技术领域
[0001] 本发明属于材料力学实验领域，提供了一种连多功能实验装置及实验方法。
相关背景技术
[0002] 现有的材料力学力法解超静定实验、梁的弯曲变形实验、功的互等定理实验、叠加原理实验都是通过独立的实验装置进行实验内容，完成上述四个实验需要配备四台实验设备，占用学校大量空间的同时，增加学校的财政支出。
具体实施方式
[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0049] 图1为本发明实施例提供的多功能实验装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
[0050] 该装置包括：
[0051] 支撑架，该支撑架由两相互平行的横梁，及两相互平行的纵梁组成，横梁包括顶部横梁11和底部横梁13、纵梁包括第一纵梁12及第二纵梁14，顶部横梁11上设有第一导44；
[0052] 实验梁21，设于两横梁所在平面，且一端垂直固定于第一纵梁12，另一端为自由端，实验梁21的顶部贴有电阻应变片22；
[0053] 竖直移动组件，包括：设于实验梁21自由端底部的竖直移动件31、及设于竖直移动件31与第二纵梁14之间连接板32，连接板32的一侧与竖直移动件31滑动连接，竖直移动件31的顶部固定有力传感器33，底部设有旋转手轮34，连接板32的另一侧与第二纵梁14固定连接，在连接板32的底部沿竖直移动件的延伸方向设有底板35，底板35与旋转手轮34螺纹连接，通过旋转手轮34可以实现竖直移动件31在竖直方向位置的调节，在竖直移动件31及连接板32的竖直平面内分别刻有标线及与标线相匹配的刻度，当竖直移动件31的标线对准连接块32上的零刻度线时，竖直移动件31顶部的力传感器33与实验梁21的底部接触；
[0054] 加载砝码组件，包括：两个用于固定加载砝码的砝码支撑杆41，及分别设于两砝码支撑杆底部的两砝码支撑板42，砝码支撑板42均平行于纵梁设置，在没有加载砝码时，砝码支撑板42的底部与实验梁21的顶部刚好接触，两砝码支撑杆41的顶部分别通过滑块43与顶部横梁11上的第一导槽滑44动连接，砝码支撑杆41与滑块43的中心孔为间隙配合；
[0055] 百分表组件，该百分表固定组件设于实验梁21与底部横梁13之间，包括：两个百分表51，设于两百分表51与实验梁12之间的百分表托杆52，在百分表拖杆52上设有第二导槽53，第二导槽53及百分表托杆52均平行于横梁设置，及套设在百分表托杆52侧端且与百分表托杆52滑动连接的两U型导向套54，及分别穿过两U型导向套54及第二导槽53的两连测量杆55，两测量杆55的一端均固定百分表51，另一端均与实验梁21的底部接触。
[0056] 在本发明实施例中，加载砝码组件4还包括：设于第一导槽44一侧壁的条形槽45，该条形槽45平行横梁设置，及穿过该条形槽45与两滑块43固定连接两螺杆，及与两螺杆相匹配的两螺帽，将螺帽紧压条形槽侧壁时，实现砝码支撑杆在实验梁任一位置上的固定。
[0057] 在本发明实施例中，百分表组件还包括：设于两U导向套54上的两螺纹通孔，及与两螺纹通孔配合的两螺钉56，通过旋转螺钉56来实现测量杆在实验梁任一检测位置的固定。
[0058] 图2为本发明实施例提供的竖直移动组件的放大结构示意图，仅示出与本发明实施例相关的部分；
[0059] 在本实施中，竖直移动件采用燕尾滑块，燕尾滑块与设于连接侧壁的燕尾滑槽配合实现竖直方向的移动，底板通过沉头螺钉与带刻度的连接板固定连接，带刻度连接板通过沉头螺钉与U型连接构件连接固定，U型连接构件卡在第二纵梁上，燕尾型滑块放置在带刻度连接板燕尾槽内，通过转动旋转手轮使得燕尾型滑块上下移动，并把力通过力传感器传递到实验梁的自由端，或实现静定梁与超静定梁的结构转换；当燕尾型滑块下移，使得力传感器上端脱离实验梁的右端时，为静定梁；当燕尾型滑块上移，使得力传感器上端接触实验梁的右端时，为超静定梁。
[0060] 图3为本发明实施例提供的百分表组件的放大结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。
[0061] 百分表的安装及固定方式如图3所示，在百分表托杆上设有第二导槽，百分表的测量杆穿过第二导向槽以及导向套套并可在第二导向槽内左右移动，通过拧紧套上的拧紧螺钉将百分表固定。
[0062] 通过上述实验装置可以完成材料力学的四个实验，即力法解超静定实验、梁的弯曲变形实验、功的互等定理实验、叠加原理实验，可以节约教学成本及节省实验耗材所占空间。
