專利名稱：桿桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種位移量測(cè)和驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種量測(cè)桿件結(jié)構(gòu)位 移并驗(yàn)證位移互等定理的實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
桿件結(jié)構(gòu)包括梁、剛架、桁架、拱和組合結(jié)構(gòu)，是工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu) 形式。位移互等定理是桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)中的基本原理，它反映了線性變形結(jié)構(gòu)受力與變形之 間的內(nèi)在關(guān)系，是桿件結(jié)構(gòu)(實(shí)際上也適用于其他固體結(jié)構(gòu))的重要力學(xué)特性之一。位移互等定理涉及同一線性變形結(jié)構(gòu)的兩種狀態(tài)，兩種狀態(tài)分別作用有一個(gè)外力 (可為廣義力)。由于兩種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)均處于平衡，故根據(jù)虛功原理，第一狀態(tài)的外力在第 二狀態(tài)的位移上所做的虛功就等于第一狀態(tài)的內(nèi)力(彎矩、軸力和剪力)在第二狀態(tài)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(tài)的外力在第一狀 態(tài)的位移上所做的虛功等于第二狀態(tài)的內(nèi)力在第一狀態(tài)的變形上所做的虛功。根據(jù)外力作 用下的變形計(jì)算公式，兩種狀態(tài)下的內(nèi)力在另一狀態(tài)的變形上所做的虛功是相等的，這樣， 兩種狀態(tài)的外力在另一狀態(tài)的位移上所做的虛功也就相等了。如果兩種狀態(tài)的外力均為單 位力，就可推得第一狀態(tài)的單位力引起的與第二狀態(tài)的單位力對(duì)應(yīng)的位移(或理解為位 移影響系數(shù))就等于第二狀態(tài)的單位力引起的與第一狀態(tài)的單位力對(duì)應(yīng)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(dǎo)出的，其本質(zhì)是兩種狀態(tài)相互所做 的外力虛功相等。在目前的教學(xué)實(shí)踐中，位移互等定理均采用理論分析和推導(dǎo)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(yàn)證，初學(xué)者往 往理解不深刻等。如果能創(chuàng)建一種簡(jiǎn)便易行的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)兩種狀態(tài)的位移進(jìn)行量測(cè)，并據(jù) 此對(duì)位移互等現(xiàn)象進(jìn)行物理驗(yàn)證，將獲得更為直觀、形象的教學(xué)效果。發(fā)明內(nèi)容為了直觀、形象地展示桿桿結(jié)構(gòu)位移互等的內(nèi)在特性，本實(shí)用新型提供了一種桿 桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置通過測(cè)定一帶拉桿的靜定三鉸拱(可轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定 的兩鉸拱)在外加砝碼(或其他重物)作用于某一位置時(shí)位移計(jì)所在位置的位移，再將砝 碼和位移計(jì)的位置對(duì)調(diào)，重新測(cè)定位移，從而獲得兩個(gè)位移始終相等的位移互等定理。本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型包括左拱片、右拱 片、鉸鏈、帶螺孔和螺桿的剛臂、拉索、圓柱形滾輪。在左拱片沿水平投影長(zhǎng)度的1/4、1/2、 3/4和頂端部位的下表面分別安裝一個(gè)掛鉤，相應(yīng)位置的上表面中心處分別加工出一個(gè) 3mmX3mm的矩形微小水平面。掛鉤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(jì)(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桿。圓柱形滾 輪安裝在右拱片下端Y形開口的細(xì)桿軸承之上。左右拱片形狀對(duì)稱，線形為二次拋物線；拱片和拉索均用鋼材制作。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(gè)幾何不變的帶拉索三鉸拱結(jié)構(gòu)；右端的滾輪就是一個(gè)滑動(dòng)鉸支座，保證了三鉸拱右端 在水平方向可自由滑動(dòng)。如果將左右拱片頂端鉸鏈處向下伸出的剛臂用螺桿擰緊固定，左 右拱片頂端將不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣組成的結(jié)構(gòu)就轉(zhuǎn)變成為一個(gè)帶拉索的兩鉸拱結(jié)構(gòu) (原為三鉸拱)。本實(shí)用新型的有益效果是1)實(shí)驗(yàn)裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，可即時(shí)拆卸和拼裝，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于攜帶及在不同場(chǎng)合 操作、演示。2)選用拱結(jié)構(gòu)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，既有拉索直桿(鏈桿)、又有曲桿(梁式桿)，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，可以說全面反映了桿件結(jié)構(gòu) 不同類型構(gòu)件的受力和變形特征。3)拱結(jié)構(gòu)可以在靜定的三鉸拱和超靜定的兩鉸拱之間轉(zhuǎn)換，因此既能檢驗(yàn)靜定結(jié) 構(gòu)的位移互等，又能檢驗(yàn)超靜定結(jié)構(gòu)的位移互等。
