[0001] 本发明涉及一种实验教学装置，具体涉及一种压杆稳定实验教学装置。

[0002] 轴心受压杆件的稳定性（简称“压杆稳定”）是土木工程、力学等学科专业的必修内容。压杆的失稳模式有三种：弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳，分别对应不同的失稳机理。双轴对称截面（十字形截面除外）的压杆一般发生弯曲失稳。薄壁十字形截面的压杆一般发生扭转失稳。单轴对称截面的压杆，当杆件绕对称轴失稳时，发生弯扭失稳；当杆件绕非对称轴失稳时，发生弯曲失稳。除了截面形状以外，压杆的几何长度、杆端的支承条件以及侧向支撑的位置（对强轴或弱轴、高度）、数量、刚度等都会对稳定造成影响。

[0003] 由上可知，稳定问题理论性强、内容抽象、学习难度大，采用教学装置进行课堂演示是一种直观且高效的教学手段。目前使用的教学装置或实验教学装置多仅可进行弯曲失稳实验，而无法开展扭转失稳和弯扭失稳实验，也无法考虑支撑的位置、数量以及刚度的影响，也难以进行直观的课堂教学演示。

[0023] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

[0024] 如图1、图2所示，一种压杆稳定实验教学装置，包括实验框架7、实验压杆5、快锁紧万向球铰支座4、侧向支撑装置6、测力计2、加载装置1。

[0025] 实验框架7位于整个装置的底部，加载装置1设置在整个装置的顶部。两个快锁紧万向球铰支座4相对设置，一个固定在实验框架7底部中央，另一个固定在加载装置1上。如图16所示，实验压杆5为一根两端带有球体26的等截面杆件，实验压杆5的等截面部分可采用矩形截面、T形截面、十字形截面等。实验压杆5居中竖直设置在实验框架7的内部，两端的球体26对应压入一个快锁紧万向球铰支座4中。加载装置1用于施加竖直向下的荷载，测力计2设置在加载装置1的荷载输出端。多个侧向支撑装置6连接在实验框架7上，用于对实验压杆5的侧面多方位支撑。

[0026] 如图23至图26所示，实验框架7由底盖46、四根角钢立柱44、框盖43组成。底盖46和框盖43分别固定在四根角钢立柱44的底部和顶部。其中一个快锁紧万向球铰支座4固定在底盖46的中央位置。在角钢立柱44的两肢沿高度方向间隔成对开设若干第一圆孔45。

[0027] 如图3至图11所示，加载装置1由带手摇杆48的转盘8、小齿轮10、大齿轮13、螺纹杆19、加载装置外壳16、底板18、四根圆立柱21、传力板20、抗倾板3组成。加载装置外壳16为一圆筒形壳体，圆筒形壳体底部设有底板18。在圆筒形壳体的内侧面同一高度上沿圆周均匀间隔固定若干限位板11，该限位板11为带有凹槽的矩形板件，其凹槽水平朝圆筒中心设置，且凹槽的相对面上设有滚珠15。大齿轮13为齿盘齿轮，且中心开有螺纹孔12。大齿轮水平设置在加载装置外壳16内，其水平边缘嵌入各限位板11的凹槽内，能够通过滚珠15实现良好的水平转动。套筒14水平固定在加载装置外壳16的顶部一处位置，齿轮杆9穿过套筒14，齿轮杆9的一端与竖直设置的小齿轮10中心固定连接，另一端与转盘8中心固定连接，小齿轮
10与大齿轮13啮合。四根圆立柱21分别竖直固定在底板18的四角。

[0028] 如图13所示，抗倾板3四角开圆孔22，分别供加载装置1的四根圆立柱21穿过，抗倾板3的上表面开设一定深度的卡槽23用于放置测力计2。如图1、图2所示，四根圆立柱21的底端分别与实验框架7的框盖43四角固定。螺纹杆19与大齿轮13中心的螺纹孔12连接，并穿过底板中心圆孔17后与传力板20连接，施加载荷时传力板20作用于测力计2上。另一个快锁紧万向球铰支座4固定在抗倾板3的下表面中央。

[0029] 如图14、图15所示，快锁紧万向球铰支座4由内侧的弹性套25和外侧的锁紧套24构成。本实施例中，内侧的弹性套25为外带螺纹、内呈球型的空心圆筒，且空心圆筒的侧壁上沿圆周开有若干竖缝；外侧的锁紧套24的内侧面设有与弹性套25相匹配的螺纹，通过正反旋转外侧的锁紧套24实现弹性套25锁紧与放松。实验压杆5的长度超过实验框架7的高度，以便实验压杆5两端的的球体26分别与快锁紧万向球铰支座4连接。

