动静态力学综合试验台

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技术领域\n本发明涉及力学实验设备，是用于高等院校基础力学等课程的实验教学综合试验台。\n背景技术\n目前高等教育注重学生的实践能力和创新精神的培养，在力学实验教学中需要功能好的实验设备。现在市场上的力学实验台，一方面功能单一，没有动态实验，操作使用不方便，另一方面设备体积大，购置成本高。\n发明内容\n本发明的目的在于，根据当前基础力学实验教学的要求，满足开设综合性、设计性和创新性实验需要，为力学实验教学提供一种动静态力学综合试验台，具有综合功能强，性能价格比高，结构紧凑和操作方便等优点。\n本发明是通过以下技术方案来实现的：\n一种动静态力学综合试验台，在主台架的台面上自后向前依次安装有纯弯曲梁装置，组合梁弯曲装置，圆筒弯扭装置，动态梁装置，等强度梁装置，在主台架的前面安装有拉伸与压缩装置，在台面的右侧安装有冲击杆装置；纯弯曲梁装置、组合梁弯曲装置、等强度梁装置、圆筒弯扭装置、拉伸与压缩装置分别采用手动螺旋轮加载，传感器测力，通过组合式杠杆力传递系统传递载荷；动态梁装置使用带偏心轮的电机激振；在台面上安装有与应变计引线连接的接口板。\n所述的组合式杠杆力传递系统的结构是：传感器和主台架固定，连接框与传感器下端相连，并与主杠杆和副杠杆连接，主杠杆另一端连接加力器，主支点叉安装在主台架上，并与主杠杆铰接，，副支点叉上端与主台架固定，下端与副杠杆铰接，副杠杆左端与阶梯杆铰接，小杠杆左端与小铰支铰接，小铰支与主台架固定，小杠杆中间与阶梯杆铰接，右端与筒拉杆铰接，大杠杆左端与大铰支铰接，大铰支与主台架固定，大杠杆中间与阶梯杆铰接，右端与梁拉杆铰接。\n所述的纯弯曲梁装置、组合梁弯曲装置的结构是：在主台架台面上安装有两个下支座、两个上支座，在下支座上放置纯弯曲梁，在上支座上放置组合梁，在组合梁中间安装两个拉框，拉框与直梁拉杆连接，直梁拉杆又连接横杆，通过直梁加载轮上的螺旋杆与加力器螺纹连接，一方面通过钢珠给横杆加压，而横杆通过直梁拉杆、拉框给组合梁加力，另一方面通过螺纹连接，提升加力器，使主杠杆受力，载荷由杠杆传到传感器。所述的拉框的中间有销孔，当给纯弯曲梁加力时，在此孔中插入销轴，使组合梁与拉框分离，组合梁不受力。\n所述的等强度梁装置的结构是：大固支端安装在台面上，在大固支端上安装等强度梁，等强度梁右端嵌入梁加力框，由等强度梁手动螺旋轮加载，使等强度梁受压，同时通过梁加力框、梁拉杆，使组合式杠杆力传递系统受力，载荷传递到传感器。\n所述的圆筒弯扭装置的结构是：圆筒试件一端采用V型固支座和V型压盖，通过螺栓使试件固定，扭转力臂开有弹性槽，通过螺栓力包紧试件，筒加力螺旋轮的螺旋与筒加力框配合，旋转螺旋轮使扭转力臂受压，圆筒受力，同时力通过筒加力框、筒拉杆传递到组合式杠杆力传递系统，使传感器受拉，圆筒的载荷通过小杠杆、副杠杆两级放大，传给传感器。\n所述的拉伸与压缩装置的结构是：在主台架前面立柱上固定两个导轨，槽杆与导轨用圆柱销铰接，通过孔距改变距离以适应不同的试件长度，反向架套入槽杆，试件安装在槽杆与连接叉之间，可做拉伸实验，试件安装在槽杆下端和反向架之间，可做压缩实验，正反螺旋的拉压加力轮上端连接连接框，下端连接连接叉、反向架，转动拉压加力轮给拉伸与压缩装置反向架上的试件直接加载，使传感器受拉。\n所述的冲击杆装置的结构是：冲击杆左端通过转轴和支铰铰接，冲击杆右端安装质量块，在杆下的台面上安装有支点。\n所述的动态梁装置的结构是：动态梁一端用螺栓固定于小固支端，另一端通过连接支架，安装带偏心轮的小电机，通过电机转动旋转偏心轮，使梁振动产生稳态动应变。\n本发明与现有技木相比，具有以下优点和有益效果：\n由于本试验台集直梁弯曲、组合梁弯曲、等强度梁弯曲、弯扭组合、拉伸与压缩变形、动态梁及冲击杆七种装置为一体，具有组合开设基础力学各类实验的功能和组合进行各类基本实验技能训练的功能，应用该实验台可开设：直梁纯弯曲实验、弹性模量和泊松比测定实验、叠梁纯弯曲实验、剪切弹性模量测定实验、连续梁实验、应变片灵敏系数标定实验、转角挠度测定实验、主应力测定实验、单一力素测定实验、偏心拉伸实验、静不定圆环应力测定实验、压杆稳定演示实验、桥路连接与温度补偿实验等十八大项实验，且每一项实验可以设计出多种实验方案来完成，多数实验项目为设计性和综合性实验，因此，设备性能价格比高。