一种多功能组合式力学测试方法

1.一种多功能组合式力学测试方法， 包括 ： 一个矩形框架式实验台、 一套机械式手轮加载装置、 一套力传感器及测力仪、 一套砝码杠杆加载装置、 一组用于改变加载方向的定滑轮、 一套可组合各类刚架结构的构件、 一套用于连接各构件的连接件、 一套模拟典型约束形式的支座、 一套可组合成不同桁架结构的杆件、 一套可用于单向拉伸实验的拉头及试件 ,其特征在于:
（A） 在进行刚架的力学参数测试实验时， 学生可根据自身设计的实验方案需要， 首先选择结构所需的构件， 然后用连接件将构件组合成所需的刚架结构， 之后再根据实验约束形式的设计选择支座， 将组合好的刚架和支座一起固定到实验台上， 最后根据实验设计的加载方案选择加载点， 加载方式及载荷大小， 一切准备就绪之后即可开始实验 ；
实现这种刚架力学参数测试方法的装置采用以下组合方式组合该刚架力学参数实验装置，包括矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪、 压头、 砝码杠杆加载装置、 刚架构件、 连接角件、 模拟不同约束形式的支座， 所述刚架构件、 连接角件根据实验设计需要组成刚架结构， 选取所需支座固定在矩形框架式实验台的底梁上， 所述机械式手轮加载装置固定在矩形框架式实验台的顶梁上， 所述机械式手轮加载装置的下端安装有力传感器及测力仪， 力传感器及测力仪下部与压头 连接， 通过压头 对刚架结构接触并施加载荷；砝码杠杆加载装置包括用于改变加载方向的定滑轮、 钢丝绳、 杠杆、 吊钩、 砝码， 所述钢丝绳一端与刚架结构连接、 另一端通过定滑轮与杠杆连接， 在杠杆不同位置的孔上连接吊钩， 砝码放在吊钩底端的托盘上， 通过吊钩挂载在杠杆不同位置的孔上调节载荷的放大倍数；
(B) 在进行桁架静力测试实验时， 首先学生可根据实验设计需要选择桁架结构所需的杆件， 然后用接头将各杆件组合成所需的桁架结构， 之后将组合好的桁架结构和桁架支座一起固定到实验台上， 最后根据实验设计的加载方案选择加载点和加载方式， 一切准备就绪之后即可进行实验 ；
实现这种桁架测试方法的装置采用以下组合方式组合该桁架力学实验装置， 设置有一矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪 、 压头、 桁架构件、 接头、 桁架支座， 桁架构件、 接头、 根据实验需要组成桁架结构， 并且通过桁架支座固定在矩形框架式实验台上， 机械式手轮加载装置固定在矩形框架式实验台的顶梁上， 机械式手轮加载装置的下端安装有力传感器及测力仪， 力传感器及测力仪 下部与压头 连接， 通过压头 对桁架结构接触并施加载荷于节点上；所述的桁架支座 固定于矩形框架式实验台的两侧壁上， 桁架结构的两端通过处在相同水平高度的桁架支座 及两个滚轴模拟两端铰支约束；
(C)在进行单向拉伸测试实验时， 首先需要将上下拉头和试件连接起来， 然后将上拉头连接实验台顶梁上的机械式手轮加载装置， 下拉头连接实验台底梁上的底座， 其中下拉头部分还包括一个万向节装置， 以保证拉伸的对心， 之后即可根据实验加载方案进行实验；
实现这种拉伸测试方法的装置采用以下组合方式组合该拉伸实验装置， 设置有一个矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪 、 上拉头、 下拉头、 试件、 万向节装置、 机械式手轮加载装置设置在矩形框架式实验台的顶梁上， 机械式手轮加载装置的下方连接有力传感器及测力仪， 上拉头分别与力传感器及测力仪与试件连接， 下拉头分别与试件和万向节装置连接， 万向节装置固定于矩形框架式实验台的底梁上；所述的上拉头分别通过销钉与力传感器及测力仪与试件连接， 下拉头也分别通过销钉与试件和万向节装置连接。

