材料力學(xué)教具的研發(fā)與設(shè)計(jì)

馮永哲，余幫建，段敬文，李延君

(長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

“材料力學(xué)”是一門高等工科院校的專業(yè)基礎(chǔ)課，它與工程實(shí)際緊密相聯(lián)系，為工程構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性提供了理論知識(shí)和計(jì)算方法，是解決實(shí)際工程問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。由于“材料力學(xué)”的理論性強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)較多、較抽象。實(shí)際授課通常以材料變形的特殊形式作為典型代表，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理論假設(shè)和理論分析。材料力學(xué)教具是一款用于材料力學(xué)隨堂展示的教具，在桿件受任意力系作用下，通過(guò)客觀的變形量和必要的數(shù)據(jù)量反映出材料變化規(guī)律，以肉眼可見(jiàn)的指標(biāo)范圍作為材料變形區(qū)度，進(jìn)一步體現(xiàn)出理論知識(shí)的真實(shí)性，以切實(shí)可見(jiàn)的變化突出材料變形的特點(diǎn)，將動(dòng)畫效果淋漓盡致的展現(xiàn)在教具上，使學(xué)生在抽象思維理解方面更上一層樓。

1 原理

教具依靠加載集中荷載或均布荷載將試件進(jìn)行軸向拉伸(壓縮)、彎曲、扭轉(zhuǎn)等基本變形，拉(壓)彎、彎扭、斜彎等組合變形。整體包括底座、外支座、內(nèi)支座、豎向力加載裝置、側(cè)向力加載裝置、軸力加載裝置、扭矩加載裝置和試件。

調(diào)節(jié)外支座上不等均布荷載加載裝置的位置和施加側(cè)向力加載使試件變形，從而進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)，如性能測(cè)定、理論驗(yàn)證和應(yīng)力分析等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 主體結(jié)構(gòu)

一體化多功能材料力學(xué)教具如圖1～圖6所示，其特征是：底座上有一固定的外支座和4個(gè)可滑動(dòng)的內(nèi)支座，外支座內(nèi)側(cè)和內(nèi)支座之間設(shè)有軸力加載裝置，兩個(gè)內(nèi)支座之間安裝試件，在試件和內(nèi)支座之間設(shè)有扭矩加載裝置，外支座的橫梁和試件之間設(shè)有豎向力加載裝置，沿著試件側(cè)向方向有一側(cè)向力加載裝置，側(cè)向力加載裝置加在直角支撐架中部，底座上設(shè)有前后兩個(gè)平行的滑槽，外支座為兩個(gè)前后平行的門型框架，內(nèi)支座為可以沿滑槽滑動(dòng)的立柱，立柱位于門型框架內(nèi)側(cè)，兩個(gè)門型框架與底座通過(guò)直角支撐架連接固定，底座前立面上設(shè)有讀數(shù)尺。

圖1 材料力學(xué)教具示意圖Fig.1 The schematic diagram of teaching aids for materials mechanics

圖2 材料力學(xué)教具示意圖Fig.2 The schematic diagram of teaching aids for materials mechanics

圖3 軸力加載裝置Fig.3 Axial force loading device

圖4 豎向力加載裝置Fig.4 Vertical force loading device

圖5 扭矩加載裝置Fig.5 Torque loading device

圖6 側(cè)向力加載裝置Fig.6 Lateral force loading device

軸力加載裝置是在軸擰閥門兩端各安裝一個(gè)空腔，每個(gè)空腔兩端均設(shè)有限位墊片且該兩個(gè)限位墊片通過(guò)限位彈簧連接；豎向力加載裝置是在限位套筒內(nèi)上端嵌固豎向彈簧，豎向彈簧下端連接接觸角錐，砝碼作為力加載工具懸掛于接觸角錐上；扭矩加載裝置是將原位軸擰閥門置于整個(gè)腹腔中部且原位軸擰閥門下部和扭矩效應(yīng)片接觸，扭矩效應(yīng)片和鏈動(dòng)片固接于一體且右側(cè)連接扭轉(zhuǎn)限位片，扭轉(zhuǎn)限位片右側(cè)連接鏈動(dòng)彈簧組和單向限位片；側(cè)向力加載裝置是在施力按鈕一側(cè)依次連接限位底芯和鏈動(dòng)傳片，鏈動(dòng)傳片連接傳動(dòng)夾持，傳動(dòng)夾持連接沖擊鏈動(dòng)彈簧，沖擊鏈動(dòng)彈簧置于沖擊底芯內(nèi)，整個(gè)結(jié)構(gòu)嵌固于空谷內(nèi)。

