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節系統與加載測量系統。試驗設計采用懸臂梁加載的方式。豎向加載系統提供橫力作用且能顯示力值大小，水平位移系統測量扭轉變形。通過記錄某一橫力作用下的扭轉變形，可以確定加載位置是否處于彎曲中心。通過調節開口薄壁梁的水平位置，尋找出扭轉變形等于零的加載位置，該加載位置即為彎曲中心。本發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，測量準確度高，能實現靈活調節，測量過程直觀、簡便、快捷，避免了復雜截面的繁冗計算，具有一定應用價值和現實意義。

【關鍵詞】開口薄壁梁;彎曲中心;實驗教學改革

引言

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

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萬化，對于一些不規則截面，彎曲中心的計算就顯得相對困難。雖然計算機輔助設計能夠幫助確定彎曲中心，但卻無法考慮工程構件實際制作過程的離散性所引起的偏差，比如，構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件的彎曲中心有著重要的現實工程意義。

本發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件實際制作過程的離散性所引起的偏差。利用該裝置對復雜截面開口薄壁梁的彎曲中心進行確定更簡便快捷。

1.試驗裝置的結構

1.1 結構

圖1所示為開口薄壁梁彎曲中心的試驗裝置結構圖。

機械結構包括：

（1）開口薄壁梁

（2）固定座

（3）臺座

（4）軌道

（5）橫向調節手輪

（6）鎖緊螺釘

（7）水平調節螺母

（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構示意圖

1.2 裝配及實現過程

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節系統與加載測量系統兩部分。

開口薄壁梁固定調節系統構成如下：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。水平滑動的實現是通過橫向調節手輪5的轉動完成，橫向調節手輪的轉動可通過其上面的刻度盤9讀取水平調節的距離。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，應采用鎖緊螺釘6對固定座進行固定，防止測試過程出現水平滑動。臺座底部設有四個水平調節螺母7，測量前，應首先調節水平調節螺母，確保臺座處于水平狀態。

加載測量系統構成如下：門字形加載架8固定在臺座上。轉動加載手輪10可驅動渦輪蝸桿減速器系統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面上下位置各設置一水平千分表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

調節水平調節螺母7，使得臺座3處于水平狀態，采用水準尺對臺座的水平狀態進行校準。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，注意采用水準尺對開口薄壁梁的水平度進行校準，確保其處于水平狀態。選擇任一位置，旋轉鎖緊螺釘6固定。打開儀器電源開關，啟動力值顯示器14，調零。安裝水平千分表15，使其分別位于開口薄壁梁自由端兩側的靠近上下表面的側面位置，并調節水平，調零或記錄初始讀數。轉動加力手輪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。記錄兩個水平千分表的讀數。轉動加力手輪卸載，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，轉動橫向調節手輪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。重復上述過程直到兩個水平千分表顯示無扭轉變形為止，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，假設槽型截面梁腹板與翼緣厚度均為t，設外力與形心主慣性平面yz平行，根據剪力流特性，截面上剪力如流水一樣總是連續的，根據材料力學理論公式：

同時得出在腹板上剪應力的合力正好等于橫截面上所有的剪力Q。翼緣上剪應力的合力T為剪應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，根據力矩平衡方程：

Q·e-T·h=0

得到：

4.結論

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

參考文獻

[1]孫訓方，方孝淑.材料力學：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和應用[J].南京工業大學學報，2007.