杆杆结构位移互等定理实验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种杆杆结构位移互等定理实验装置，它由左拱片、右拱片、铰链、带螺孔和螺杆的刚臂、拉索、圆柱形滚轮组装而成。拱片上装有数个砝码挂钩和位移计微小测试面；铰链由左拱片顶端的圆柱形插销筒和右拱片顶端的细长圆柱形插销轴组成，铰链底部有向下伸出的带螺孔和螺杆的刚臂。松开或拧紧刚臂上的螺杆，可将组装完成的结构在静定三铰拱和超静定两铰拱之间转变。通过测定三铰拱或两铰拱在外加砝码作用于某一位置时位移计所在位置的位移，再将砝码和位移计的位置对调，重新测定位移，可获得两个位移始终相等的位移互等定理。本实用新型专利技术构造简单，操作方便，测试精度高，能直观清晰地反映结构位移互等的内在特性。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种位移量测和验证的实验装置，尤其涉及一种量测杆件结构位 移并验证位移互等定理的实验装置。
技术介绍
杆件结构包括梁、刚架、桁架、拱和组合结构，是工程实践中应用最为广泛的结构 形式。位移互等定理是杆件结构力学中的基本原理，它反映了线性变形结构受力与变形之 间的内在关系，是杆件结构(实际上也适用于其他固体结构)的重要力学特性之一。位移互等定理涉及同一线性变形结构的两种状态，两种状态分别作用有一个外力 (可为广义力)。由于两种状态的结构均处于平衡，故根据虚功原理，第一状态的外力在第 二状态的位移上所做的虚功就等于第一状态的内力(弯矩、轴力和剪力)在第二状态的变 形(弯曲变形、轴向变形和剪切变形)上所做的虚功；同样道理，第二状态的外力在第一状 态的位移上所做的虚功等于第二状态的内力在第一状态的变形上所做的虚功。根据外力作 用下的变形计算公式，两种状态下的内力在另一状态的变形上所做的虚功是相等的，这样， 两种状态的外力在另一状态的位移上所做的虚功也就相等了。如果两种状态的外力均为单 位力，就可推得第一状态的单位力引起的与第二状态的单位力对应的位移(或理解为位 移影响系数)就等于第二状态的单位力引起的与第一状态的单位力对应的位移，这就是位 移互等定理。由此可见，位移互等定理是由虚功原理间接导出的，其本质是两种状态相互所做 的外力虚功相等。在目前的教学实践中，位移互等定理均采用理论分析和推导的方式讲授。 这种方式虽然必不可少，但也存在一些不足，例如不够直观明了，缺乏物理验证，初学者往 往理解不深刻等。如果能创建一种简便易行的实验装置，对两种状态的位移进行量测，并据 此对位移互等现象进行物理验证，将获得更为直观、形象的教学效果。
技术实现思路
为了直观、形象地展示杆杆结构位移互等的内在特性，本技术提供了一种杆 杆结构位移互等定理实验装置。该装置通过测定一带拉杆的静定三铰拱(可转变为超静定 的两铰拱)在外加砝码(或其他重物)作用于某一位置时位移计所在位置的位移，再将砝 码和位移计的位置对调，重新测定位移，从而获得两个位移始终相等的位移互等定理。本技术的目的是通过以下技术方案来实现的本技术包括左拱片、右拱 片、铰链、带螺孔和螺杆的刚臂、拉索、圆柱形滚轮。在左拱片沿水平投影长度的1/4、1/2、 3/4和顶端部位的下表面分别安装一个挂钩，相应位置的上表面中心处分别加工出一个 3mmX3mm的矩形微小水平面。挂钩上可悬挂砝码盘与砝码(或其他重物)，微小水平面上 可安装位移计(百分表)。铰链由左、右拱片顶端的圆柱形插销筒和圆柱形插销轴组装而 成，插销筒底面和插销轴端部底面向下伸出刚臂，刚臂顶端分别带有螺孔和螺杆。圆柱形滚 轮安装在右拱片下端Y形开口的细杆轴承之上。左右拱片形状对称，线形为二次抛物线；拱片和拉索均用钢材制作。通过将右拱片插销轴插入左拱片插销筒，再将两拱片底部用拉索连接，就组成了 一个几何不变的带拉索三铰拱结构；右端的滚轮就是一个滑动铰支座，保证了三铰拱右端 在水平方向可自由滑动。如果将左右拱片顶端铰链处向下伸出的刚臂用螺杆拧紧固定，左 右拱片顶端将不能发生相对转动，这样组成的结构就转变成为一个带拉索的两铰拱结构 (原为三铰拱)。本技术的有益效果是1)实验装置为装配式结构，可即时拆卸和拼装，构造简单，便于携带及在不同场合 操作、演示。2)选用拱结构作为实验测量装置，既有拉索直杆(链杆)、又有曲杆(梁式杆)，引 起位移的变形即包含弯曲变形，又包含轴向变形和剪切变形，可以说全面反映了杆件结构 不同类型构件的受力和变形特征。