同时，试验台布局合理，结构紧凑。由于试验台采用传感器测力，组合式杠杆传递载荷，每种装置有不同的杠杆比，配置各自的加载螺旋，各装置间无需转换相对独立，通过更换不同的试件，扩展其实验功能，因此，操作使用十分方便。\n附图说明\n图1为一种动静态力学综合试验台的主视图；\n图2图1的右视图；\n图3为图1的俯视图；\n图4为组合式杠杆力传递系统结构示意图；\n图5为圆筒弯扭装置示意图；\n图6图5的右视图；\n图7为动态梁装置示意图；\n图8为图7的俯视图；\n图9为冲击杆装置示意图；\n图10为图9的俯视图；\n图11为阶梯杆的槽孔示意图；\n图12为试验系统结构框图；\n图13为应用软件设置流程图；\n图14为试件的测点与布片图。\n具体实施方式\n如图1、2、3所示，一种动静态力学综合试验台，在主台架18的台面上自后向前依次安装有纯弯曲梁装置1，组合梁弯曲装置2，圆筒弯扭装置4，动态梁装置6，等强度梁装置3，在主台架18的前面安装有拉伸与压缩装置5，在台面的右侧安装有冲击杆装置19；纯弯曲梁装置1、组合梁弯曲装置2、等强度梁装置3、圆筒弯扭装置4、拉伸与压缩装置5分别采用手动螺旋轮加载，传感器测力，通过组合式杠杆力传递系统传递载荷；动态梁装置6使用带偏心轮的电机激振；在台面上安装有接口板49与应变计引线相接。\n如图1、2、4所示，所述的组合式杠杆力传递系统的结构是：传感器44上端通过螺杆52和主台架18固定，由连接框13与传感器44下端相连，同时此框通过销钉与主杠杆25和副杠杆42连接。主杠杆25另一端连接加力器23，主支点叉29安装在主台架上，并与主杠杆25圆柱销连接，作为主杠杆的支点，主杠杆比为1∶1。副支叉43上端通过螺栓与主台架18固定，下端用圆柱销与副杠杆42连接，作为副杠杆的支点，副杠杆左端用圆柱销与阶梯杆36连接，杠杆比1∶2。副杠杆42是嵌入在主杠杆25的槽中，副支叉43的圆柱销同时穿过主杠杆和副杠杆，但主杠杆此处的孔径是圆柱销孔径的两倍，使得主、副杠杆在传递载荷时互不影响。小杠杆38左端与小铰支34铰接，小铰支34通过螺旋与主台架18固定，作为小杠杆的支点，小杠杆中间与阶梯杆36铰接，右端与筒拉杆40铰接，杠杆比1∶3。其载荷传递是：当通过筒加力螺12给圆筒加载时，筒拉杆40被向上拉，通过小杠杆、阶梯杆使副杠杆42左端向上受力，从而使传感器44受拉力。圆筒的载荷通过小杠杆、副杠杆两级放大，传给传感器44，总的杠杆比1∶6。大杠杆39左端与大铰支35铰接，大铰支通过螺旋与主台架18固定，作为大杠杆的支点，大杠杆中间与阶梯杆36铰接，右端与梁拉杆41铰接，杠杆比1∶5。其载荷传递与上述小杠杆情况相同，当给等强度梁加栽时，传感器44受拉力，总的杠杆比1∶10。需要说明的是阶梯杆36同时与小杠杆、大杠杆铰接，但是此两处的连接孔采用槽孔56(参看图11)，使得各自加载互不影响。主杠杆25用于给纯弯曲梁装置1、组合梁弯曲装置2加载，通过直梁加力轮14上的螺旋杆转动，与加力器23螺纹连接，一方面通过钢珠53给横杆22加压，而横杆22通过直梁拉杆24、拉框8和纯弯曲梁、组合弯曲梁连接，从而给纯弯曲梁和组合弯曲梁加力。另一方面通过螺纹连接，提升加力器23，使主杠杆25受力，载荷由杠杆1∶1传到传感器44。拉压装置加载是，转动拉压加力轮15，通过连接叉45、连接框13直接给反向架10上的试件加载，使传感器44受拉。采用组合式杠杆力传递系统，使得各个装置用各自的螺旋加载，各个装置有不同的杠杆比，适应各装置试件受力需要，同时使传感器工作在线性范围，载荷准确。\n如图1、2、3、4所示，所述的纯弯曲梁装置1、组合梁弯曲装置2的结构是：在主台架18台面上安装有两个下支座21，其上安装有两个上支座20。在下支座21上放置纯弯曲梁1，在上支座20上放置组合弯曲梁2。在组合组合弯曲梁梁2中间安装两个拉框8，拉框与直梁拉杆24连接，直梁拉杆又连接横杆22。当转动直梁加力轮14时，通过直梁加力轮14上的螺旋杆转动，与加力器23螺纹连接，一方面通过钢珠53给横杆22加压，而横杆22通过直梁拉杆24、拉框8给组合弯曲梁加力。