基础力学集成小型化实验装置研制.pdf

西南交通大学学报（社会科学版）2023 年 2 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Feb.2023 第 24 卷 （Social Sciences)Vol.24 增刊第 2 期 实验教学 基础力学集成小型化实验装置研制 郑红浩，曾伟明，鲁书浓，朱金龙，茹东恒，官威刚（同济大学航空航天与力学学院，上海 200082）摘 要：材料力学实验中的梁弯曲实验、弯扭组合变形实验、压杆稳定实验、等强度梁实验、弹性模量泊松比测定实验，理论力学中的桁架实验，以及一些应变测量创新实验，力学竞赛项目，所需最大载荷较小，加载装置具有一定的通用性。此外，由于实验室空间资源愈发紧张，可用于实验教学实验室面积不足，需要将一些实验项目合并到一起。因此研制基础力学集成小型化实验装置，可用于部分理论力学、材料力学教学，学生创新实验与创新竞赛。关键词：理论力学，材料力学，实验 基金项目：2019年教育部产学合作协同育人项目“梁弯曲、桁架组合小型化实验装置研制”作者简介：郑红浩（1990-），男，主要从事基础力学实验教学。E-mail： 一、引言 材料力学实验中的梁弯曲实验、弯扭组合变形实验、压杆稳定实验、等强度梁实验、弹性模量泊松比测定实验，理论力学中的桁架实验，以及一些应变测量创新实验，力学竞赛项目，所需最大载荷较小，加载装置具有一定的通用性1。目前我校采用的实验装置为十多年前采购的仪器，占地面积较大，学生操作也不方便。目前国内也有将多个实验装置集成在仪器的装置，该装置体积更大，不利于我校开展实验教学课程。根据我校的具体情况进行研发基础力学集成小型化实验装置，组合后小型化可以节约实验室空间，有利于开展实验教学工作。目前同济大学材料力学实验仪器载荷情况：梁弯曲正应力实验需要载荷 4500N，弯曲与扭转组合变形实验需要载荷 450N，应变片接桥方法实验使用弯曲与扭转组合变形实验装置需要载荷 450N，压杆稳定实验需要载荷 1200N，等强度梁实验需要载荷 30N；理论力学桁架搭建实验需要载荷 1000N2,3。可以发现除梁弯曲正应力实验所需载荷较大外，其他载荷较小,均不大于 4500N，根据所需载荷大小的情况研制小型化集成实验装置。36 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 二、实验装置原理与结构设计 如图 1 所示，基础力学集成小型化实验装置，主要包括长方体结构框架，加载装置为螺杆升降机，拉压力传感器，拉压力显示器，静态电阻应变仪，以及各个实验项目所需的试样或结构，包括梁弯曲正应力长方体梁、可拼装桁架、压杆、弯扭组合实验试样、等强度梁等等。图 1 集成小型化实验装置原理图 如图 2 为集成小型化实验装置样机，采用结构铝型材搭建结构框架，加载装置为螺杆升降机，减速比 1:10，最大载荷分别为 500N 和 5000N，并配备与之对应的拉压力传感器和显示器，加载螺杆行程为 200mm，可以通过更换加载螺杆长度来更改加载行程。螺杆升降机可以在结构铝型材框架上沿着导轨滑动，以此实现改变加载位置的目的。如图 3 所示，钢结构桁架实验，桁架下侧两端落在结构框架上，上侧由螺杆升降机进行加载。桁架杆件中部两侧各贴一个应变片。螺杆升降机可以在结构框架上滑动更改加载位置。图 2 集成小型化实验装置样机 增刊第 2 期 37 郑红浩 基础力学集成小型化实验装置研制 图 3 集成小型化实验装置样机 三、实验教学中的应用 3.1 梁弯曲实验 目前同济大学所用梁弯曲实验装置只能进行四点纯弯曲实验，学生创新实验项目有叠合梁实验。课堂教学用应变电测法测量梁中间位置从上到下的应变值，验证梁弯曲正应力公式，同时可以通过实验数据得出梁的应变是呈对称分布的。但是，应变电测法的缺点是只能测量某些特定点的应变数据，学生不能得到整个梁的应力分布情况，包括对纯弯曲梁的理解也不够直观，对于三点弯曲和四点纯弯曲的区别也不够清晰，课程结束后不能有深刻的印象。因此，在梁弯曲实验教学中，在应变电测法测量应变分布的基础上，为学生补充光弹性学方法演示纯弯曲梁实验与三点弯曲梁实验。如图 4 集成小型化实验装置光弹纯弯曲实验，可以看到中间纯弯曲段等差线平行，两侧在剪力的作用下等差线不平行，同时可以看到加载点处的应力集中现象。如图 5 集成小型化实验装置光弹纯弯曲实验，可以看到等差线不平行。通过演示实验，学生可以对梁弯曲实验有更加深刻的理解4,5。图 4 集成小型化实验装置光弹纯弯曲实验 38 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 图 5 集成小型化实验装置光弹三点弯曲实验 3.2 创新桁架实验 同济大学应用力学创新竞赛在学校大力支持下，由航空航天与力学学院发起，国家级力学实验教学示范中心承办，每年举办一次，至今已成功举办 10 届比赛，参赛人数累计 4500 左右。竞赛旨在培养大学生的创新意识，提高大学生创新设计能力及动手实践能力，同时加强院系间学生的交流与合作。同济大学第十届应用力学创新竞赛题目为：一两承千斤，木框架结构承载力竞赛。学生使用给定木条搭建框架，进行加载测试。题目综合理论力学桁架、力系、材料力学的相关知识。题目要求：给定材料 6mm*6mm*500mm 木条 4 根，6mm*6mm*200mm 木条 15 根。所发木条为6mm*6mm*1000mm 木条 5 根，参赛同学先将木条裁剪成上述尺寸，工具：砂纸 2 张，锯条 2 根，美工刀 1 把，1.5 米软尺 1 根，502 胶水 2 瓶，1 次性手套 6 个，使用给定材料搭建框架结构。除给定木条外，不得自行准备木条。不得使用其他没有给的材料工具。