一种多功能组合式力学测试方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于基础力学实验教学领域。\n背景技术\n[0002] 实验教学是高等教育的重要组成部分， 对培养具有较高综合素质的人才起着其他环节无法替代的作用。 实验教学改革的目标就是使得学生能更好的掌握实验研究的基本方法和技能， 具有独立开展实验研究的能力， 具备向相关领域拓展的基本素质。因此， 综合性设计性实验的开发和推广是必然趋势。由学生根据问题的性质综合运用所学知识， 自行设计测试方案， 拟定测试方案的具体步骤， 包括与测试相关的硬件和软件的设计。 通过实验研究自然界中不易直接观察到的力学现象， 进一步掌握力学概念和力学理论， 使得学生可以在实验中学习， 在实验中研究。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是针对开展综合性设计性研究性基础力学实验的装置提出一种能够通过自主设计、 组合实现多种基础力学实验的综合性测试方法。\n[0004] 本发明为实现上述目的， 采用如下技术方案 ：\n[0005] 一种多功能组合式力学测试方法， 包括 ：一个矩形框架式实验台、 一套机械式手轮加载装置、 一套力传感器及测力仪、 一套砝码杠杆加载装置、 一组用于改变加载方向的定滑轮、一套可组合各类刚架结构的构件、 一套用于连接各构件的连接件、 一套模拟典型约束形式的支座、 一套可组合成不同桁架结构的杆件、 一套可用于单向拉伸实验的拉头及试件 , 包括以下步骤 :\n[0006] （A） 在进行刚架的力学参数测试实验时， 学生可根据自身设计的实验方案需要， 首先选择结构所需的构件， 然后用连接件将构件组合成所需的刚架结构， 之后再根据实验约束形式的设计选择支座， 将组合好的刚架和支座一起固定到实验台上， 最后根据实验设计的加载方案选择加载点， 加载方式及载荷大小， 一切准备就绪之后即可开始实验 ；\n[0007] 实现这种刚架力学参数测试方法的装置采用以下组合方式组合该刚架力学参数实验装置，包括矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪、 压头、 砝码杠杆加载装置、 刚架构件、 连接角件、 模拟不同约束形式的支座， 所述刚架构件、 连接角件根据实验设计需要组成刚架结构， 选取所需支座固定在矩形框架式实验台的底梁上， 所述机械式手轮加载装置固定在矩形框架式实验台的顶梁上， 所述机械式手轮加载装置的下端安装有力传感器及测力仪， 力传感器及测力仪下部与压头 连接， 通过压头 对刚架结构接触并施加载荷；砝码杠杆加载装置包括用于改变加载方向的定滑轮、 钢丝绳、 杠杆、 吊钩、 砝码， 所述钢丝绳一端与刚架结构连接、 另一端通过定滑轮与杠杆连接， 在杠杆不同位置的孔上连接吊钩， 砝码放在吊钩底端的托盘上， 通过吊钩挂载在杠杆不同位置的孔上调节载荷的放大倍数；\n[0008] (B) 在进行桁架静力测试实验时， 首先学生可根据实验设计需要选择桁架结构所需的杆件， 然后用接头将各杆件组合成所需的桁架结构， 之后将组合好的桁架结构和桁架支座一起固定到实验台上， 最后根据实验设计的加载方案选择加载点和加载方式， 一切准备就绪之后即可进行实验 ；\n[0009] 实现这种桁架测试方法的装置采用以下组合方式组合该桁架力学实验装置， 设置有一矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪 、 压头、 桁架构件、 接头、 桁架支座， 桁架构件、 接头、 根据实验需要组成桁架结构， 并且通过桁架支座固定在矩形框架式实验台上， 机械式手轮加载装置固定在矩形框架式实验台的顶梁上， 机械式手轮加载装置的下端安装有力传感器及测力仪， 力传感器及测力仪 下部与压头 连接， 通过压头 对桁架结构接触并施加载荷于节点上；所述的桁架支座 固定于矩形框架式实验台的两侧壁上， 桁架结构的两端通过处在相同水平高度的桁架支座 