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CN108806422B - 一种静力学综合实验平台及实验方法 - Google Patents

一种静力学综合实验平台及实验方法 Download PDF

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CN108806422B CN201810921613.7A CN201810921613A CN108806422B CN 108806422 B CN108806422 B CN 108806422B CN 201810921613 A CN201810921613 A CN 201810921613A CN 108806422 B CN108806422 B CN 108806422B
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Abstract

一种静力学综合实验平台及实验方法，该实验平台包括带滑槽的台架，安装在台架前后两端的平面框架结构以及平面三铰拱结构，安装在台架中部位置可调的加载立柱，设置在加载立柱上方位可调且能够上下移动的水平杆，设置在水平杆端部的滑轮；平面框架结构与台架之间的连接可采用两端固定铰接的方式或者采用一端固定铰接另一端可动铰接的方式，平面框架结构与平面三铰拱结构杆件材料可采用不同与弹性模量的材料，平面框架结构及平面三铰拱结构在实验过程中采用不同的加载位置，对比力的可传性在不同结构上对约束力及内力的影响，位置高度以及方位均可调节的加载装置除了可以方便的对平面框架和三铰拱加载，还能够独立完成摩擦系数的测定实验。

Description

一种静力学综合实验平台及实验方法
技术领域
本发明涉及力学实验领域，特别涉及一种静力学综合实验平台及实验方法。
背景技术
现有的基础力学实验平台，大部分是针对材料力学课程中的知识点，理论力学课程中相关知识点的实验平台有限，实验项目陈旧。缺乏综合性实验平台支撑学生将理论力学和材料力学课程中的知识点结合起来，开展综合性实验，进一步认识力学模型及相关原理的适用性。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的目的在于提出一种静力学综合实验平台及实验方法，实现平面静定、超静定结构约束力、内力测量以及摩擦系数测量。实验包含不同弹性模量的杆件构成的静定、超静定多种力学模型、分不同点加载，对比力的可传性对于静定、超静定结构约束力以及内力的影响，深入理解力的可传性的应用条件及其影响规律，加载装置可独立开展摩擦系数测量，验证欧拉摩擦公式。该综合实验对于加强学生综合实践能力培养，激发学生深入理解力的可传性性质、静定超静定模型差异、静滑动摩擦等具有积极重要的意义。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种静力学综合实验平台，包括带滑槽的台架1，台架1前后两端分别安装有平面三铰拱结构2和平面框架结构3，台架1的中部安装有位置可调的加载立柱4，加载立柱4上设置有方位可调且能够在加载立柱4上上下移动的水平杆5，水平杆5端部设置有滑轮6；所述平面三铰拱结构2和平面框架结构3均有两个加载点，优选两个加载点均在平面三铰拱结构2和平面框架结构3的竖直杆上，且必须位于同一水平线上；平面三铰拱结构2和平面框架结构3还设置有与应变测试仪连接的测量在两个加载点上加载时杆件应变的应变片。
所述平面框架结构3和平面三铰拱结构2的杆件能够更换为截面形状及尺寸相同材料弹性模量不同的杆件。
所述滑轮6在平面框架和三铰拱加载实验中采用动滑轮，在摩擦实验中采用静滑轮。
所述平面框架结构3与台架1的连接方式采用两端固定铰接形成超静定结构，或者一端固定铰接另一端可动铰接形成静定结构，两种连接方式下结构形状和尺寸完全相同。
所述平面三铰拱结构2为由两个直角杆通过铰链11铰接而成的静定三铰拱。
所述的静力学综合实验平台的实验方法，
将平面框架结构3两端通过固定铰支座连接在台架1上形成超静定结构，调节滑轮6的方位，使滑轮半径所在平面与平面框架结构3共面，柔索一端系在平面框架结构3的加载点上，另一端跨过滑轮6悬挂砝码，分别在平面框架结构3的竖直杆上两个加载点上沿水平方向加载，通过应变片测量不同加载位置时杆件的应变，应变片的信号接入放置在实验装置旁边的应变测试仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测试结果反映了力在超静定结构中沿其作用线平移对约束力和内力产生的影响；将平面框架结构3一端的固定铰支座更换成可动铰支座，平面框架结构3成为静定结构，分别在两个加载点水平加载，测量应变，计算约束力和内力；测量结果反映力在静定结构上沿作用线平移对约束力和内力的影响。
对于平面三铰拱结构2，采用固定铰支座安装在台架1上，构成平面静定结构，两个直角杆铰接在一起，改变水平杆5的方位，使得滑轮半径所在平面与平面三铰拱结构2所在平面共面，采用柔索跨过滑轮悬挂砝码，在平面三铰拱结构2的竖直杆上两个加载点上依次沿水平方向加载同样大小的载荷，通过应变片测量不同加载位置时的应变，应变片的信号接入放置在实验装置旁边的应变仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测量结果反映了力沿作用线滑移前后对铰链11处约束力的影响以及设置应变仪处内力的影响；更换两直角杆的材料，进行同样加载条件下的约束力及内力测量，对比不同材料的静定三铰拱在相同外载荷下的约束力与内力；
