本實(shí)用新型涉及材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

溫度變化將引起構(gòu)件的膨脹或收縮，是日常生活以及工程中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象。靜定結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度變化時(shí)由于可以自由變形，并不會(huì)引起構(gòu)件的產(chǎn)生內(nèi)力，但對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)由于構(gòu)件變形受到部分或全部約束，溫度的變化就要引起內(nèi)力及應(yīng)力，即所謂溫度應(yīng)力。

目前關(guān)于溫度應(yīng)力的測(cè)量特別是不同類型的膨脹節(jié)對(duì)溫度應(yīng)力的降低作用的專門(mén)教學(xué)演示試驗(yàn)裝置還很少見(jiàn)。難以滿足課堂上講演需要，因此需要設(shè)計(jì)一種能夠演示溫度變化所引起的構(gòu)件膨脹或收縮的實(shí)驗(yàn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)一種可以幫助學(xué)習(xí)材料力學(xué)的學(xué)生加深理解“溫度應(yīng)力的來(lái)源，以及不同類型膨脹節(jié)減緩溫度應(yīng)力(內(nèi)力)的原理”。

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：新型溫度應(yīng)力試驗(yàn)裝置，底座上固定有兩根立柱，待測(cè)量空心桿件一端通過(guò)可拆卸的方式固定在其中一根立柱上，所述待測(cè)量空心桿件內(nèi)部放置有加熱器和熱電偶，另一根立柱上設(shè)有螺旋傳動(dòng)組件，所述螺旋傳動(dòng)組件包括固定在立柱上的導(dǎo)向套和可旋轉(zhuǎn)的螺母、驅(qū)動(dòng)所述螺母旋轉(zhuǎn)的手輪、置于螺母內(nèi)的螺桿，所述螺桿一端設(shè)有多邊形的支撐桿，所述支撐桿穿過(guò)所述導(dǎo)向套的多邊形孔，所述待測(cè)量空心桿件的另一端與支撐桿端部之間夾持有傳力構(gòu)件，所述傳力構(gòu)件與支撐桿端部之間設(shè)有壓力傳感器，兩根所述立柱之間設(shè)有百分表位移計(jì)，所述百分表位移計(jì)測(cè)量端接觸待測(cè)量空心桿件側(cè)向伸出的翻邊結(jié)構(gòu)測(cè)量桿件的軸向變化位移。

所述待測(cè)量空心桿件外設(shè)有保溫層，所述加熱器位于待測(cè)量空心桿件的一端，所述熱電偶位于待測(cè)量空心桿件的另一端。

所述待測(cè)量空心桿件兩端均設(shè)有法蘭盤(pán)，其中一端的法蘭盤(pán)上設(shè)有安裝孔，并通過(guò)該安裝孔將待測(cè)量空心桿件固定在立柱上，另一端的法蘭盤(pán)與百分表位移計(jì)的測(cè)量端接觸。

兩根所述立柱頂端通過(guò)橫梁連接。

所述待測(cè)量空心桿件中段設(shè)有膨脹節(jié)。

所述傳力構(gòu)件為中空管結(jié)構(gòu)且中部設(shè)有隔板，所述傳力構(gòu)件一端接觸待測(cè)量空心桿件端面，所述支撐桿端部伸入到述傳力構(gòu)件另一端內(nèi)，所述壓力傳感器安裝在隔板上。

兩根所述立柱之間設(shè)有位移計(jì)導(dǎo)軌，所述百分表位移計(jì)通過(guò)滑套固定在位移計(jì)導(dǎo)軌上，所述位移計(jì)導(dǎo)軌與滑套之間設(shè)有鎖止機(jī)構(gòu)。

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)材料力學(xué)課程，理解以下3條規(guī)律(1)說(shuō)明溫度應(yīng)力的產(chǎn)生原因及溫度應(yīng)力測(cè)量；(2)線膨脹系數(shù)測(cè)量；(2) 采用膨脹節(jié)減緩構(gòu)件溫度應(yīng)力(內(nèi)力)的原理以及不同結(jié)構(gòu)形式的膨脹節(jié)對(duì)構(gòu)件溫度應(yīng)力的降低效果。此外還可以開(kāi)展線膨脹系數(shù)測(cè)定(熱變形伸長(zhǎng)量)，溫度應(yīng)力(內(nèi)力)的測(cè)量。

附圖說(shuō)明

下面對(duì)本實(shí)用新型說(shuō)明書(shū)中每幅附圖表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡(jiǎn)要說(shuō)明：