及两个滚轴模拟两端铰支约束；\n[0010] (C)在进行单向拉伸测试实验时， 首先需要将上下拉头和试件连接起来， 然后将上拉头连接实验台顶梁上的机械式手轮加载装置， 下拉头连接实验台底梁上的底座， 其中下拉头部分还包括一个万向节装置， 以保证拉伸的对心， 之后即可根据实验加载方案进行实验；\n[0011] 实现这种拉伸测试方法的装置采用以下组合方式组合该拉伸实验装置， 设置有一个矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 、 力传感器及测力仪 、 上拉头、 下拉头、 试件、 万向节装置、 机械式手轮加载装置设置在矩形框架式实验台的顶梁上， 机械式手轮加载装置的下方连接有力传感器及测力仪， 上拉头分别与力传感器及测力仪与试件连接， 下拉头分别与试件和万向节装置连接， 万向节装置固定于矩形框架式实验台的底梁上；所述的上拉头分别通过销钉与力传感器及测力仪与试件连接， 下拉头也分别通过销钉与试件和万向节装置连接。\n[0012] 有益效果 ： 本测试方法操作简单、 灵巧美观、 可组合性强， 突出综合性、 自主性、 设计性等特点， 比现有的测试方法功能多样， 能够促使学生充分发挥自主开发设计实验的能力， 能满足当前高校开展研究性实验教学的需求。\n[0013] （五）附图说明\n[0014] 图 1为刚架形式的总体布置图。\n[0015] 图 2 为桁架形式的总体布置图。\n[0016] 图 3 为拉伸形式的总体布置图。\n[0017] （六）具体实施方式\n[0018] 一种多功能组合式力学测试方法， 需要提供的基础性可选择部件包括： 一个矩形框架式实验台、 一套机械式手轮加载装置、 一套力传感器及测力仪、 一套砝码杠杆加载装置、 一组用于改变加载方向的定滑轮、 一套可组合各类刚架结构的构件、 一套用于连接各构件的连接件、 一套模拟典型约束形式的支座、 一套可组合成不同桁架结构的杆件、 一套可用于单向拉伸实验的拉头及试件 , 本发明的测试方法可以有以下几种 :\n[0019] （A）刚架力学参数测试实验 在进行刚架的力学参数测试实验时， 学生可根据自身实验设计方案需要， 首先选择结构所需的构件， 然后用连接件将构件组合成所需的刚架结构，之后再根据实验约束形式的设计选择支座， 将组合好的刚架结构和支座一起固定到实验台上， 最后根据实验设计的加载方案选择加载点， 加载方式及载荷大小， 一切准备就绪之后即可开始实验。 对于刚架结构本身， 可以根据具体实验设计要求， 通过选取不同构件和支座组合成不同结构形式、 不同约束形式的刚架结构， 加载方式亦可根据实验需求选择对称加载或反对称加载、 水平加载或垂直加载、 单点加载或多点加载等。\n[0020] 如附图 1 所示， 实现这种刚架力学参数测试方法的装置可以是这样的一种组合式刚架力学参数实验装置， 包括矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 3、 力传感器及测力仪4、 压头5、 砝码杠杆加载装置、 刚架构件6、 连接角件7、 模拟不同约束形式的支座8， 所述刚架构件6、 连接角件7根据实验设计需要组成刚架结构， 选取所需支座\n8固定在矩形框架式实验台的底梁1上， 所述机械式手轮加载装置3固定在矩形框架式实验台的顶梁2上， 所述机械式手轮加载装置3的下端安装有力传感器及测力仪4， 力传感器及测力仪4下部与压头 5 连接， 通过压头 5 对刚架结构接触并施加载荷。砝码杠杆加载装置包括用于改变加载方向的定滑轮9、 钢丝绳10、 杠杆11、 吊钩12、 砝码13， 所述钢丝绳10一端与刚架结构6连接、 另一端通过定滑轮9与杠杆11连接， 在杠杆不同位置的孔上连接吊钩12， 砝码13放在吊钩底端的托盘上， 吊钩挂载在杠杆不同位置的孔上可以调节载荷的放大倍数。通过增减砝码数目即可实现对结构加载。