[發明專利]材料力學教學中基于工程復雜工況的梁彎曲變形模擬系統

有效

• 申請號: 202110638422.1
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113380122B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 田斌;孟春玲;張媛;劉學軍;張麗梅
• 申請（專利權）人: 北京工商大學
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開的一種材料力學教學中基于工程復雜工況的梁彎曲變形模擬系統，包括實驗平臺、桿件、施力組件、約束組件，所述實驗平臺包括底座、側邊立柱和頂部橫板，所述桿件位于所述底座、側邊立柱和頂部橫板組成的空間內部，所述施力組件包括力組件和力偶組件，所述力組件穿過所述頂部橫板與所述桿件接觸，所述力偶組件位于所述桿件和所述底座表面之間，所述約束組件包括鉸鏈支座和固定端支座。本發明可以使得學生在課堂上可以直接動手模擬各種工況下的梁的彎曲變形，將梁彎曲變形的應力和應變等規律得到親眼可見的可視化體現，有效強化學生對該知識點的理解效果，提高課堂的學習趣味性和生動性。

技術領域

本發明屬于教學用具領域，具體涉及一種材料力學教學中基于工程復雜工況的梁彎曲變形模擬系統。

背景技術

當前，新工科背景下各個專業都在進行著課程改革和教學創新，通過課程改革力求使得學生的學習方式和學習效果得到不斷改進。對于機械工程、材料工程和土木工程等很多工科專業而言，材料力學是其中非常重要的一門專業基礎課，是后續多門專業課的基礎。桿件是材料力學的研究對象，以彎曲變形為主要變形的桿件稱為梁，彎曲是材料力學中四種基本變形中最重要的部分，也是工程中橋梁最主要的一種變形。梁的內力和應力是非常重要的概念和知識點，也是學習的難點所在。在現有的材料力學課程實際教學中，內力和應力的學習主要基于抽象的假想實驗，或通過電腦軟件圖片分析或者動畫演示來學習，而這樣的學習方法不夠直觀，學生的學習效果有待進一步提升。同時對于實際工程中不同載荷、約束和梁的外形尺寸等復雜工況的實際條件對梁的抗彎強度和抗彎剛度的影響方面，現有的課堂教學通常大都通過理論推導計算彎矩和應力大小的方式來進行，同學們沒有機會隨堂進行相關影響因素對彎曲變形影響的直觀對比，這些都不利用梁彎曲變形的理解。

因此，開發一種材料力學教學中基于工程復雜工況的彎曲梁變形的教具和實驗系統，將有效提升學生對材料力學拉彎曲變形的理解，并利用各種因素的改變來深入學習對梁抗彎強度和抗彎剛度的實際措施，推動材料力學課程教學更加生動和深入。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服上述現有技術之不足，提供一種材料力學教學中基于工程復雜工況的梁彎曲變形模擬系統，基于梁的載荷、約束和梁的外形尺寸等復雜工況下的彎曲變形，利用桿件內部填充物質在彎曲應力作用下色彩深淺的分布變化，使得學生在課上可以直接動手，將彎曲變形的應力和應變等規律得到親眼可見的直接可視化，有效強化學生對該知識點的理解效果，提高課堂的學習趣味性和生動性。

按照本發明提供的一種材料力學教學中基于工程復雜工況的梁彎曲變形模擬系統，其采用的主要技術方案為：包括實驗平臺、桿件、施力組件、約束組件，所述實驗平臺包括底座、側邊立柱和頂部橫板，所述桿件位于所述底座、側邊立柱和頂部橫板組成的空間內部，所述施力組件包括力組件和力偶組件，所述力組件穿過所述頂部橫板與所述桿件接觸，所述力偶組件位于所述桿件和所述底座表面之間，所述約束組件包括鉸鏈支座和固定端支座，所述鉸鏈支座與所述底座接觸，所述固定端支座與所述側邊立柱內表面固定。

所述桿件為中空結構的透明塑料直桿，通過控制桿件中空部分填充物質的密度可調節所述桿件的剛度。

所述桿件中空部分均勻充滿單一顏色的凝膠球顆粒或均勻充滿單一顏色的乳化液。

進一步的，作為替代方案，所述桿件中空部分充滿與所述桿件外形一致的透明多孔軟芯，所述多孔軟芯中均勻吸附單一顏色的液體。

所述桿件由多個子桿件單元沿軸線方向組合而成，且各個子桿件單元的軸線重合。

所述子桿件單元的橫截面形狀相同或不同，所述子桿件單元的橫截面尺寸相同或不同。

所述子桿件單元的一端表面設有內陷的安裝孔槽，另一端表面設有外凸的安裝卡頭。