一種測定開口薄壁梁彎曲中心的試驗裝置

【摘要】本文展示了一種可以測定開口薄壁梁彎曲中心的試驗裝置。該試驗裝置包括開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)與加載測量系統(tǒng)。試驗設(shè)計采用懸臂梁加載的方式。豎向加載系統(tǒng)提供橫力作用且能顯示力值大小，水平位移系統(tǒng)測量扭轉(zhuǎn)變形。通過記錄某一橫力作用下的扭轉(zhuǎn)變形，可以確定加載位置是否處于彎曲中心。通過調(diào)節(jié)開口薄壁梁的水平位置，尋找出扭轉(zhuǎn)變形等于零的加載位置，該加載位置即為彎曲中心。本發(fā)明所指的試驗裝置可以針對不同橫截面的開口薄壁梁進行彎曲中心的測量，測量準(zhǔn)確度高，能實現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)，測量過程直觀、簡便、快捷，避免了復(fù)雜截面的繁冗計算，具有一定應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。

【關(guān)鍵詞】開口薄壁梁;彎曲中心;實驗教學(xué)改革

引言

開口薄壁梁在工程中有著廣泛的應(yīng)用。如土木橋梁工程、海洋船舶工程、航空航天工程中的高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)等經(jīng)常采用一些開口薄壁截面梁。對開口薄壁截面梁。當(dāng)橫力作用平面平行于形心主慣性平面且通過截面內(nèi)某一特定點時，薄壁截面梁只發(fā)生彎曲而不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則該點為彎曲中心。彎曲中心也稱為剪力中心或扭轉(zhuǎn)中心。若橫力沒有作用于彎曲中心，薄壁截面梁在發(fā)生彎曲的同時，還將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

目前，對于開口薄壁截面梁的彎曲中心的確定一般采用材料力學(xué)的理論進行計算獲得。但實際工程采用的開口薄壁截面形狀會千變?nèi)f化，對于一些不規(guī)則截面，彎曲中心的計算就顯得相對困難。雖然計算機輔助設(shè)計能夠幫助確定彎曲中心，但卻無法考慮工程構(gòu)件實際制作過程的離散性所引起的偏差，比如，構(gòu)件薄壁尺寸的不均勻性、實際加工的尺寸偏差等。因此，通過試驗測定實際構(gòu)件的彎曲中心有著重要的現(xiàn)實工程意義。

本發(fā)明介紹一種通過試驗測定開口薄壁懸臂梁的彎曲中心的裝置。通過該裝置測定的開口薄壁梁彎曲中心會考慮到工程構(gòu)件實際制作過程的離散性所引起的偏差。利用該裝置對復(fù)雜截面開口薄壁梁的彎曲中心進行確定更簡便快捷。

1.試驗裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1所示為開口薄壁梁彎曲中心的試驗裝置結(jié)構(gòu)圖。

機械結(jié)構(gòu)包括：

（1）開口薄壁梁

（2）固定座

（3）臺座

（4）軌道

（5）橫向調(diào)節(jié)手輪

（6）鎖緊螺釘

（7）水平調(diào)節(jié)螺母

（8）門字形加載架

（9）刻度盤

（10）加力手輪

（11）渦輪蝸桿減速器

（12）壓頭

（13）力傳感器

（14）力值顯示器

（15）水平千分表

圖1 開口薄壁梁彎曲中心試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 裝配及實現(xiàn)過程

開口薄壁懸臂梁彎曲中心測定試驗裝置分為開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)與加載測量系統(tǒng)兩部分。

