)點(diǎn)實(shí)施例的裝配圖
圖3為通用固鉸結(jié)點(diǎn)實(shí)施例的裝配圖
圖4為桿件實(shí)施例裝配圖
圖5為通用固結(jié)點(diǎn)另一實(shí)施例的裝配圖
圖6為支座鉸結(jié)點(diǎn)實(shí)施例的裝配圖
圖中1底座，2下橫梁，3左立柱，4拉壓加載桿，5渦輪蝸桿副，6連接板，7支座結(jié) 點(diǎn)盤(pán)，8可調(diào)支座，9支座轉(zhuǎn)軸，IO支座調(diào)整螺釘，ll上橫梁，12桿件，12-1左調(diào)整螺桿， 12-2左鎖緊螺母，12-3桿件本體，12-4右鎖緊螺母，12-5右調(diào)整螺桿，12-6應(yīng)變片，12-7 接線插座，13右立柱，14滑輪機(jī)構(gòu)，15加載桿桿，16鋼絲繩調(diào)整裝置17加載砝碼，18雙 向加載油缸，19加載小車(chē)，20加載絲杠，21鋼絲繩，22測(cè)力傳感器，23彎矩加載桿，24通 用結(jié)點(diǎn)盤(pán)，25結(jié)點(diǎn)盤(pán)定位板。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的是這樣實(shí)施的
1、結(jié)點(diǎn)部分在圖2、圖3、圖5、圖6所示結(jié)點(diǎn)中，結(jié)點(diǎn)由上、下兩結(jié)點(diǎn)盤(pán)組成，桿 件(12)的調(diào)整螺栓(12-1、 5)通過(guò)上、下盤(pán)的圓弧面夾緊，上、下結(jié)點(diǎn)盤(pán)通過(guò)螺栓連接， 下盤(pán)為螺紋孔，上盤(pán)為通孔。圖2為通用鉸結(jié)點(diǎn)，圖3、圖5為通用固結(jié)點(diǎn)，圖6為支座鉸 結(jié)點(diǎn)。鉸結(jié)點(diǎn)與固結(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于鉸結(jié)點(diǎn)的上、下盤(pán)均為鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)，固結(jié)點(diǎn)的上、下盤(pán)至 少有一個(gè)結(jié)點(diǎn)盤(pán)為固結(jié)點(diǎn)盤(pán)。通用結(jié)點(diǎn)與支座結(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于支座結(jié)點(diǎn)可通過(guò)結(jié)點(diǎn)盤(pán)中間 的螺栓與可調(diào)支座(8)實(shí)現(xiàn)鉸結(jié)，若增加一個(gè)限位螺栓，則實(shí)現(xiàn)支座結(jié)點(diǎn)與可調(diào)支座(8)
的固結(jié)。鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)和固結(jié)點(diǎn)盤(pán)的區(qū)別在于在鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)上設(shè)有弱連接，使得鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)只能承
受很小的彎矩，但能承受較大的軸力，而固結(jié)點(diǎn)盤(pán)既可承受較大的軸力也可承受較大的彎矩，
這樣通過(guò)安裝不同的結(jié)點(diǎn)盤(pán)就可以得到不同類(lèi)型的結(jié)點(diǎn)。圖2所示的鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)采用矩形微梁 形式的弱連接，微梁只需較小的的彎矩即可產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)角，從而達(dá)到控制桁架桿件上最大彎矩的目的。
2、 桿件部分桿件有定長(zhǎng)桿件與可調(diào)桿件兩種，在圖4可調(diào)桿件中，左右調(diào)整螺桿(12-1、 5)分別為左、右旋螺紋，旋轉(zhuǎn)桿件本體(12-3)可調(diào)節(jié)調(diào)整螺桿上定位孔的距離，以達(dá)到要 求的安裝尺寸。桿件上粘貼有電阻應(yīng)變片(12-6)，并裝有接線插座(12-7)，以方便應(yīng)變測(cè) 試及應(yīng)變測(cè)試快速接線。桁架桿及剛架桿采用相同的桿件有利于結(jié)點(diǎn)類(lèi)型的快速轉(zhuǎn)換。
3、 機(jī)架部分通過(guò)連接板(5)將下橫梁(2)、左立柱(3)、右立柱(13)、上橫梁(11) 連接成一個(gè)矩形的實(shí)驗(yàn)框架，下橫梁(2)安裝在底座(1)上，上下橫梁之間裝有結(jié)點(diǎn)定位 板(25)(圖示實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)有5個(gè)，圖中只繪出2個(gè))?？烧{(diào)支座(8)通過(guò)支座轉(zhuǎn)軸(9)與 上橫梁相連，通過(guò)支座調(diào)整螺釘(10)的調(diào)緊與松開(kāi)并結(jié)合支座結(jié)點(diǎn)盤(pán)(7)與可調(diào)支座(8) 的固定關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)多種支座形式。如當(dāng)支座調(diào)整螺釘(10)為旋松狀態(tài)、支座結(jié)點(diǎn)盤(pán)(7) 與可調(diào)支座(8)為鉸接狀態(tài)時(shí)，則此時(shí)的支座形式為滾動(dòng)支座。下橫梁(2)為加載提供加 載反力支撐，左、右立柱(3， 13)既可提供加載反力支撐，也可通過(guò)滑輪機(jī)構(gòu)(14)將豎向 加載轉(zhuǎn)化為水平加載。結(jié)點(diǎn)盤(pán)定位板(25)上裝有結(jié)點(diǎn)定位銷(xiāo)軸，用于實(shí)驗(yàn)裝置組裝時(shí)的結(jié) 點(diǎn)盤(pán)準(zhǔn)確定位及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持實(shí)驗(yàn)裝置的平面狀態(tài)。