在平面框架和三铰拱加载实验中，滑轮6采用动滑轮，柔索悬挂的砝码重量即为水平载荷的大小，除了水平加载，将滑轮更换为静滑轮，在滑轮上跨过一柔索，柔索一端悬挂砝码，另一端用测力弹簧拉住，对比砝码重量与测力弹簧测量到的拉力大小，根据欧拉摩擦公式计算出柔索与静滑轮之间的摩擦系数。
本发明静力学综合实验平台，可以开展不同约束和不同材料的平面静定结构和超静定结构约束力测量以及内力测量实验，加载装置上采用静滑轮可开设摩擦系数测量实验。实验时，完全由学生根据实验任务书自主设计实验，可以测量力沿作用线滑移前后约束力的变化以及杆件内力的变化，观察力滑移前后的作用效果，还可以更换约束类型，对比同样大小的力在静定结构与超静定结构上的作用效果，更换粗糙度不同的静滑轮，测量静滑动摩擦系数，验证欧拉摩擦公式。该发明具有杆件材料可更换、约束类型可更换、加载位置可更换、结构简单紧奏、操作方便等优点。可开设的实验项目对于加强学生综合实践能力的培养、激发学生深入理解力的可传性推论、理解载荷对于静定超静定结构的影响、静滑动摩擦及摩擦系数测量方法等方面具有积极重要的意义。
附图说明
图1是本发明的主视图。
图2是框架结构的主视图。
图3是三铰拱的主视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。
如图1、图2和图3所示，一种静力学综合实验平台，包括带有滑槽的台架1，台架1前面安装平面三铰拱结构2，后面安装平面框架结构3，台架1中部安装加载立柱4，加载立柱4上面安装有能够在加载立柱4上上下移动的水平杆5，水平杆5的末端安装滑轮6，水平杆5方位可调，调节滑轮6的方位，使滑轮半径所在平面与平面框架结构3共面，柔索一端系在平面框架结构3的加载点上，另一端跨过滑轮6悬挂砝码，平面框架结构3D点粘贴有平面框架应变片14，平面框架结构3上的加载点有两个，滑动加载立柱4，分别在平面框架结构3的竖直杆上两个加载点7和8上依次加载，加载点7和8在同一水平线上，改变水平杆5的方位，使得滑轮半径所在平面与平面三铰拱结构2所在平面共面，采用柔索跨过滑轮悬挂砝码，在平面三铰拱结构2的竖直杆上两个加载点9和10上依次加载，加载点9和10在同一水平线上，平面三铰拱结构2右侧杆件的E点粘贴有平面三铰拱应变片15，加载装置中滑轮6可采用动滑轮和静滑轮，在三铰拱和平面框架加载实验中用动滑轮，在摩擦系数测量实验中用静滑轮。
平面框架结构3与台架1可采用一个固定铰支座与一个可动铰支座连接，也可用两个固定铰支座连接，实现静定与超静定两种结构，平面框架结构3与平面三铰拱结构2材料均可更换，采用不同弹性模量的材料，对比材料弹性模量对实验结果的影响，滑轮6可采用表面粗糙度不同的静滑轮，通过悬挂砝码，测量不同材料之间的静滑动摩擦系数。
本发明静力学综合实验平台的实验方法为：
按照自行设计并经过确认的方案，将平面框架结构3两端通过固定铰支座连接在台架1上形成超静定结构，调节滑轮6的方位，使滑轮半径所在平面与平面框架结构3共面，柔索一端系在平面框架结构3的加载点上，另一端跨过滑轮6悬挂砝码，分别在两个加载点7和8上沿水平方向加载，通过平面框架应变片14测量不同加载位置时D点处杆件的应变，D点处平面框架应变片14的信号接入放置在实验装置旁边的应变测试仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测试结果反映了力在超静定结构中沿其作用线平移对约束力和内力产生的影响；将平面框架结构3一端的固定铰支座更换成可动铰支座，平面框架结构3成为静定结构，分别在两个加载点7和8两点水平加载，测量D点的应变，计算约束力和内力，测量结果反映力在静定结构上沿作用线平移对约束力和内力的影响。
对于平面三铰拱结构2，采用固定铰支座安装在台架1上，构成平面静定结构，两个直角杆铰接在一起，改变水平杆5的方位，使得滑轮半径所在平面与平面三铰拱结构2所在平面共面，采用柔索跨过滑轮悬挂砝码，在平面三铰拱结构2的竖直杆上两个加载点9和10上依次沿水平方向加载同样大小的载荷，通过平面三铰拱应变片15测量不同加载位置时E点的应变，E点平面三铰拱应变片15的信号接入放置在实验装置旁边的应变仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测量结果反映了力沿作用线滑移前后对铰链11处约束力的影响以及E处内力的影响。更换两直角杆的材料，进行同样加载条件下的约束力及内力测量，对比不同材料的静定三铰拱在相同外载荷下的约束力与内力。
本实验台使用的加载装置，在平面框架和三铰拱加载实验中，滑轮6采用动滑轮，柔索悬挂的砝码重量即为水平载荷的大小，除了水平加载，将滑轮更换为静滑轮，在静滑轮上跨过一柔索，柔索一端悬挂砝码，砝码重量为G，另一端用测力弹簧拉住，缓慢提升砝码，提升过程确保测力弹簧读数不变，测力弹簧测量到的拉力大小为F，柔索在滑轮上的包角大小为β，将砝码重量G,测力弹簧的读数F，柔索在滑轮上的包角β带入欧拉摩擦公式F＝Geuβ，计算得到柔索与静滑轮的静滑动摩擦系数u。

