杆杆結構位移互等定理實驗裝置的製作方法

2023-09-23 21:03:55

專利名稱：杆杆結構位移互等定理實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種位移量測和驗證的實驗裝置，尤其涉及一種量測杆件結構位 移並驗證位移互等定理的實驗裝置。
背景技術：
杆件結構包括梁、剛架、桁架、拱和組合結構，是工程實踐中應用最為廣泛的結構 形式。位移互等定理是杆件結構力學中的基本原理，它反映了線性變形結構受力與變形之 間的內在關係，是杆件結構(實際上也適用於其他固體結構)的重要力學特性之一。位移互等定理涉及同一線性變形結構的兩種狀態，兩種狀態分別作用有一個外力 (可為廣義力)。由於兩種狀態的結構均處於平衡，故根據虛功原理，第一狀態的外力在第 二狀態的位移上所做的虛功就等於第一狀態的內力(彎矩、軸力和剪力)在第二狀態的變 形(彎曲變形、軸向變形和剪切變形)上所做的虛功；同樣道理，第二狀態的外力在第一狀 態的位移上所做的虛功等於第二狀態的內力在第一狀態的變形上所做的虛功。根據外力作 用下的變形計算公式，兩種狀態下的內力在另一狀態的變形上所做的虛功是相等的，這樣， 兩種狀態的外力在另一狀態的位移上所做的虛功也就相等了。如果兩種狀態的外力均為單 位力，就可推得第一狀態的單位力引起的與第二狀態的單位力對應的位移(或理解為位 移影響係數)就等於第二狀態的單位力引起的與第一狀態的單位力對應的位移，這就是位 移互等定理。由此可見，位移互等定理是由虛功原理間接導出的，其本質是兩種狀態相互所做 的外力虛功相等。在目前的教學實踐中，位移互等定理均採用理論分析和推導的方式講授。 這種方式雖然必不可少，但也存在一些不足，例如不夠直觀明了，缺乏物理驗證，初學者往 往理解不深刻等。如果能創建一種簡便易行的實驗裝置，對兩種狀態的位移進行量測，並據 此對位移互等現象進行物理驗證，將獲得更為直觀、形象的教學效果。發明內容為了直觀、形象地展示杆杆結構位移互等的內在特性，本實用新型提供了一種杆 杆結構位移互等定理實驗裝置。該裝置通過測定一帶拉杆的靜定三鉸拱(可轉變為超靜定 的兩鉸拱)在外加砝碼(或其他重物)作用於某一位置時位移計所在位置的位移，再將砝 碼和位移計的位置對調，重新測定位移，從而獲得兩個位移始終相等的位移互等定理。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的本實用新型包括左拱片、右拱 片、鉸鏈、帶螺孔和螺杆的剛臂、拉索、圓柱形滾輪。在左拱片沿水平投影長度的1/4、1/2、 3/4和頂端部位的下表面分別安裝一個掛鈎，相應位置的上表面中心處分別加工出一個 3mmX3mm的矩形微小水平面。掛鈎上可懸掛砝碼盤與砝碼(或其他重物)，微小水平面上 可安裝位移計(百分表)。鉸鏈由左、右拱片頂端的圓柱形插銷筒和圓柱形插銷軸組裝而 成，插銷筒底面和插銷軸端部底面向下伸出剛臂，剛臂頂端分別帶有螺孔和螺杆。圓柱形滾 輪安裝在右拱片下端Y形開口的細杆軸承之上。左右拱片形狀對稱，線形為二次拋物線；拱片和拉索均用鋼材製作。通過將右拱片插銷軸插入左拱片插銷筒，再將兩拱片底部用拉索連接，就組成了 一個幾何不變的帶拉索三鉸拱結構；右端的滾輪就是一個滑動鉸支座，保證了三鉸拱右端 在水平方向可自由滑動。如果將左右拱片頂端鉸鏈處向下伸出的剛臂用螺杆擰緊固定，左 右拱片頂端將不能發生相對轉動，這樣組成的結構就轉變成為一個帶拉索的兩鉸拱結構 (原為三鉸拱)。本實用新型的有益效果是1)實驗裝置為裝配式結構，可即時拆卸和拼裝，構造簡單，便於攜帶及在不同場合 操作、演示。2)選用拱結構作為實驗測量裝置，既有拉索直杆(鏈杆)、又有曲杆(梁式杆)，引 起位移的變形即包含彎曲變形，又包含軸向變形和剪切變形，可以說全面反映了杆件結構 不同類型構件的受力和變形特徵。3)拱結構可以在靜定的三鉸拱和超靜定的兩鉸拱之間轉換，因此既能檢驗靜定結 構的位移互等，又能檢驗超靜定結構的位移互等。
