材料力學教具的研發與設計

馮永哲，余幫建，段敬文，李延君

(長春工程學院，長春 130012)

0 引言

“材料力學”是一門高等工科院校的專業基礎課，它與工程實際緊密相聯系，為工程構件的強度、剛度和穩定性提供了理論知識和計算方法，是解決實際工程問題的理論基礎。由于“材料力學”的理論性強、知識點較多、較抽象。實際授課通常以材料變形的特殊形式作為典型代表，并在此基礎上進行理論假設和理論分析。材料力學教具是一款用于材料力學隨堂展示的教具，在桿件受任意力系作用下，通過客觀的變形量和必要的數據量反映出材料變化規律，以肉眼可見的指標范圍作為材料變形區度，進一步體現出理論知識的真實性，以切實可見的變化突出材料變形的特點，將動畫效果淋漓盡致的展現在教具上，使學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行軸向拉伸(壓縮)、彎曲、扭轉等基本變形，拉(壓)彎、彎扭、斜彎等組合變形。整體包括底座、外支座、內支座、豎向力加載裝置、側向力加載裝置、軸力加載裝置、扭矩加載裝置和試件。

調節外支座上不等均布荷載加載裝置的位置和施加側向力加載使試件變形，從而進行材料力學試驗，如性能測定、理論驗證和應力分析等實驗內容。

2 主體結構

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

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

圖2 材料力學教具示意圖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空腔，每個空腔兩端均設有限位墊片且該兩個限位墊片通過限位彈簧連接；豎向力加載裝置是在限位套筒內上端嵌固豎向彈簧，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腹腔中部且原位軸擰閥門下部和扭矩效應片接觸，扭矩效應片和鏈動片固接于一體且右側連接扭轉限位片，扭轉限位片右側連接鏈動彈簧組和單向限位片；側向力加載裝置是在施力按鈕一側依次連接限位底芯和鏈動傳片，鏈動傳片連接傳動夾持，傳動夾持連接沖擊鏈動彈簧，沖擊鏈動彈簧置于沖擊底芯內，整個結構嵌固于空谷內。

教具間接利用加載裝置的擰轉閥門或砝碼進而控制加載的大小和多少，當加載量越大時，讀數卡尺的讀數越大，其試件的變形越明顯，相應材料力學的性能測定、理論驗證和應力分析越容易。一體化多功能材料力學教具由底座、外支座、內支座、豎向力加載裝置、側向力加載裝置、軸力加載裝置、扭矩加載裝置和試件構成整體，可以滿足于整個材料力學教學的跟隨輔導缺陷，保證試驗結果準確性的前提下，安裝更為方便快捷，提高了工作效率，具有良好的經濟效果。

3 具體設計構想

3.1 實現軸向拉(壓)變形

通過軸力加載裝置軸擰閥門擰轉時即控制軸力均勻作用于試件兩端。當需要試件一端受軸向拉(壓)力時，只需要將試件一端的內支座固定于滑槽里，并于試件另一端擰轉軸擰閥門推動內支座的前進和后退，該移動距離由讀數尺讀取。預期變化：桿軸發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生相應變化，桿軸的兩端端點對應刻度也發生變化。實驗驗證：通過支座滑槽的移動距離和定位尺之間的位矢量差驗證橫向線應變、縱向線應變和胡克定律。

3.2 實現彎曲變形

豎向力加載裝置砝碼懸掛時即對與之接觸的試件

表面施加豎向力，或通過側向力加載裝置施力按鈕受壓時即對試件施加側向集中力。當需要施加集中荷載時，只需要在相應位置懸掛砝碼或施力按鈕受力即可；當需要施加均布荷載時，應在每個沿著橫梁方向均勻布置的每一個豎向力加載裝置上懸掛等質量砝碼；對于懸挑梁的模擬加載時，可先撤除試件一端的內支座并同上述加載方式進行加載。預期形變：通過施加剪力，桿軸一端將發生明顯彎曲形變，位移傳感器的示數有直接變化并可讀出。實驗驗證：1可由力矩傳感器得截面一側彎矩值，可求對應截面彎矩值和剪力值，該步主要為驗證性試驗2在已知彎矩值下，由支座定位尺相對位移可確定截面位移量，同時該裝置可通過支座位置的改變實現對稱彎曲和非對稱彎曲(一切純彎曲)。

3.3 實現扭轉變形

3.4 實現組合變形

應按以上實施辦法進行需要組合即可，如斜彎(豎向力與側向力的組合)、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。即當為實現斜彎變形時，在施加集中荷載方式的基礎上同時按壓側向施力按鈕，便對試件產生了豎向和側向的集中力；當為實現拉(壓)彎變形時，在施加集中荷載方式的基礎上同時擰轉軸力加載裝置的軸擰閥門，便對試件產生了軸向力與豎向力的組合；當為實現彎扭變形時，在施加集中荷載方式的基礎上同時擰轉扭矩加載裝置的軸擰閥門，便對試件產生了豎向力與扭矩的組合。

4 結語

此教具的實驗結果準確性高、安裝便捷、演示過程方便、降低勞動強度、突破了材料力學抽象教學的瓶頸，加深了同學們對材料力學各階段學習的印象，使得師生之間的授與學更加輕松。解決材料力學課堂與實驗分離的教學模式，使得學與理解更為銜接。材料力學教具的研發不僅提高了課堂教學質量，而且在“材料力學的中材料力學實驗教學實踐環節，意義非凡。