Claims (2)

1.一种静力学综合实验平台的实验方法，所述实验平台包括带滑槽的台架(1)，台架(1)前后两端分别安装有平面三铰拱结构(2)和平面框架结构(3)，台架(1)的中部安装有位置可调的加载立柱(4)，加载立柱(4)上设置有方位可调且能够在加载立柱(4)上上下移动的水平杆(5)，水平杆(5)端部设置有滑轮(6)；所述平面三铰拱结构(2)和平面框架结构(3)均有两个加载点，当两个加载点均在平面三铰拱结构(2)和平面框架结构(3)的竖直杆上时，必须位于同一水平线上；平面三铰拱结构(2)和平面框架结构(3)还设置有与应变测试仪连接的测量在两个加载点上加载时杆件应变的应变片；
所述滑轮(6)在平面框架和三铰拱加载实验中采用动滑轮，在摩擦实验中采用静滑轮；
所述平面框架结构(3)与台架(1)的连接方式采用两端固定铰接形成超静定结构，或者一端固定铰接另一端可动铰接形成静定结构，两种连接方式下结构形状和尺寸完全相同；
所述平面三铰拱结构(2)为由两个直角杆通过铰链(11)铰接而成的静定三铰拱；
其特征在于：所述实验方法如下：
将平面框架结构(3)两端通过固定铰支座连接在台架(1)上形成超静定结构，调节滑轮(6)的方位，使滑轮半径所在平面与平面框架结构(3)共面，柔索一端系在平面框架结构(3)的加载点上，另一端跨过滑轮(6)悬挂砝码，分别在平面框架结构(3)的竖直杆上两个加载点上沿水平方向加载，通过应变片测量不同加载位置时杆件的应变，应变片的信号接入放置在实验装置旁边的应变测试仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测试结果反映了力在超静定结构中沿其作用线平移对约束力和内力产生的影响；将平面框架结构(3)一端的固定铰支座更换成可动铰支座，平面框架结构(3)成为静定结构，分别在两个加载点水平加载，测量应变，计算约束力和内力，测量结果反映力在静定结构上沿作用线平移对约束力和内力的影响；
对于平面三铰拱结构(2)，采用固定铰支座安装在台架(1)上，构成平面静定结构，两个直角杆铰接在一起，改变水平杆(5)的方位，使得滑轮半径所在平面与平面三铰拱结构(2)所在平面共面，采用柔索跨过滑轮悬挂砝码，在平面三铰拱结构(2)的竖直杆上两个加载点上依次沿水平方向加载同样大小的载荷，通过应变片测量不同加载位置时的应变，应变片的信号接入放置在实验装置旁边的应变仪，按照惠斯通电桥输出特性和内力测试原理接线，测试杆件的轴力和弯矩，测量结果反映了力沿作用线滑移前后对铰链(11)处约束力的影响以及设置应变仪处内力的影响；更换两直角杆的材料，进行同样加载条件下的约束力及内力测量，对比不同材料的静定三铰拱在相同外载荷下的约束力与内力；
在平面框架和三铰拱加载实验中，滑轮(6)采用动滑轮，柔索悬挂的砝码重量即为水平载荷的大小，除了水平加载，将滑轮更换为静滑轮，在滑轮上跨过一柔索，柔索一端悬挂砝码，另一端用测力弹簧拉住，对比砝码重量与测力弹簧测量到的拉力大小，计算出柔索与静滑轮之间的摩擦系数。
2.根据权利要求1所述的一种静力学综合实验平台的实验方法，其特征在于：所述平面框架结构(3)和平面三铰拱结构(2)的杆件能够更换为截面形状及尺寸相同材料弹性模量不同的杆件。
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