[0030] 如图17至图22所示，侧向支撑装置6由变截面支撑圆杆34、横隔板29、槽型夹板27、弹簧35、弹簧挡板36、槽型框31构成。其中，横隔板29为一中间开第二圆孔28的矩形板，两端分别设有槽型夹板27。槽型夹板27的两块侧板上分别开有相对的第三圆孔30。槽型框31的端板中央开有第四圆孔32，第四圆孔32两侧各开有水平槽孔33，槽型框31通过两个侧板端部与横隔板29固定连接。通过如图27的螺栓47连接第三圆孔30与角钢立柱44的第一圆孔45，从而将侧向支撑装置6主体固定在实验框架7上。

[0031] 变截面支撑圆杆34包括大圆杆38和小圆杆39，大圆杆38的端部设有半球形端头37。弹簧挡板36由两片中间带半圆形缺口41的半圆形板40和手柄42组成，半圆形板40位于槽型框31的端板内侧，手柄42与半圆形板40固定，手柄42穿过并搭置在槽孔33上，使用手柄
42可在槽孔33内水平移动弹簧挡板36，当移动两片半圆形板40并拢时，其中间半圆形缺口
41合成一个圆孔。其中，大圆杆38直径小于第二圆孔28直径，大于弹簧35直径；小圆杆39直径小于弹簧35直径和第四圆孔32直径；弹簧35直径小于第四圆孔32直径；半圆形缺口41直径小于弹簧35直径，大于小圆杆39直径。变截面支撑圆杆34的大圆杆38的端部穿过横隔板
29上的第二圆孔28后与实验压杆5侧面抵紧；小圆杆39穿过槽型框31端板上的第四圆孔32，弹簧35套在变截面支撑圆杆34的小圆杆39上。弹簧35的一端与大圆杆38抵紧，当弹簧挡板
36合拢时弹簧35的另一端与两片半圆形板40抵紧，即弹簧35被阻挡在槽型框31端板内部。

[0032] 基于上述压杆稳定实验教学装置演示各个因素单独作用以及耦合作用对压杆稳定的影响，具体过程如下：1.不同失稳模式的教学实施方式。

[0033] 压杆的失稳模式有：弯曲失稳、扭转失稳和弯扭失稳。一般双轴对称截面（十字形截面除外）的压杆一般发生弯曲失稳。薄壁十字形截面的压杆一般发生扭转失稳。单轴对称截面的压杆，当杆件绕对称轴失稳时，发生弯扭失稳；当杆件绕非对称轴失稳时，发生弯曲失稳。

[0034] （1）弯曲失稳：采用矩形截面的实验压杆，不设置任何侧向支撑进行加载，不断加载直至压杆发生绕弱轴的弯曲失稳。

[0035] 采用矩形截面的实验压杆，沿着强轴方向逐步增加侧向支撑的数量，不断加载直至压杆发生绕强轴的弯曲失稳。

[0036] 采用T形截面的实验压杆，沿着压杆的非对称轴方向不断增加侧向支撑的数量，不断加载直至压杆发生绕非对称轴的弯曲失稳。

[0037] （2）弯扭失稳：采用T形截面的实验压杆，不设置任何侧向支撑，不断加载直至压杆发生绕对称轴的弯扭失稳。

[0038] （3）扭转失稳：采用十字形截面的实验压杆，不设置任何侧向支撑，不断加载直至压杆发生扭转失稳。

[0039] 2.杆端支承条件对压杆稳定影响的教学实施方式。

[0040] 选择任意截面形状的实验压杆，不设置任何支撑，在杆件两端均放松万向球铰（即两端铰接）、杆件两端均锁紧万向球铰（即两端固接）以及一端锁紧万向球铰、一端放松万向球铰（即一端固接、一端铰接）等3种不同的支承条件下分别加载直至发生失稳。通过目测可观察到当支承条件改变时压杆失稳的形状变化，通过读取测力计的数值可直观反映杆端支承条件对压杆稳定性的定量影响。

[0041] 3.侧向支撑的位置对压杆稳定影响的教学实施方式。

[0042] 选择任意截面形状的实验压杆，分别在实验压杆的中间位置、三分点位置、四分点位置等特殊位置设置支撑，还可沿着实验压杆的截面上相互垂直的两个水平方向设置支撑，不断加载直至压杆失稳。通过目测可观察到当侧向支撑的位置改变时压杆失稳的形状变化，通过读取测力计的数值可直观反映侧向支撑的位置对压杆稳定性的定量影响。

[0043] 4.侧向支撑的刚度对压杆稳定影响的教学实施方式。

[0044] 保持实验压杆的截面形状不变，保持侧向支撑的数量及位置不变，采用不同刚度的弹簧分别加载直至压杆失稳。通过目测可观察到当侧向支撑的刚度改变时压杆失稳的形状变化，通过读取测力计的数值可直观反映侧向支撑的刚度对压杆稳定性的定量影响。

[0045] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。