圖1為溫度應(yīng)力試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2、3為圖1中傳力構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中螺旋傳動(dòng)組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5、6為圖1中待測(cè)量空心桿件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7、8為具有膨脹節(jié)的待測(cè)量空心桿件結(jié)構(gòu)示意圖；

上述圖中的標(biāo)記均為：1、底座，2、立柱，3、橫梁，4、螺桿，5、手輪，6、螺母，7、導(dǎo)向套，8、壓力傳感器，9、傳力構(gòu)件，10、熱電偶，11、保溫層， 12、加熱器，13、位移計(jì)導(dǎo)軌，14、百分表位移計(jì)，15、待測(cè)量空心桿件。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，溫度應(yīng)力試驗(yàn)裝置底座1上固定有兩根立柱2，立柱2與底座 11之間通過(guò)直角連接肋板由螺釘連接，為確保兩根立柱2固定的可靠性，兩根立柱2頂端通過(guò)橫梁3連接，橫梁3與立柱2之間也通過(guò)直角連接肋板由螺釘連接。

待測(cè)量空心桿件15為試驗(yàn)器具，可以根據(jù)需要更換不同的型號(hào)或材質(zhì)的桿件，待測(cè)量空心桿件15的材質(zhì)需要采用導(dǎo)熱效果好的金屬，如鋁材，為了避免過(guò)大的溫度應(yīng)力，在管道中增加伸縮節(jié)，可以將待測(cè)量空心桿件換為有膨脹節(jié)的待測(cè)構(gòu)件，如圖7、8所示。

待測(cè)量空心桿件15一端通過(guò)可拆卸的方式固定在其中一根立柱2上，可拆卸的結(jié)構(gòu)方便更換安裝，可以采用卡接，也可以采用如圖5、6所示，待測(cè)量空心桿件兩端均設(shè)有法蘭盤(pán)，其中一端的法蘭盤(pán)上設(shè)有安裝孔，并通過(guò)該安裝孔將待測(cè)量空心桿件固定在立柱2上，另一端的法蘭盤(pán)與百分表位移計(jì)14的測(cè)量端接觸。

待測(cè)量空心桿件15內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，用于放置有加熱器12和熱電偶10，優(yōu)選將加熱器12位于待測(cè)量空心桿件15的一端，熱電偶10位于待測(cè)量空心桿件15的另一端，為了方便接線，可以在立柱2上設(shè)置與待測(cè)量空心桿件15連通的通孔，方便從通孔中引出加熱器12或/和熱電偶10的線束。此外，待測(cè)量空心桿件15外設(shè)有保溫層11，可以有助于提高試驗(yàn)效果，特別是在環(huán)境溫度較低的情況下，可以有效保持待測(cè)量空心桿件15的恒溫狀態(tài)。

另一根立柱2上設(shè)有螺旋傳動(dòng)組件，螺旋傳動(dòng)組件包括固定在該立柱2上的導(dǎo)向套7和螺母6，螺母6可以在立柱2上旋轉(zhuǎn)，并在螺母6一端設(shè)有方便操作的手輪5，螺旋傳動(dòng)組件還包括置于螺母6內(nèi)的螺桿4，螺桿4一端設(shè)有多邊形的支撐桿，導(dǎo)向套7上設(shè)有與支撐桿配合的多邊形孔，通過(guò)相配合的多邊形孔和支撐桿，可以防止螺桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣旋轉(zhuǎn)手輪5則能夠取得支撐桿沿螺母6 軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

待測(cè)量空心桿件15的另一端與支撐桿端部之間夾持有傳力構(gòu)件9，如圖2、 3所示，傳力構(gòu)件9為中空管結(jié)構(gòu)且中部設(shè)有隔板，傳力構(gòu)件9一端接觸待測(cè)量空心桿件15端面，支撐桿端部伸入到述傳力構(gòu)件9另一端內(nèi)，壓力傳感器8安裝在隔板上，壓力傳感器8用以測(cè)量溫度升高時(shí)作用在螺桿4載荷的大小，傳力構(gòu)件9靠近待測(cè)量空心桿件15一端設(shè)有線槽，方便從線槽中引出加熱器12 或/和熱電偶10的線束。