[0063] 在本发明实施例中，力法解超静定实验需要完成如图4所示的(a)、(b)、(c)及(d)四个过程，力法求解超静定结构的基本思路就是将超静定问题转化为等价的静定问题来求解，求解过程是解除支座C处的“多余约束”，代之以约束反力FC，就得到了该超静定结构的力法求解的基本体系，当支座C处的竖向位移ΔCy＝0时，其基本体系就是原超静定问题的等价静定问题。
[0064] 基于上述多功能实验装置的力法解超静定实验方法包括如下步骤：
[0065] S11、通过旋转手轮调节竖直移动件在竖直方向的位置，使得竖直移动件的标线对准连接块上的零刻度线；
[0066] S12、将一个砝码支撑杆固定在任一位置，向该砝码支撑杆上等量逐级增加砝码，每增加一次砝码都要依次执行如下步骤S13、步骤S14及步骤S15；
[0067] S13、记录力传感器的读数N1n；
[0068] S14、通过旋转手轮使得竖直移动件下移，直至竖直移动件顶端的力传感器与实验梁的自由端分离，实验梁变成静定悬臂梁；
[0069] S15、通过旋转手轮使得竖直移动件上移，上移至竖直移动件的标线对准连接板上的零刻度线，记录此时力传感器的读数N2n；
[0070] S16、计算在同样载荷作用下的力传感器的读数(N1n及N2n)的相对误差，理论上，在同样载荷作用下力传感器的读数N1n等于力传感器的读数N2n。
[0071] 基于上述多功能实验装置的梁的弯曲变形实验方法包括如下步骤：
[0072] S21、通过转动手轮使得竖直移动件下移，下移至力传感器完成脱离实验梁的底部；
[0073] S22、将其中一个砝码支撑杆固定在位置1，将百分表固定在位置2，向该砝码支撑杆上等量逐级增加砝码，记录百分表的读数W2n；
[0074] S23、测量砝码支撑杆固定点、及百分表固定点距第一纵梁的距离；
[0075] S24、基于公式(1)计算百分表固定位置处的弯曲形变量Wn，公式(1)的表达式如下：
[0076]
[0077] E为实验梁的弹性模量，a为砝码支撑杆固定点距第一纵梁的距离，x为百分表固定点距第一纵梁的距离，F为加载砝码的荷载，I为实验梁截面惯性矩；
[0078] S25、计算百分表固定位置处弯曲形变量计算值Wn与百分表的读数值W2n的相对误差。
[0079] 基于上述多功能实验装置的功的互等定理实验方法包括如下步骤：
[0080] S31、通过旋转手轮调节竖直移动件在竖直方向的位置，使得竖直移动件的标线对准连接块上的零刻度线；
[0081] S32、在实验梁上选择两固定点位置1和位置2、将砝码支撑杆固定在位置1，将百分表固定在位置2，向砝码支撑杆上等量逐级加载砝码，依次记录位置1的载荷P1及位置2处的百分表实数W2，测量完毕，将位置1处砝码支撑杆上加载的砝码依次卸除；
[0082] S33、将砝码支撑杆固定在位置2，将百分表固定在位置1，向砝码支撑杆上等量逐级加载砝码，依次记录位置2的载荷P2及位置1处的百分表实数W1；
[0083] S34、验证互等定理关系P1W2＝P2W1是否成立；
[0084] S35、通过旋转手轮控制竖直移动件下移，下移至力传感器完成脱离实验梁的底部，实验梁变为静定悬臂梁，执行步骤S32、步骤S33、及步骤S34。
[0085] 基于上述多功能实验装置的叠加原理实验方法包括如下步骤：
[0086] S41、通过旋转手轮调节竖直移动件在竖直方向的位置，使得竖直移动件的标线对准连接块上的零刻度线；
[0087] S42、在实验梁上选择三固定点位置1、位置2及位置3，将两砝码支撑杆、百分表均分别固定在位置1和位置2，百分表固定在位置3，并将电阻应变片采用半桥法接入应变仪，向砝码支撑杆上等量逐级加载砝码，依次记录百分表的读数W12-n、力传感器的读数N12-n、以及应变仪的读数ε12-n，测量完毕，将位置1处砝码支撑杆和位置2处砝码支撑杆上的加载的砝码依次卸除；
[0088] S43、向位置1处的砝码支撑杆上等量逐级加载砝码，依次记录百分表的读数W1n、力传感器的读数N1n、以及应变仪的读数ε1n，测量完毕，将位置1处砝码支撑杆上加载的砝码依次卸除；
[0089] S44、向位置2处的砝码支撑杆上等量逐级加载砝码，依次记录百分表的读数W2n、力传感器的读数N2n、以及应变仪的读数ε2n；
[0090] S45、验证公式(2)是否成立，公式(2)的表达式如下：
[0091]
[0092] S46、通过旋转手轮控制竖直移动件下移，下移至力传感器完成脱离实验梁的底部，实验梁变为静定悬臂梁，执行步骤S42、步骤S43、步骤S44及步骤S45。
[0093] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
