[實用新型]桿桿結構位移互等定理實驗裝置

在審

• 申請號: 200920198610.1
• 申請日: 2009-11-02
• 公開（公告）號: CN201829094U
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 陳水福;林炎飛
• 申請（專利權）人: 廣廈建設集團有限責任公司;浙江大學
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10;G01B5/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本實用新型涉及一種位移量測和驗證的實驗裝置，尤其涉及一種量測桿件結構位移并驗證位移互等定理的實驗裝置。?

背景技術

桿件結構包括梁、剛架、桁架、拱和組合結構，是工程實踐中應用最為廣泛的結構形式。位移互等定理是桿件結構力學中的基本原理，它反映了線性變形結構受力與變形之間的內在關系，是桿件結構(實際上也適用于其他固體結構)的重要力學特性之一。?

位移互等定理涉及同一線性變形結構的兩種狀態，兩種狀態分別作用有一個外力(可為廣義力)。由于兩種狀態的結構均處于平衡，故根據虛功原理，第一狀態的外力在第二狀態的位移上所做的虛功就等于第一狀態的內力(彎矩、軸力和剪力)在第二狀態的變形(彎曲變形、軸向變形和剪切變形)上所做的虛功；同樣道理，第二狀態的外力在第一狀態的位移上所做的虛功等于第二狀態的內力在第一狀態的變形上所做的虛功。根據外力作用下的變形計算公式，兩種狀態下的內力在另一狀態的變形上所做的虛功是相等的，這樣，兩種狀態的外力在另一狀態的位移上所做的虛功也就相等了。如果兩種狀態的外力均為單位力，就可推得：第一狀態的單位力引起的與第二狀態的單位力對應的位移(或理解為位移影響系數)就等于第二狀態的單位力引起的與第一狀態的單位力對應的位移，這就是位移互等定理。?

由此可見，位移互等定理是由虛功原理間接導出的，其本質是兩種狀態相互所做的外力虛功相等。在目前的教學實踐中，位移互等定理均采用理論分析和推導的方式講授。這種方式雖然必不可少，但也存在一些不足，例如不夠直觀明了，缺乏物理驗證，初學者往往理解不深刻等。如果能創建一種簡便易行的實驗裝置，對兩種狀態的位移進行量測，并據此對位移互等現象進行物理驗證，將獲得更為直觀、形象的教學效果。?

發明內容

為了直觀、形象地展示桿桿結構位移互等的內在特性，本實用新型提供了一種桿桿結構位移互等定理實驗裝置。該裝置通過測定一帶拉桿的靜定三鉸拱(可轉變為超靜定的兩鉸拱)在外加砝碼(或其他重物)作用于某一位置時位移計所在位置的位移，再將砝碼和位移計的位置對調，重新測定位移，從而獲?得兩個位移始終相等的位移互等定理。?

本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的：本實用新型包括左拱片、右拱片、鉸鏈、帶螺孔和螺桿的剛臂、拉索、圓柱形滾輪。在左拱片沿水平投影長度的1/4、1/2、3/4和頂端部位的下表面分別安裝一個掛鉤，相應位置的上表面中心處分別加工出一個3mm×3mm的矩形微小水平面。掛鉤上可懸掛砝碼盤與砝碼(或其他重物)，微小水平面上可安裝位移計(百分表)。鉸鏈由左、右拱片頂端的圓柱形插銷筒和圓柱形插銷軸組裝而成，插銷筒底面和插銷軸端部底面向下伸出剛臂，剛臂頂端分別帶有螺孔和螺桿。圓柱形滾輪安裝在右拱片下端Y形開口的細桿軸承之上。左右拱片形狀對稱，線形為二次拋物線；拱片和拉索均用鋼材制作。?

通過將右拱片插銷軸插入左拱片插銷筒，再將兩拱片底部用拉索連接，就組成了一個幾何不變的帶拉索三鉸拱結構；右端的滾輪就是一個滑動鉸支座，保證了三鉸拱右端在水平方向可自由滑動。如果將左右拱片頂端鉸鏈處向下伸出的剛臂用螺桿擰緊固定，左右拱片頂端將不能發生相對轉動，這樣組成的結構就轉變成為一個帶拉索的兩鉸拱結構(原為三鉸拱)。?

本實用新型的有益效果是：?

1)實驗裝置為裝配式結構，可即時拆卸和拼裝，構造簡單，便于攜帶及在不同場合操作、演示。?

2)選用拱結構作為實驗測量裝置，既有拉索直桿(鏈桿)、又有曲桿(梁式桿)，引起位移的變形即包含彎曲變形，又包含軸向變形和剪切變形，可以說全面反映了桿件結構不同類型構件的受力和變形特征。?

3)拱結構可以在靜定的三鉸拱和超靜定的兩鉸拱之間轉換，因此既能檢驗靜定結構的位移互等，又能檢驗超靜定結構的位移互等。?

附圖說明

圖1是本實用新型實驗裝置結構示意圖；?

圖2?(a)、圖2?(b)分別是左、右拱片頂端的鉸鏈及向下伸出的帶螺孔與螺桿的剛臂的正視圖和俯視圖；?

圖3是右拱片底部滾輪構造側視圖；?

圖中，1.左拱片，2.右拱片，3.鉸鏈，4.剛臂，5.掛鉤，6.微小水平面，7.位移計固定支架，8.位移計(百分表)，9.砝碼盤和砝碼，10.拉索，11.拉索端部細螺桿，12.螺帽，13.滾輪，14.實驗裝置平臺，15.鉸鏈插銷筒，16.插銷筒下伸剛臂，17.螺孔，18.鉸鏈插銷軸，19.插銷軸端部下伸剛臂，20.螺孔及螺桿，21.右拱片Y形開口，22.滾輪軸承。?

具體實施方式