本實(shí)用新型涉及教學(xué)用具領(lǐng)域，尤其涉及用于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

目前有關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)常用的實(shí)驗(yàn)裝置，剛架或桁架相關(guān)的實(shí)驗(yàn)裝置比較多見，但大多數(shù)是測量結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和位移，而沒有測量結(jié)構(gòu)在非荷載因素作用下的內(nèi)力和位移的相應(yīng)功能，不能滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是實(shí)現(xiàn)一種測量非荷載因素作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)之間的快速轉(zhuǎn)換、說明靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)在非載荷因素作用下表現(xiàn)出不同力學(xué)性質(zhì)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：用于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)裝置，教學(xué)裝置包括門形剛架和底座，所述門形剛架包括A側(cè)板、B頂梁和C側(cè)板，所述B頂梁上粘貼有B應(yīng)變片；

所述C側(cè)板包括與B頂梁固接的上插件、以及與上插件配合相互套接的下插套，所述底座上固定轉(zhuǎn)軸，所述下插套的底端兩側(cè)固定接有鏈桿，所述鏈桿均固定在轉(zhuǎn)軸上，所述鏈桿旁的底座上設(shè)有擋板，所述擋板和鏈桿上設(shè)有相配合的銷孔，當(dāng)所述擋板和鏈桿的銷孔內(nèi)插入第二銷釘時，所述轉(zhuǎn)軸被鎖止，所述上插件頂端設(shè)有第一手輪，由所述第一手輪驅(qū)動的具有螺紋段的頂桿貫穿上插件并支撐在所述下插套上，所述C側(cè)板上粘貼有C應(yīng)變片；

所述底座的滑槽內(nèi)放置有移動平臺，所述A側(cè)板放置在移動平臺上方，所述A側(cè)板兩側(cè)的移動平臺上設(shè)有軸承座，所述A側(cè)板底端的兩側(cè)分別延伸出的支撐軸固定在軸座內(nèi)，所述支撐軸的軸線方向與移動平臺和底座相對滑動的方向相同，其一個所述支撐軸上設(shè)有銷孔并通插入的第一銷釘鎖止在移動平臺的銷孔內(nèi)，另一個所述支撐軸通過聯(lián)軸器連接傳動軸，所述傳動軸由固定在移動平臺上的蝸輪蝸桿組件驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，所述蝸輪蝸桿組件由第三手輪驅(qū)動，所述底座的滑槽上設(shè)有鎖孔，所述鎖孔內(nèi)設(shè)有通過擠壓鎖止移動平臺的鎖桿，所述鎖桿上設(shè)有螺紋段并由第二手輪驅(qū)動伸縮，所述底座上固定有手輪支架，所述手輪支架上設(shè)有由第四手輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的齒輪，所述齒輪與A側(cè)板上的齒條嚙合，所述齒條與支撐軸的軸線方向平行，所述A側(cè)板上粘貼有A應(yīng)變片；所述A應(yīng)變片、B應(yīng)變片和C應(yīng)變片輸出信號至應(yīng)變儀。

所述A側(cè)板和C側(cè)板的高度均為d，所述A應(yīng)變片粘貼在距離底座d/4高度位置的A側(cè)板上，所述C應(yīng)變片粘貼在距離底座d/4高度位置的C側(cè)板上，所述B頂梁長度為L，所述B應(yīng)變片粘貼在距離A側(cè)板L/4位置的B頂梁上。

所述C應(yīng)變片粘貼在C側(cè)板下插套上。

所述d/L＝1/2。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，使用方法，可以用于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過本專利提出的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，可以幫助學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)生加深理解“靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)在非荷載因素作用下表現(xiàn)的不同力學(xué)特性”。

附圖說明

下面對本實(shí)用新型說明書中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：

圖1用于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2-4為圖1中教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置局部示意圖；