圖1是本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)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桿的剛 臂的正視圖和俯視圖；圖3是右拱片底部滾輪構(gòu)造側(cè)視圖；圖中，1.左拱片，2.右拱片，3.鉸鏈，4.剛臂，5.掛鉤，6.微小水平面，7.位移計(jì)固 定支架，8.位移計(jì)(百分表)，9.砝碼盤和砝碼，10.拉索，11.拉索端部細(xì)螺桿，12.螺帽， 13.滾輪，14.實(shí)驗(yàn)裝置平臺(tái)，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.螺孔及螺桿，21.右拱片Y形開口，22.滾輪軸承。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，本實(shí)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(nèi)，再將 固定在右拱片上的拉索10另一端的細(xì)螺桿11穿過左拱片底部的小孔，調(diào)節(jié)左拱片外側(cè)的 螺帽12使拉索10在拱腳處的長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度1，拉索至拱頂?shù)拇怪本嚯x達(dá)到設(shè)計(jì)拱高 f，由此組成一個(gè)幾何不變的帶拉桿(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(diǎn)設(shè)在拉索左端。1)三鉸拱位移影響系數(shù)的測(cè)量及位移互等驗(yàn)證選擇拱片上部具有微小水平面的部位，用位移計(jì)支架7在該部位安裝位移計(jì)8，使 位移計(jì)的指針豎直并對(duì)準(zhǔn)微小水平面的中心，讀取位移計(jì)的初讀數(shù)；任選另一處具有掛鉤 的位置將砝碼盤和砝碼9添加到掛鉤5上，讀取位移計(jì)的讀數(shù)，測(cè)出在該位置施加豎向力時(shí)4位移計(jì)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系數(shù)，記為δ lja將砝碼和位移計(jì)的位置對(duì)調(diào)。首先卸除砝碼盤和砝碼，將位移計(jì)移至原施加砝碼 盤和砝碼的位置(相應(yīng)位置的上表面)，讀取位移計(jì)的初讀數(shù)；再將砝碼盤和砝碼施加在原 位移計(jì)安裝的位置(相應(yīng)位置的下部掛鉤上)，重新測(cè)量出位移。該位移除以施加的重量就 是位置對(duì)調(diào)后情況的位移影響系數(shù)，記為Sp因兩種情況的位移均為同一靜定三鉸拱處 于平衡狀態(tài)的位移，故有Sij= Sji，由此便再現(xiàn)和驗(yàn)證了靜定結(jié)構(gòu)的位移互等定理。2)兩鉸拱位移影響系數(shù)的測(cè)量及位移互等驗(yàn)證在上述已組裝完成的三鉸拱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將右拱片頂部下伸剛臂19上的螺桿 (20)擰入左拱片下伸剛臂16的螺孔17內(nèi)，鎖定兩剛臂，即使其頂部不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這 樣就得到了一個(gè)超靜定的帶拉索的兩鉸拱實(shí)驗(yàn)裝置。重復(fù)上述針對(duì)三鉸拱的同樣測(cè)量，便 可驗(yàn)證超靜定兩鉸拱結(jié)構(gòu)的位移互等定理。本實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量結(jié)果基本不受其他外部因素 的影響，利用百分表作為位移計(jì)，其測(cè)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(wěn)定可靠、測(cè)試精確高的特點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種桿桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，它由左拱片、右拱片、鉸鏈、帶螺 孔和螺桿的剛臂、拉索、圓柱形滾輪組裝而成；在左拱片或右拱片的特征截面處的下表面安 裝有掛鉤，用于懸掛砝碼盤和砝碼；相應(yīng)位置的上表面中心處有一矩形微小水平面，用于安 裝位移計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的桿桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，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桿。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的桿桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述右拱片 下端有一 Y形開口，開口處連一細(xì)桿軸承，軸承上安裝圓柱形滾輪。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種桿桿結(jié)構(gòu)位移互等定理實(shí)驗(yàn)裝置，它由左拱片、右拱片、鉸鏈、帶螺孔和螺桿的剛臂、拉索、圓柱形滾輪組裝而成。拱片上裝有數(shù)個(gè)砝碼掛鉤和位移計(jì)微小測(cè)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(xì)長(zhǎng)圓柱形插銷軸組成，鉸鏈底部有向下伸出的帶螺孔和螺桿的剛臂。松開或擰緊剛臂上的螺桿，可將組裝完成的結(jié)構(gòu)在靜定三鉸拱和超靜定兩鉸拱之間轉(zhuǎn)變。通過測(cè)定三鉸拱或兩鉸拱在外加砝碼作用于某一位置時(shí)位移計(jì)所在位置的位移，再將砝碼和位移計(jì)的位置對(duì)調(diào)，重新測(cè)定位移，可獲得兩個(gè)位移始終相等的位移互等定理。本實(shí)用新型構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)試精度高，能直觀清晰地反映結(jié)構(gòu)位移互等的內(nèi)在特性。
文檔編號(hào)G01B5/02GK201829094SQ200920198610
公開日2011年5月11日 申請(qǐng)日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者林炎飛, 陳水福 申請(qǐng)人:廣廈建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 浙江大學(xué)