4、 加載部分如圖l所示的加載方案，測(cè)力傳感器(22) —端連接在結(jié)點(diǎn)盤(pán)上， 一端連 接在鋼絲繩(21)上、鋼絲繩(21)又通過(guò)鋼絲繩調(diào)整裝置(16)連接到加載杠桿(15)上， 通過(guò)加載砝碼(17)或加載絲杠(20)加載，就可以得到經(jīng)桿桿放大的豎向拉力。也可將鋼 絲繩(21)連接到帶有加載小車(chē)(19)的雙向加載油缸(18)上，直接施加豎向拉力。如果 將與雙向加載油缸(18)連接的鋼絲繩(21)換成剛性加載桿，則可實(shí)現(xiàn)拉、壓雙向加載， 也可以采用拉壓加載桿(4)與渦輪蝸桿副(5)相配合的方式實(shí)現(xiàn)拉、壓雙向加載。豎向拉 力也可通過(guò)滑輪機(jī)構(gòu)(14)轉(zhuǎn)化成水平拉力或彎矩，將水平力連接在彎矩加載桿(23)的施 力點(diǎn)時(shí)，便施加了結(jié)點(diǎn)彎矩，彎矩的大小為拉力與彎矩加載桿(23)長(zhǎng)度的積。另外，可通 過(guò)調(diào)整可調(diào)桿件的長(zhǎng)度產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)力荷載。
5、 數(shù)據(jù)采集分析部分采用多通道的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置的拉壓力 傳感器、電阻應(yīng)片、位移傳感器等可直接測(cè)量各測(cè)點(diǎn)拉、壓力及應(yīng)變、位移，結(jié)點(diǎn)彎矩等， 通過(guò)相應(yīng)的分析軟件可分析當(dāng)前荷載下桿件應(yīng)變、結(jié)點(diǎn)位移的理論值并與實(shí)測(cè)值相比較。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，機(jī)架采用矩形框架結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)由支座、結(jié)點(diǎn)、桿件組成，加載采用杠桿加載、液壓油缸加載、螺旋加載形式，可施加結(jié)點(diǎn)拉、壓力及彎矩；拉、壓力及彎矩通過(guò)拉壓力傳感器測(cè)量，應(yīng)變通過(guò)粘貼在特征部位的電阻應(yīng)變片測(cè)量，結(jié)點(diǎn)位移通過(guò)位移傳感器測(cè)量，采用多通道的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；其特征在于結(jié)點(diǎn)盤(pán)采用剖分式結(jié)構(gòu)，桿件安裝在兩片結(jié)點(diǎn)盤(pán)中，在鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)上設(shè)置特定形狀的弱連接。
2. 如權(quán)利1所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于桁架與剛架采用相同的桿件， 鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)、剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)與桿件的連接方式相同，可以互換安裝。
3. 如權(quán)利l所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于支座上設(shè)有控制支座轉(zhuǎn)動(dòng)的螺釘。
4. 如權(quán)利l所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于桿件有定長(zhǎng)桿與可調(diào)桿兩種形式。
5. 如權(quán)利l所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于設(shè)有結(jié)點(diǎn)盤(pán)安裝定位板。
6. 如權(quán)利1所述的結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于在立柱上裝有荷載換向滑輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及高等院?！督Y(jié)構(gòu)力學(xué)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域，產(chǎn)品主要應(yīng)用于桿件結(jié)構(gòu)中剛架、桁架及組合結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。本發(fā)明的主要特點(diǎn)在于結(jié)點(diǎn)盤(pán)采用剖分式結(jié)構(gòu)，桿件安裝在兩片結(jié)點(diǎn)盤(pán)中，在鉸結(jié)點(diǎn)盤(pán)上設(shè)置特定形狀的弱連接，利用弱連接具有可傳遞較大軸力但只能傳遞很小彎矩的力學(xué)特性，得到較為理想的鉸結(jié)點(diǎn)。通過(guò)選擇合理的剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)與桿件的連接方式，減小剛結(jié)點(diǎn)盤(pán)的尺寸效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，得到較為理想的剛結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)性質(zhì)、支座性質(zhì)轉(zhuǎn)換方便。所有被測(cè)量均實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析的電測(cè)量，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的應(yīng)用不僅方便了數(shù)據(jù)采集，而且豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，有利于進(jìn)行開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
文檔編號(hào)G09B25/00GK101303813SQ20081000502
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月30日
發(fā)明者吳江龍, 錕 董, 袁苗苗, 褚福運(yùn) 申請(qǐng)人:煙臺(tái)大學(xué);煙臺(tái)新天地試驗(yàn)技術(shù)有限公司