这种设计的特点在于 ： 学生可以根据自身需要独立设计实验方案， 然后利用本实验装置提供的构件自主组合结构形式、 约束形式以实现多种不同约束形式、 不同加载方式的刚架力学参数测试实验。\n[0021] (B) 桁架静力测试实验在进行桁架静力测试实验时， 首先学生可根据实验设计需要选择桁架结构所需的杆件， 然后用接头将各杆件组合成所需的桁架结构， 之后将组合好的桁架结构和桁架支座组装起来固定到矩形框架实验台上， 选择加载点和加载方式即可进行实验。实现桁架测试时的实验装置加载与刚架结构相同， 但载荷须施加在节点上。两端通过处在相同水平高度的桁架支座及两个滚轴模拟两端铰支约束。\n[0022] 如附图 2 所示， 实现这种桁架测试方法的装置可以是这样的一种组合式桁架力学实验装置， 设置有一矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 3、 力传感器及测力仪 \n4、 压头5、 桁架构件6-1、 接头7-1、 桁架支座8-1， 桁架构件6-1、 接头7-1、 根据实验需要组成桁架结构， 并且通过桁架支座8-1固定在矩形框架式实验台上， 机械式手轮加载装置3固定在矩形框架式实验台的顶梁2上， 机械式手轮加载装置3的下端安装有力传感器及测力仪4， 力传感器及测力仪 4 下部与压头 5 连接， 通过压头 5 对桁架结构接触并施加载荷于节点上。本发明中的桁架支座 8-1 固定于矩形框架式实验台的两侧壁上， 桁架结构的两端通过处在相同水平高度的桁架支座 8-1 及两个滚轴模拟两端铰支约束。\n[0023] (C) 单向拉伸实验在进行单向拉伸实验时， 首先需要将上下拉头和试件连接起来， 然后通过上拉头连接实验台顶梁上的机械式手轮加载装置， 下拉头连接实验台底梁上的底座， 其中下拉头部分还包括一个万向节装置， 以保证拉伸的对心， 之后即可根据实验加载方案进行实验。\n[0024] 如附图3所示， 实现这种拉伸测试方法的装置可以是这样的一种组合式拉伸实验装置， 设置有一个矩形框架式实验台、 机械式手轮加载装置 3、 力传感器及测力仪 4、 上拉头5-1、 下拉头5-2、 试件6、 万向节装置7、 机械式手轮加载装置3设置在矩形框架式实验台的顶梁2上， 机械式手轮加载装置3的下方连接有力传感器及测力仪4， 上拉头5-1分别与力传感器及测力仪4与试件6连接， 下拉头5-2分别与试件6和万向节装置\n7连接， 万向节装置7固定于矩形框架式实验台的底梁1上。本发明中的上拉头5-1分别通过销钉与力传感器及测力仪 4 与试件 6 连接， 下拉头 5-2 也分别通过销钉与试件 6 和万向节装置 7 连接。\n[0025] 本多功能组合式力学测试方法以及实现多种测试方法的各种实验装置， 是为开展综合性设计性的材料力学实验而研制的台式多功能组合实验装置。该装置可进行多种不同结构形式、 不同约束形式的刚架综合性设计性实验、 桁架的静力试验以及单向拉伸实验，可以实现用可装配构件自主搭建多种形式的刚架和桁架、 利用多种支座组成不同形式的约束、 同时可以实现在不同加载点上施加单个或多个载荷， 并且可以实现对称加载和反对称加载， 学生在实验中可灵活设计、 自主实施， 可以培养学生的自主创新和实践动手能力。\n[0026] 目前国内大多数基础力学实验装置基本上都是单一功能的， 在一个实验装置上只能实现一种实验。也有部分组合实验装置， 是将几种固定的基本实验共同组装在一个装置上。而本多功能组合式力学实验装置最大的不同之处就在于它的可组合性和多变性， 学生可以根据自主设计实验的需要， 选择所需的杆件、 接头、 约束支座以及加载方式进行自主组合多种实验， 这样就很方便的实现了装置的多功能性， 同时还可以加深学生对力学实验的理解， 巩固和提高所学的力学知识。 通过设计综合性实验激发创新思维， 有效的提高理论和实践的结合运用能力， 并掌握将理论知识运用在实践当中的技巧。