3)拱结构可以在静定的三铰拱和超静定的两铰拱之间转换，因此既能检验静定结 构的位移互等，又能检验超静定结构的位移互等。附图说明图1是本技术实验装置结构示意图；图2 (a)、图2 (b)分别是左、右拱片顶端的铰链及向下伸出的带螺孔与螺杆的刚 臂的正视图和俯视图；图3是右拱片底部滚轮构造侧视图；图中，1.左拱片，2.右拱片，3.铰链，4.刚臂，5.挂钩，6.微小水平面，7.位移计固 定支架，8.位移计(百分表)，9.砝码盘和砝码，10.拉索，11.拉索端部细螺杆，12.螺帽， 13.滚轮，14.实验装置平台，15.铰链插销筒，16.插销筒下伸刚臂，17.螺孔，18.铰链插销 轴，19.插销轴端部下伸刚臂，20.螺孔及螺杆，21.右拱片Y形开口，22.滚轮轴承。具体实施方式以下结合附图和实施例对本技术作进一步说明，本技术的目的和效果将 变得更加明显。如图1和图2所示，将右拱片2的插销轴18插入左拱片1的插销筒15之内，再将 固定在右拱片上的拉索10另一端的细螺杆11穿过左拱片底部的小孔，调节左拱片外侧的 螺帽12使拉索10在拱脚处的长度达到设计长度1，拉索至拱顶的垂直距离达到设计拱高 f，由此组成一个几何不变的带拉杆(拉索)三铰拱，拱的形状符合以下二次抛物线形4/门 、γ = -^γ·χ( -χ)I式中χ轴沿拉索向右，y轴竖直向上，原点设在拉索左端。1)三铰拱位移影响系数的测量及位移互等验证选择拱片上部具有微小水平面的部位，用位移计支架7在该部位安装位移计8，使 位移计的指针竖直并对准微小水平面的中心，读取位移计的初读数；任选另一处具有挂钩 的位置将砝码盘和砝码9添加到挂钩5上，读取位移计的读数，测出在该位置施加竖向力时4位移计所在位置的位移，该位移除以施加的重量就是该情况的位移影响系数，记为δ lja将砝码和位移计的位置对调。首先卸除砝码盘和砝码，将位移计移至原施加砝码 盘和砝码的位置(相应位置的上表面)，读取位移计的初读数；再将砝码盘和砝码施加在原 位移计安装的位置(相应位置的下部挂钩上)，重新测量出位移。该位移除以施加的重量就 是位置对调后情况的位移影响系数，记为Sp因两种情况的位移均为同一静定三铰拱处 于平衡状态的位移，故有Sij= Sji，由此便再现和验证了静定结构的位移互等定理。2)两铰拱位移影响系数的测量及位移互等验证在上述已组装完成的三铰拱结构的基础上，将右拱片顶部下伸刚臂19上的螺杆 (20)拧入左拱片下伸刚臂16的螺孔17内，锁定两刚臂，即使其顶部不能发生相对转动，这 样就得到了一个超静定的带拉索的两铰拱实验装置。重复上述针对三铰拱的同样测量，便 可验证超静定两铰拱结构的位移互等定理。本实验装置的测量结果基本不受其他外部因素 的影响，利用百分表作为位移计，其测试误差可控制在0. Olmm以下。因此该装置不仅操作 方便，而且具有稳定可靠、测试精确高的特点。权利要求1.一种杆杆结构位移互等定理实验装置，其特征在于，它由左拱片、右拱片、铰链、带螺 孔和螺杆的刚臂、拉索、圆柱形滚轮组装而成；在左拱片或右拱片的特征截面处的下表面安 装有挂钩，用于悬挂砝码盘和砝码；相应位置的上表面中心处有一矩形微小水平面，用于安 装位移计。2.根据权利要求1所述的杆杆结构位移互等定理实验装置，其特征在于，所述铰链由 左拱片顶端的圆柱形插销筒和右拱片顶端的圆柱形插销轴组成；插销筒底部向下伸出刚 臂，刚臂顶端带有螺孔；插销轴端部向下伸出刚臂，刚臂顶端带有螺孔和螺杆。3.根据权利要求1所述的杆杆结构位移互等定理实验装置，其特征在于，所述右拱片 下端有一 Y形开口，开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种杆杆结构位移互等定理实验装置，其特征在于，它由左拱片、右拱片、铰链、带螺孔和螺杆的刚臂、拉索、圆柱形滚轮组装而成；在左拱片或右拱片的特征截面处的下表面安装有挂钩，用于悬挂砝码盘和砝码；相应位置的上表面中心处有一矩形微小水平面，用于安装位移计。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈水福，林炎飞，
申请(专利权)人：广厦建设集团有限责任公司，浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]