教具間接利用加載裝置的擰轉(zhuǎn)閥門或砝碼進(jìn)而控制加載的大小和多少，當(dāng)加載量越大時(shí)，讀數(shù)卡尺的讀數(shù)越大，其試件的變形越明顯，相應(yīng)材料力學(xué)的性能測(cè)定、理論驗(yàn)證和應(yīng)力分析越容易。一體化多功能材料力學(xué)教具由底座、外支座、內(nèi)支座、豎向力加載裝置、側(cè)向力加載裝置、軸力加載裝置、扭矩加載裝置和試件構(gòu)成整體，可以滿足于整個(gè)材料力學(xué)教學(xué)的跟隨輔導(dǎo)缺陷，保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，安裝更為方便快捷，提高了工作效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。

3 具體設(shè)計(jì)構(gòu)想

3.1 實(shí)現(xiàn)軸向拉(壓)變形

通過(guò)軸力加載裝置軸擰閥門擰轉(zhuǎn)時(shí)即控制軸力均勻作用于試件兩端。當(dāng)需要試件一端受軸向拉(壓)力時(shí)，只需要將試件一端的內(nèi)支座固定于滑槽里，并于試件另一端擰轉(zhuǎn)軸擰閥門推動(dòng)內(nèi)支座的前進(jìn)和后退，該移動(dòng)距離由讀數(shù)尺讀取。預(yù)期變化：桿軸發(fā)生較為明顯的橫向形變和縱向形變，右端支座中心的刻度發(fā)生相應(yīng)變化，桿軸的兩端端點(diǎn)對(duì)應(yīng)刻度也發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：通過(guò)支座滑槽的移動(dòng)距離和定位尺之間的位矢量差驗(yàn)證橫向線應(yīng)變、縱向線應(yīng)變和胡克定律。

3.2 實(shí)現(xiàn)彎曲變形

豎向力加載裝置砝碼懸掛時(shí)即對(duì)與之接觸的試件

表面施加豎向力，或通過(guò)側(cè)向力加載裝置施力按鈕受壓時(shí)即對(duì)試件施加側(cè)向集中力。當(dāng)需要施加集中荷載時(shí)，只需要在相應(yīng)位置懸掛砝碼或施力按鈕受力即可；當(dāng)需要施加均布荷載時(shí)，應(yīng)在每個(gè)沿著橫梁方向均勻布置的每一個(gè)豎向力加載裝置上懸掛等質(zhì)量砝碼；對(duì)于懸挑梁的模擬加載時(shí)，可先撤除試件一端的內(nèi)支座并同上述加載方式進(jìn)行加載。預(yù)期形變：通過(guò)施加剪力，桿軸一端將發(fā)生明顯彎曲形變，位移傳感器的示數(shù)有直接變化并可讀出。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：1可由力矩傳感器得截面一側(cè)彎矩值，可求對(duì)應(yīng)截面彎矩值和剪力值，該步主要為驗(yàn)證性試驗(yàn)2在已知彎矩值下，由支座定位尺相對(duì)位移可確定截面位移量，同時(shí)該裝置可通過(guò)支座位置的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)稱彎曲和非對(duì)稱彎曲(一切純彎曲)。

3.3 實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形

3.4 實(shí)現(xiàn)組合變形

應(yīng)按以上實(shí)施辦法進(jìn)行需要組合即可，如斜彎(豎向力與側(cè)向力的組合)、拉(壓)彎(軸向力與豎向力的組合)、彎扭(豎向力與扭矩的組合)等。即當(dāng)為實(shí)現(xiàn)斜彎變形時(shí)，在施加集中荷載方式的基礎(chǔ)上同時(shí)按壓側(cè)向施力按鈕，便對(duì)試件產(chǎn)生了豎向和側(cè)向的集中力；當(dāng)為實(shí)現(xiàn)拉(壓)彎變形時(shí)，在施加集中荷載方式的基礎(chǔ)上同時(shí)擰轉(zhuǎn)軸力加載裝置的軸擰閥門，便對(duì)試件產(chǎn)生了軸向力與豎向力的組合；當(dāng)為實(shí)現(xiàn)彎扭變形時(shí)，在施加集中荷載方式的基礎(chǔ)上同時(shí)擰轉(zhuǎn)扭矩加載裝置的軸擰閥門，便對(duì)試件產(chǎn)生了豎向力與扭矩的組合。

4 結(jié)語(yǔ)

此教具的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性高、安裝便捷、演示過(guò)程方便、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、突破了材料力學(xué)抽象教學(xué)的瓶頸，加深了同學(xué)們對(duì)材料力學(xué)各階段學(xué)習(xí)的印象，使得師生之間的授與學(xué)更加輕松。解決材料力學(xué)課堂與實(shí)驗(yàn)分離的教學(xué)模式，使得學(xué)與理解更為銜接。材料力學(xué)教具的研發(fā)不僅提高了課堂教學(xué)質(zhì)量，而且在“材料力學(xué)的中材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，意義非凡。