圖5為剛架受力及貼片位置示意圖；

上述圖中的標(biāo)記均為：1、剛架；2、應(yīng)變片；3、第一手輪；4、鏈桿；5、擋板；6、底座；7、蝸輪蝸桿組件；8、第二手輪；9、第三手輪；10、移動平臺；11、手輪支架；12、第四手輪；13.軸承座；14、第一銷釘；15、第二銷釘；16、聯(lián)軸器。

具體實(shí)施方式

本專利所提出的一種結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，通過測量在非荷載因素(如側(cè)板移動、材料收縮、溫度改變、制造誤差等)作用下靜定剛架1結(jié)構(gòu)和超靜定剛架1結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，驗(yàn)證在非荷載因素作用下靜定結(jié)構(gòu)和超靜定結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的不同的力學(xué)行為，即在非荷載因素作用下靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不會發(fā)生變化，但在非荷載因素作用下超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會發(fā)生變化。本專利通過鎖住或拆除剛架1與底座6之間連接鉸鏈的銷釘，實(shí)現(xiàn)靜定與超靜定結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。本專利所提出的實(shí)驗(yàn)裝置，可以用于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)。通過本專利提出的結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，可以幫助學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)生加深理解“靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)在非荷載因素作用下表現(xiàn)的不同特性”。

用于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)裝置，包括剛架1、應(yīng)變片2、第一手輪3、鏈桿4、擋板5、底座6、蝸輪蝸桿組件7、第二手輪8、第三手輪9、移動平臺10、手輪支架11、第四手輪12.軸承座13、第一銷釘14、第二銷釘15、聯(lián)軸器16。

剛架1呈門形，由A側(cè)板、B頂梁和C側(cè)板固接構(gòu)成。

C側(cè)板包括與B頂梁固接的上插件、以及與上插件配合相互套接的下插套，兩者構(gòu)成插接關(guān)系，并能相對運(yùn)動，底座6上固定轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸水平由軸承固定，可以在底座6上轉(zhuǎn)動，下插套的底端兩側(cè)固定接有鏈桿4，兩個鏈桿4均固定在轉(zhuǎn)軸上，則下插套可隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，鏈桿旁的底座6上設(shè)有擋板5，優(yōu)選設(shè)置兩個擋板5分別對應(yīng)兩個鏈桿4，擋板5和鏈桿4上設(shè)有相配合的銷孔，當(dāng)擋板5和鏈桿4的銷孔內(nèi)插入第二銷釘15時，轉(zhuǎn)軸被鎖止。

上插件頂端設(shè)有第一手輪3，由第一手輪3驅(qū)動的具有螺紋段的頂桿貫穿上插件并支撐在下插套上，這樣通過旋轉(zhuǎn)第一手輪3，則可以使得上插件和下插套相對滑動。

底座6的滑槽內(nèi)放置有移動平臺10，A側(cè)板放置在移動平臺10上方，僅接觸不連接，A側(cè)板兩側(cè)的移動平臺10上設(shè)有軸承座13，A側(cè)板底端的兩側(cè)分別延伸出的支撐軸分別固定在軸承座13上，支撐軸的軸線方向與移動平臺10和底座6相對滑動的方向相同，其一個支撐軸上設(shè)有銷孔并通插入的第一銷釘14鎖止在移動平臺10的銷孔內(nèi)，另一個支撐軸通過聯(lián)軸器16連接傳動軸，傳動軸由固定在移動平臺10上的蝸輪蝸桿組件7驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，蝸輪蝸桿組件7由第三手輪9驅(qū)動，這樣旋轉(zhuǎn)第三手輪9，傳動軸則能傳遞旋轉(zhuǎn)力至支撐軸。

底座6的滑槽上設(shè)有鎖孔，鎖孔內(nèi)設(shè)有通過擠壓鎖止移動平臺10的鎖桿，鎖桿上設(shè)有螺紋段并由第二手輪8驅(qū)動伸縮，通過旋轉(zhuǎn)第二手輪8，則可以控制底座6和移動平臺10之間的鎖止和滑動關(guān)系。