開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成如下：開口薄壁梁1一端固定在固定座2上，固定座可在臺座3的軌道4上水平滑動，滑動方向處于開口薄壁梁1的橫截面平面內(nèi)。水平滑動的實現(xiàn)是通過橫向調(diào)節(jié)手輪5的轉(zhuǎn)動完成，橫向調(diào)節(jié)手輪的轉(zhuǎn)動可通過其上面的刻度盤9讀取水平調(diào)節(jié)的距離。固定座與滑道間燕尾型滑動連接，滑道與臺座間用螺栓緊固連接。進行測試時，應(yīng)采用鎖緊螺釘6對固定座進行固定，防止測試過程出現(xiàn)水平滑動。臺座底部設(shè)有四個水平調(diào)節(jié)螺母7，測量前，應(yīng)首先調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺母，確保臺座處于水平狀態(tài)。

加載測量系統(tǒng)構(gòu)成如下：門字形加載架8固定在臺座上。轉(zhuǎn)動加載手輪10可驅(qū)動渦輪蝸桿減速器系統(tǒng)11，進而帶動壓頭12對開口薄壁梁1的懸臂端施加豎向作用力。在壓頭上部連接一測力傳感器13，力傳感器的力值大小通過力值顯示器14顯示。在開口薄壁梁的自由端橫截面的側(cè)面上下位置各設(shè)置一水平千分表15，水平千分表要與開口薄壁梁1的縱向軸線垂直。

2.開口薄壁梁彎曲中心試驗裝置的工作過程

調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺母7，使得臺座3處于水平狀態(tài)，采用水準(zhǔn)尺對臺座的水平狀態(tài)進行校準(zhǔn)。安裝要測量的開口薄壁梁1，開口薄壁梁的一端與固定座2剛性連接在一起，注意采用水準(zhǔn)尺對開口薄壁梁的水平度進行校準(zhǔn)，確保其處于水平狀態(tài)。選擇任一位置，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘6固定。打開儀器電源開關(guān)，啟動力值顯示器14，調(diào)零。安裝水平千分表15，使其分別位于開口薄壁梁自由端兩側(cè)的靠近上下表面的側(cè)面位置，并調(diào)節(jié)水平，調(diào)零或記錄初始讀數(shù)。轉(zhuǎn)動加力手輪10，使得壓頭12與開口薄壁梁的上表面接觸，并施加一定力，要注意該力值不可過大，要確保開口薄壁梁處于彈性狀態(tài)。記錄兩個水平千分表的讀數(shù)。轉(zhuǎn)動加力手輪卸載，使得壓頭與開口薄壁梁分離。卸除水平千分表，松開鎖緊螺釘，轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)手輪5，使得固定座在軌道4上滑動。確定一個與前面測試不同的位置，鎖緊螺釘。重復(fù)上述過程直到兩個水平千分表顯示無扭轉(zhuǎn)變形為止，記錄此時的壓頭在開口薄壁梁上表面的加載點位置，該位置即為彎曲中心位置。

3.開口薄壁梁彎曲中心理論分析

以工程中比較常見的槽型截面為例，假設(shè)槽型截面梁腹板與翼緣厚度均為t，設(shè)外力與形心主慣性平面yz平行，根據(jù)剪力流特性，截面上剪力如流水一樣總是連續(xù)的，根據(jù)材料力學(xué)理論公式：

同時得出在腹板上剪應(yīng)力的合力正好等于橫截面上所有的剪力Q。翼緣上剪應(yīng)力的合力T為剪應(yīng)力三角形面積乘以翼緣厚度t，即：

按照靜力等效原理合成一個力Q的作用，如圖所示，根據(jù)力矩平衡方程：

Q·e-T·h=0

得到：

4.結(jié)論

該試驗裝置作為工程力學(xué)實驗教學(xué)改革成果之一，已被列入我學(xué)部基礎(chǔ)力學(xué)實驗課程，通過加入電測方法，測量彎曲中心及內(nèi)力分量，充分體現(xiàn)了該實驗的綜合性與設(shè)計性，在我校的教學(xué)改革實踐當(dāng)中起到了積極的示范作用。

參考文獻

[1]孫訓(xùn)方，方孝淑.材料力學(xué)：上冊[M].北京：人民教育出版社，1978.

[2]湯昕燕.彎曲中心理論公式的推導(dǎo)和應(yīng)用[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007.