圖1是本實用新型實驗裝置結構示意圖；圖2 (a)、圖2 (b)分別是左、右拱片頂端的鉸鏈及向下伸出的帶螺孔與螺杆的剛 臂的正視圖和俯視圖；圖3是右拱片底部滾輪構造側視圖；圖中，1.左拱片，2.右拱片，3.鉸鏈，4.剛臂，5.掛鈎，6.微小水平面，7.位移計固 定支架，8.位移計(百分表)，9.砝碼盤和砝碼，10.拉索，11.拉索端部細螺杆，12.螺帽， 13.滾輪，14.實驗裝置平臺，15.鉸鏈插銷筒，16.插銷筒下伸剛臂，17.螺孔，18.鉸鏈插銷 軸，19.插銷軸端部下伸剛臂，20.螺孔及螺杆，21.右拱片Y形開口，22.滾輪軸承。
具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明，本實用新型的目的和效果將 變得更加明顯。如圖1和圖2所示，將右拱片2的插銷軸18插入左拱片1的插銷筒15之內，再將 固定在右拱片上的拉索10另一端的細螺杆11穿過左拱片底部的小孔，調節左拱片外側的 螺帽12使拉索10在拱腳處的長度達到設計長度1，拉索至拱頂的垂直距離達到設計拱高 f，由此組成一個幾何不變的帶拉杆(拉索)三鉸拱，拱的形狀符合以下二次拋物線形4/門 、γ = -^γ·χ( -χ)I式中χ軸沿拉索向右，y軸豎直向上，原點設在拉索左端。1)三鉸拱位移影響係數的測量及位移互等驗證選擇拱片上部具有微小水平面的部位，用位移計支架7在該部位安裝位移計8，使 位移計的指針豎直並對準微小水平面的中心，讀取位移計的初讀數；任選另一處具有掛鈎 的位置將砝碼盤和砝碼9添加到掛鈎5上，讀取位移計的讀數，測出在該位置施加豎向力時4位移計所在位置的位移，該位移除以施加的重量就是該情況的位移影響係數，記為δ lja將砝碼和位移計的位置對調。首先卸除砝碼盤和砝碼，將位移計移至原施加砝碼 盤和砝碼的位置(相應位置的上表面)，讀取位移計的初讀數；再將砝碼盤和砝碼施加在原 位移計安裝的位置(相應位置的下部掛鈎上)，重新測量出位移。該位移除以施加的重量就 是位置對調後情況的位移影響係數，記為Sp因兩種情況的位移均為同一靜定三鉸拱處 於平衡狀態的位移，故有Sij= Sji，由此便再現和驗證了靜定結構的位移互等定理。2)兩鉸拱位移影響係數的測量及位移互等驗證在上述已組裝完成的三鉸拱結構的基礎上，將右拱片頂部下伸剛臂19上的螺杆 (20)擰入左拱片下伸剛臂16的螺孔17內，鎖定兩剛臂，即使其頂部不能發生相對轉動，這 樣就得到了一個超靜定的帶拉索的兩鉸拱實驗裝置。重複上述針對三鉸拱的同樣測量，便 可驗證超靜定兩鉸拱結構的位移互等定理。本實驗裝置的測量結果基本不受其他外部因素 的影響，利用百分表作為位移計，其測試誤差可控制在0. Olmm以下。因此該裝置不僅操作 方便，而且具有穩定可靠、測試精確高的特點。
權利要求1.一種杆杆結構位移互等定理實驗裝置，其特徵在於，它由左拱片、右拱片、鉸鏈、帶螺 孔和螺杆的剛臂、拉索、圓柱形滾輪組裝而成；在左拱片或右拱片的特徵截面處的下表面安 裝有掛鈎，用於懸掛砝碼盤和砝碼；相應位置的上表面中心處有一矩形微小水平面，用於安 裝位移計。
2.根據權利要求1所述的杆杆結構位移互等定理實驗裝置，其特徵在於，所述鉸鏈由 左拱片頂端的圓柱形插銷筒和右拱片頂端的圓柱形插銷軸組成；插銷筒底部向下伸出剛 臂，剛臂頂端帶有螺孔；插銷軸端部向下伸出剛臂，剛臂頂端帶有螺孔和螺杆。
3.根據權利要求1所述的杆杆結構位移互等定理實驗裝置，其特徵在於，所述右拱片 下端有一 Y形開口，開口處連一細杆軸承，軸承上安裝圓柱形滾輪。
專利摘要本實用新型公開了一種杆杆結構位移互等定理實驗裝置，它由左拱片、右拱片、鉸鏈、帶螺孔和螺杆的剛臂、拉索、圓柱形滾輪組裝而成。拱片上裝有數個砝碼掛鈎和位移計微小測試面；鉸鏈由左拱片頂端的圓柱形插銷筒和右拱片頂端的細長圓柱形插銷軸組成，鉸鏈底部有向下伸出的帶螺孔和螺杆的剛臂。鬆開或擰緊剛臂上的螺杆，可將組裝完成的結構在靜定三鉸拱和超靜定兩鉸拱之間轉變。通過測定三鉸拱或兩鉸拱在外加砝碼作用於某一位置時位移計所在位置的位移，再將砝碼和位移計的位置對調，重新測定位移，可獲得兩個位移始終相等的位移互等定理。本實用新型構造簡單，操作方便，測試精度高，能直觀清晰地反映結構位移互等的內在特性。
文檔編號G01B5/02GK201829094SQ200920198610
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月2日 優先權日2009年11月2日
發明者林炎飛, 陳水福 申請人:廣廈建設集團有限責任公司, 浙江大學