兩根立柱2之間設(shè)有百分表位移計(jì)14，百分表位移計(jì)14測(cè)量端接觸待測(cè)量空心桿件15側(cè)向伸出的翻邊結(jié)構(gòu)測(cè)量桿件的軸向變化位移。百分表位移計(jì)14 用以測(cè)量待測(cè)量空心桿件15有效長(zhǎng)度內(nèi)因溫度升高引起的伸長(zhǎng)量，百分表位移計(jì)14口接觸待測(cè)量空心桿件15的端部法蘭。優(yōu)選將百分表位移計(jì)14固定在兩根立柱2之間的位移計(jì)導(dǎo)軌13上，百分表位移計(jì)14通過(guò)滑套固定在位移計(jì)導(dǎo)軌13上，位移計(jì)導(dǎo)軌13與滑套之間設(shè)有鎖止機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)待測(cè)量空心桿件 15的型號(hào)調(diào)節(jié)百分表位移計(jì)14的位置。

基于上述溫度應(yīng)力試驗(yàn)裝置的線性膨脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)方法如下：

1)將熱電偶10和電加熱器12放置到待測(cè)量空心桿件15內(nèi)；

2)將待測(cè)量空心桿件15固定到立柱2上；

3)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪5使得傳力構(gòu)件9不接觸待測(cè)量空心桿件15，讓待測(cè)量空心桿件15可以自由伸長(zhǎng)；

4)固定好百分表位移計(jì)14，使百分表位移計(jì)14具有一個(gè)初始讀數(shù)；

5)測(cè)量出桿件的有效長(zhǎng)度L，記錄測(cè)溫?zé)犭娕?0的讀數(shù)已記錄環(huán)境溫度T₀；

6)給加熱器12通電，觀察并記錄達(dá)到熱電偶10的溫度讀數(shù)T與百分表位移計(jì)14的讀數(shù)Δl_ti；

7)根據(jù)獲取的參數(shù)計(jì)算線膨脹系數(shù)的測(cè)量值。

原理如下：

待測(cè)構(gòu)件的線膨脹系數(shù)，可按下式計(jì)算獲得實(shí)驗(yàn)測(cè)量值

式中：ΔT＝T-T₀

Δl_t溫度升高后桿件伸長(zhǎng)量。

L實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度下桿件的有效長(zhǎng)度。

α_l材料的線膨脹系數(shù)。

T目標(biāo)桿件溫度及測(cè)溫?zé)犭娕?0的讀數(shù)。

T₀實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度。

基于上述溫度應(yīng)力試驗(yàn)裝置的溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)方法如下：

1)將熱電偶10和電加熱器12放置到待測(cè)量空心桿件15內(nèi)；

2)將待測(cè)量空心桿件15固定到立柱2上；

3)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪5使得傳力構(gòu)件9接觸待測(cè)量空心桿件15，使得待測(cè)量空心桿件15的兩端均固定；

4)給加熱器12通電，同時(shí)記錄熱電偶10與壓力傳感器8的讀數(shù)，并記錄多組；

5)在記錄每組數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪5，給待測(cè)量空心桿件15軸向載荷，使桿件壓縮至原長(zhǎng)時(shí)，記錄此溫度下相應(yīng)的壓力傳感器8的數(shù)值；

6)根據(jù)獲取的參數(shù)計(jì)算溫度應(yīng)力的測(cè)量值。

針對(duì)無(wú)膨脹節(jié)的待測(cè)量空心桿件15原理如下：

溫度應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)值：

溫度應(yīng)力理論值：σ_t＝α_lEΔT或

待測(cè)構(gòu)件的柔度：

式中：

σ溫度應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值

σ_t溫度應(yīng)力的理論值

E材料的楊氏彈性模量。

A待測(cè)桿件的橫截面面積。

ΔT溫度改變量。

α_l材料的線膨脹系數(shù)

F_T壓力傳感器8的讀數(shù)。

針對(duì)有膨脹節(jié)的待測(cè)量空心桿件15原理如下：

通過(guò)分析可得其溫度應(yīng)力的理論解可按照(3)計(jì)算即

對(duì)于待測(cè)構(gòu)件的柔度根據(jù)分析可按下式計(jì)算

δ待測(cè)構(gòu)件柔度

R膨脹節(jié)類圓部分半徑。

E材料楊氏彈性常量。

H膨脹節(jié)直板部分長(zhǎng)度。

r待測(cè)空心管件半徑。

對(duì)于待測(cè)構(gòu)件的柔度：

式中：

δ管件柔度。

E桿件材料彈性模量。

I截面對(duì)中性軸的慣性矩。

t管件壁厚。

d管件直徑。

上面結(jié)合附圖對(duì)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(chǎng)合的，均在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。