另一方面通过螺纹连接，提升加力器23，使主杠杆25受力，载荷由杠杆1∶1传到传感器44。在拉框8的中间有销孔，当给组合弯曲梁加力，此孔不用，当给纯弯曲梁加力时，在此孔中插入销轴，使组合弯曲梁与拉框8分离，此梁不受力。\n如图1、2所示，所述的等强度梁装置3的结构是：大固支端37螺栓连接安装在台面上，在大固支端37上安装等强度梁，等强度梁右端嵌入梁加力框7，当转动梁加力螺9时，使等强度梁受压，同时通过梁加力框7、梁拉杆41，使组合式杠杆力传递系统受力，载荷传递到传感器44，总的杠杆比1∶10。\n如图5、6所示，所述的圆筒弯扭装置4的结构是：圆筒试件4-1一端采用V型固支座27和V型压盖28，通过螺栓使上下V型口夹紧，从而使试件4-1固定。扭转力臂30开有弹性槽，通过螺栓力包紧试件，使力臂和试件可靠连接。旋转筒加力螺12其螺旋与筒加力框11配合，使扭转力臂30受压，圆筒受力，同时力通过筒加力框11、筒拉杆40传递到组合式杠杆力传递系统，使传感器44受拉。圆筒的载荷通过小杠杆、副杠杆两级放大，传给传感器，总的杠杆比为1∶6。\n如图1所示，所述的拉伸与压缩装置5的结构是：在主台架18前面立柱上固定两个导轨16，槽杆17与导轨用圆柱销铰接，通过孔距改变距离以适应不同的试件长度。反向架10套入槽杆17，两者配合使用实现拉压两种受力。试件安装在槽杆17与连接叉45之间，可做拉伸实验，试件安装在槽杆17下端和反向架10之间，可做压缩实验。利用反向架整体结构使安装的试件对心准确。拉压装置拉压加力轮15上端连接连接框13，下端连接连接叉45、反向架10，拉压加力轮15设计成正反螺旋，转动此轮给拉伸与压缩装置反向架10上的试件直接加载，使传感器44受拉。\n如图9、10所示，所述的冲击杆装置19的结构是：，冲击杆19-1左端通过转轴54和支铰26铰接，冲击杆19-1右端安装质量块48。在杆下的台面上安装有支点31，冲击杆在初始位置处于直立状态，使其绕转轴54自由翻倒，与台面支点31碰撞后，产生瞬态应变。\n如图7、8所示，所述的动态梁装置6的结构是：动态梁6-1一端用螺栓固定于小固支端33，另一端通过连接支架55安装带偏心轮51的小电机32，通过电机转动旋转偏心轮，使梁振动产生稳态动应变。改变电机转速从而改变应变的频率和幅值。\n主台架18用槽钢焊接成形，其形状为立体长方形，各钢架配有加强筋增强基架的刚度。台体用面板封装，表面喷漆，前面装门，外形美观。台底装万向轮47和支脚46，方便移动和固定使用。\n如图3所示，在台面上安装接口板49，采用弹性接口50，所有应变计引线与弹性口相连，方便操作。\n本发明的应用：\n试验系统由主体台架，多通道测试系统，计算机与应用软件四部分组成。其结构框图如图12所示。本发明为力学实验提供了一种多功能实验平台，集直梁弯曲、组合梁弯曲、等强度梁弯曲、弯扭组合、拉伸与压缩变形、动态梁及冲击杆七种装置为一体，组合成综合式的实验设备。试验台采用组合式杠杆传递载荷、螺旋连续加载。载荷、位移传感器和应变信号经多通道测试系统放大、模数转换，由计算机处理显示，软面板操作，实现数字化测试，具有动静态测试功能。试验台测试系统中载荷、位移和应变的信号经多通道测试系统，采集放大，模数转换，由计算机处理显示。本系统具有10路应变通道，每路通道均可以连接为1/4桥、半桥和全桥，适用于各种桥路测试。通过系统软件，软面板操作，全数字化智能设计。各通道自动切换，桥路自动平衡。设有扫描采样、定点采样、定载荷采样，实时数据、曲线显示，测试数据既可以显示为数据列表，也可以显示为图形。每个通道均可以实现动态测试，显示动态波形和数据。具有存储打印等功能。应用软件设置流程如图13所示。\n如图14所示，以等强度梁装置实验测试为例，在等强度梁上下表面粘有六个应变计R1、R2、R3、R4、R5、R6，当转动梁加力螺9时，使等强度梁外伸端受压，梁产生弯曲变形，由应变计感应应变。同时通过组合式杠杆力传递系统，使传感器受力。将应变计和力传感器接入动静态测试系统，通过计算机屏幕，软面板操作，定载荷采样，实时数据、曲线显示，测试出等强度梁在此载荷下各应变计所在位置的应变。使用六个应变计，采用不同的桥路接法，可以完成测定材料弹性模量及泊松比实验、测量电桥应用实验、应变片灵敏数标定实验等。