如图 6 所示简单框架结构，外部边长尺寸 150mm*100mm*350mm。外部边长尺寸允许误差范围 149152mm、99102mm、349352mm 要求：1、所有加强木条仅可以安装在四周 4 个面（350mm X 150mm 两个面，350mm X 100mm 两个面），向内延伸木条宽度即 6mm 范围内（可以理解为外部尺寸 150mm*100mm*350mm，壁厚 6mm 的开口无底矩形筒范围内，如图 2）2、除简单框架所用四根 Z 方向木条外，其他木条长度方向不得延 Z 方向布置 3、Z 向木条上的单处粘贴面长度不得大于 30mm，粘结节点处多个木条粘结在一起算单处粘贴面，粘贴面长度不得大于 30mm，例如 T 型简单粘结粘贴面长度为 6mm。Z 向木条上的单个表面粘结总长度不得大于100mm。各粘结处之间的距离应不小于 30mm，以该粘结处上所有附着木条计算。4、相互平行的非粘结木条间距不小于 30mm。5、不允许木条延长度方向并排粘结一起。加载方式：现有的梁弯曲实验装置、压杆稳定实验装置可以用来加载测试，但是，加载装置行程较小。目前同济大学所用梁弯曲实验装置、压杆稳定实验装置加载行程为 30mm，限制性较大。如图 7所示，集成小型化实验装置样机，加载装置为螺杆升降机，加载螺杆行程为 200mm，可以通过更换加载螺杆长度来更改加载行程。行程较大，载荷也满足竞赛需求。对参赛框架进行加载，框架 350mm 长度边竖直向上放置，框架上下表面有平面支撑结构物，竖向(图 6 框架 Z 方向)加载，测量承载力 F，力显示单位 KN，精确度 0.01KN。2 名参赛选手 1 人负责加载，1 人负责录像，结束后凭录像给定成绩。增刊第 2 期 39 郑红浩 基础力学集成小型化实验装置研制 图 6 框架结构示意图 图 7 木框架加载竞赛 四、总结 本文提出了一种基础力学组合小型化实验装置，可以用于材料力学实验中的梁弯曲实验、弯扭组合变形实验、压杆稳定实验、等强度梁实验、弹性模量泊松比测定实验，理论力学中的桁架实验，以及一些应变测量创新实验，力学竞赛项目，所需最大载荷较小，加载装置具有一定的通用性。并详细介绍了在梁弯曲实验和桁架实验中的应用，以及在学生创新竞赛中的应用，具有较好的应用效果，具有一定的通用性。有助于实验教学的组织实施，有利于节约实验教学场地。40 西南交通大学学报（社会科学版）第 24 卷 参考文献：1 计欣华，邓宗白.工程实验力学M.北京：机械工业出版社，2010.2 同济大学航空航天与力学学院基础力学教学研究部.材料力学M.上海：同济大学出版社，2011.3 同济大学航空航天与力学学院力学实验中心.材料力学教学实验M.上海：同济大学出版社，2012.4 郑红浩，曾伟明，鲁书浓，朱金龙，一种透射式光弹仪，实用新型专利授权：ZL201920608505.4 授权日期：2019-10 5 曾伟明，郑红浩，鲁书浓，朱金龙。新型光弹仪在材料力学实验教学中的应用，西南交通大学学报J，2019，20 卷增刊 2 期，348-351。Development of Integrated Miniaturized Experimental Device for Basic Mechanics ZHENG Honghao,ZENG Weiming,LU Shunong,ZHU Jinlong,RU Dongheng,GUAN Wei （School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics,Tongji University,Shanghai,200082,China）Keywords:theoretical mechanics,material mechanics,experiment Abstract:In the experiment of mechanics of materials,beam bending experiment,combined bending and torsion deformation experiment,compression bar stability experiment,equal strength beam experiment,Poissons ratio measurement experiment of elastic modulus,truss experiment in theoretical mechanics,and some innovative experiments of strain measurement,the maximum load required is small,and the loading device has certain versatility.In addition,due to the shortage of laboratory space resources and the lack of laboratory area,some experimental projects need to be combined.Therefore,the development of integrated miniaturized experimental device for basic mechanics can be used in the teaching of part of theoretical mechanics and mechanics of materials,as well as students innovative experiments and competitions.