底座6上固定有手輪支架11，手輪支架11上設(shè)有由第四手輪12驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的齒輪，齒輪與A側(cè)板上的齒條嚙合，齒條與支撐軸的軸線方向平行，通過旋轉(zhuǎn)第四手輪12，則可以控制移動平臺10在底座6的滑槽內(nèi)滑動上下滑動。

如圖5所示，剛架1在非荷載因素作用下發(fā)生變形，剛架1可能受到側(cè)板移動和轉(zhuǎn)動，設(shè)豎向移動為c，繞側(cè)板轉(zhuǎn)動角度為θ。

A側(cè)板上粘貼有A應(yīng)變片2，C側(cè)板上粘貼有C應(yīng)變片2，B頂梁上粘貼有B應(yīng)變片2，A側(cè)板和C側(cè)板的高度均為d，A應(yīng)變片2粘貼在距離底座6d/4高度位置的A側(cè)板上，C應(yīng)變片2粘貼在距離底座6d/4高度位置的C側(cè)板上，B頂梁長度為L，B應(yīng)變片2粘貼在距離A側(cè)板L/4位置的B頂梁上。C應(yīng)變片2粘貼在C側(cè)板下插套上。取高跨比h/L＝1/2，A應(yīng)變片2、B應(yīng)變片2和C應(yīng)變片2輸出信號至應(yīng)變儀。

剛架1的三個電阻應(yīng)變片2，通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測量貼片處的工作應(yīng)變，按照公式：

M＝EεW

計(jì)算方法獲得貼片處剛架1橫截面的彎矩，式中E為材料的彈性模量，ε為測量點(diǎn)的工作應(yīng)變，W為截面的抗彎截面模量。

上述裝置的工作原理：

靜定剛架1在非荷載因素作用下構(gòu)件橫截面上的內(nèi)力理論上等于0，而如圖1所示的超靜定剛架1在非荷載因素作用下內(nèi)力求解需要求解3次超靜定問題。利用力法求解此超靜定問題，當(dāng)h/l＝1/2時，同時發(fā)生側(cè)板線位移和角位移時，剛架1A，B，C處截面彎矩為

式中：EI為梁的抗彎剛度，I為梁的跨度，Δ為側(cè)板線位移，θ為側(cè)板角位移。

剛架1A、B、C內(nèi)力測量實(shí)驗(yàn)值利用電阻應(yīng)變測量方法測量A、B、C的應(yīng)變ε_A,ε_B,ε_C，若采用雙臂半橋接法，其彎矩實(shí)驗(yàn)值計(jì)算公式為[5]：

M_i＝W_zE(ε_i1-ε_i2) i＝A,B,C

式中：W_z為截面抗彎截面系數(shù)，B為實(shí)驗(yàn)剛架1的寬度，H為實(shí)驗(yàn)剛架1的高度。

E為材料的彈性模量，ε_i1,ε_i2分別是截面里外測量點(diǎn)的應(yīng)變讀數(shù)。

基于用于結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)裝置的使用方法：

靜定結(jié)構(gòu)：

拔出第一銷釘14和第二銷釘15，實(shí)驗(yàn)裝置中的剛架1為靜定剛架1，將應(yīng)變儀調(diào)0。

1)第三手輪9，通過蝸輪蝸桿傳動，旋轉(zhuǎn)力由聯(lián)軸器16傳遞到剛架1的支撐軸上，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(無變化)。說明側(cè)板發(fā)生角移動不會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化

2)松開第三手輪9，并旋轉(zhuǎn)第四手輪12，移動活動平臺，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(無變化)。說明側(cè)板發(fā)生線位移不會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。

3)第一手輪3，通過螺旋傳動使得剛架1B側(cè)板構(gòu)件之間產(chǎn)生相對位移，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(無變化)。模擬制造誤差或溫度改變不會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。

注：上述3種情況可以是分別獨(dú)立的操作，也可以同時進(jìn)行，并可以觀察到結(jié)構(gòu)位移的變化。

超靜定結(jié)構(gòu)：

同時插上第一銷釘14和第二銷釘15，實(shí)驗(yàn)裝置中的剛架1變成超靜定剛架1，將應(yīng)變儀調(diào)0。

1)第一手輪3，通過螺旋傳動使得剛架1B側(cè)板構(gòu)件之間產(chǎn)生相對位移Δ，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(有變化)。模擬制造誤差或溫度改變會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。測量A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變，按照(2)式計(jì)算實(shí)測值，并與理論值比較并計(jì)算誤差。

M_i＝EWε_i (i＝A,B,C) (2)

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，應(yīng)用力法求解圖1所示的3次超靜定問題,當(dāng)d＝L/2時,A、B、C點(diǎn)處對應(yīng)剛架1截面處的彎矩理論值為：

式中:W—抗彎截面模量，

E—材料的彈性模量.

I-截面對中性軸的慣性矩

2)第一手輪3，通過螺旋傳動消除剛架1B側(cè)板構(gòu)件之間產(chǎn)生相對位移并將應(yīng)變儀置0，第四手輪12，通過螺旋傳動移動活動平臺，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(有變化)。說明側(cè)板發(fā)生位移c會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。測量A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變，按照(2)式計(jì)算實(shí)測值，并與理論值比較并計(jì)算誤差。與理論值比較并計(jì)算誤差。A、B、C點(diǎn)處對應(yīng)剛架1截面的彎矩的理論值用c代替公式中(3)中的Δ即可。

3)第一手輪3，通過螺旋傳動消除剛架1B側(cè)板構(gòu)件之間的相對位移，拔出第一銷釘14，第四手輪12將移動平臺10的位移調(diào)整到0點(diǎn)，并第二手輪8鎖緊移動平臺10，并將應(yīng)變儀置0。第三手輪9，通過蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動使得剛架1的支撐軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(有變化)。說明移動平臺10轉(zhuǎn)動位移θ會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。測量A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變，按照(2)式計(jì)算實(shí)測值，與理論值比較并計(jì)算誤差。

此時A、B、C點(diǎn)處剛架1對應(yīng)截面處的彎矩理論值：

其中：θ-為剛架1側(cè)板轉(zhuǎn)動角度；

4)第一手輪3，通過螺旋傳動消除剛架1右側(cè)構(gòu)件之間的相對位移，拔出第一銷釘14，第四手輪12將移動平臺10的位移調(diào)整到0點(diǎn)，將應(yīng)變儀置0。第四手輪12，通過螺旋傳動移動活動平臺產(chǎn)生位移c后，通過第二手輪8鎖緊移動平臺10。第三手輪9，通過蝸桿蝸輪轉(zhuǎn)動使得剛架1的支撐軸發(fā)生旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生側(cè)板轉(zhuǎn)動位移θ，觀察A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變有無變化(有變化)。說明同時發(fā)生側(cè)板移動c和側(cè)板轉(zhuǎn)動θ會引起靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。測量A、B、C點(diǎn)處的應(yīng)變，按照(2)式計(jì)算實(shí)測值，與理論值比較并計(jì)算誤差。

此時A、B、C點(diǎn)處剛架1對應(yīng)截面處的彎矩理論值：

其中：θ-為剛架1側(cè)板轉(zhuǎn)動角度,C為側(cè)板產(chǎn)生的豎向移動線位移

上述的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果都可以直觀地觀察到結(jié)構(gòu)位移的變化，說明結(jié)構(gòu)力學(xué)中關(guān)于靜定結(jié)構(gòu)與超靜定結(jié)構(gòu)在非荷載因素作用下表現(xiàn)的力學(xué)特征即：

(1)靜定結(jié)構(gòu)在非荷載因素(如側(cè)板移動、材料收縮、溫度改變、制造誤差等)作用下會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，但結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不會發(fā)生變化。

(2)超靜定結(jié)構(gòu)在非荷載因素作用下不僅會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，也會引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力發(fā)生變化。

上面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行了示例性描述，顯然本實(shí)用新型具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本實(shí)用新型的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本實(shí)用新型的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。