專利名稱：多跨梁多功能受力變形演示儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多功能的教學(xué)演示儀器，尤其是能直觀展示多跨靜定梁和連續(xù)梁
在固定荷載和支座位移作用下的變形曲線，以及單位移動荷載作用下的支座反力和內(nèi)力影 響線輪廓的教學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
多跨靜定梁和連續(xù)梁是工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式之一，掌握它們在固定荷載及移 動荷載作用下的受力和變形特性是相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員的基本素質(zhì)之一。然而，多跨靜 定梁和連續(xù)梁的受力變形特性較為復(fù)雜，所涉及的概念、原理及分析方法較多，且比較抽 象。例如對多跨靜定梁進行內(nèi)力分析，首先應(yīng)分析其幾何構(gòu)造，將其各部分分為基本部分、 附屬部分和次附屬部分(若有的話)等；在外荷載作用下，由于傳力路徑是從次附屬部分 到附屬部分，最后到基本部分，故作用在基本部分上的荷載對附屬部分將不產(chǎn)生影響，但反 過來則有影響，因此內(nèi)力分析時必須按照上述傳力路徑的順序進行分析。在單位移動荷載 作用下，多跨靜定梁的支座反力及內(nèi)力影響線均由直線段組成，利用靜力法和機動法均可 獲得，但通常利用機動法更為方便；機動法的實質(zhì)是將影響線比擬為解除了一個與所求反 力或內(nèi)力相對應(yīng)的約束后的梁機構(gòu)的變形圖線。連續(xù)梁為超靜定結(jié)構(gòu)，作用在某一跨內(nèi)的 荷載一般對其他跨都有影響，因此相對多跨靜定梁其內(nèi)力分布更趨均勻。連續(xù)梁的內(nèi)力可 采用力法、位移法、力矩分配法等方法進行分析。在單位移動荷載作用下，連續(xù)梁的支座反 力及內(nèi)力的影響線均為曲線，通常采用與撓度曲線間的比擬法(相當(dāng)于前述的機動法)更 為方便。對于初學(xué)者，如果僅靠理論手段，則需要經(jīng)過較長一段時間的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、摸索和總 結(jié)，才能較好地掌握多跨靜定梁和連續(xù)梁的受力變形特點以及相關(guān)的概念、原理和分析方 法?？傮w而言，對多跨靜定梁和連續(xù)梁的學(xué)習(xí)，理論教學(xué)雖然必不可少，但是光靠理論手段 收效較慢。如果在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上能夠結(jié)合一些直觀、形象的實驗演示教學(xué)，則可進一步 加快、加深對相關(guān)概念、方法的理解，從而達到提高教學(xué)效率，改善教學(xué)效果的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多跨梁多功能受力變形演示儀， 本發(fā)明能夠直接演示多跨靜定梁和連續(xù)梁在固定荷載作用下的撓曲變形曲線以及在單位 移動荷載作用下的支座反力和內(nèi)力(主要是彎矩)影響線輪廓。 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的本發(fā)明由多段帶有梁中鉸結(jié)點、梁 端凹凸型鉸結(jié)點與凹凸型剛臂的薄壁梁片，以及支承梁片的固定鉸支座和可動鉸支座組 成；梁片與梁片之間、梁片與支座之間用圓柱形細桿插銷(軸承)穿入結(jié)點中和支座中的圓 柱形插銷孔連接而成。梁中鉸結(jié)點由梁片底面向下突出，中間有一圓柱形插銷孔；梁端凹凸 型鉸結(jié)點一個為凹型、一個為凸型，由梁片端部底面向下突出，中間有一圓柱形插銷孔；梁 端凹凸型剛臂由梁片端部頂面向上伸出，剛臂頂部有一圓柱形插銷孔。固定鉸支座和可動 鉸支座均設(shè)計為Y型構(gòu)造，Y型開口的寬度略大于梁片的寬度，Y型的兩條伸臂上設(shè)置有上下兩排插銷孔，上排為正常孔、下排為預(yù)留孔；固定鉸支座的插銷孔為圓形，其大小與梁中 鉸結(jié)點及梁端鉸結(jié)點的插銷孔大小相同；可動鉸支座的插銷孔為兩端呈半圓的跑道形，半 圓的直徑與梁中及梁端鉸結(jié)點的插銷孔的直徑相同。薄壁梁片、鉸結(jié)點、剛臂、支座、插銷等 均用鋼材制作。 用插銷直接穿入梁中鉸結(jié)點與鉸支座中的插銷孔，可將該結(jié)點與支座直接相連； 用插銷插入梁端凹型與凸型鉸結(jié)點的插銷孔，可將兩根梁片相連，組成一個梁端鉸結(jié)點；若 上述插銷同時穿入鉸支座的插銷孔，則組成一個支座鉸結(jié)點。如果將這種結(jié)點上部的凹型 與凸型剛臂的插銷孔也用插銷相連，則將阻止梁端凹凸型剛臂的相對轉(zhuǎn)動，即剛臂處于鎖 定狀態(tài)，此時梁端鉸結(jié)點就轉(zhuǎn)化為一個沒有相對轉(zhuǎn)角的剛結(jié)點。 將各段梁片的凹凸型鉸結(jié)點相連，再與支座連接，通過鎖定或放松梁端凹凸型剛 臂，可組成梁端結(jié)點均為剛接結(jié)點的連續(xù)梁、部分剛接部分鉸接的超靜定多跨梁、不同形式 的靜定多跨梁以及具有剛體位移自由度的幾何可變梁機構(gòu)。通過在梁片上懸掛砝碼或其他 重物，或迫使梁端凹凸型剛臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或?qū)⒁粋€或幾個支座處的鉸結(jié)點由上排插銷 孔(正?？?移至下排插銷孔(預(yù)留孔)，因梁片厚度較小，故各梁片將發(fā)生撓曲變形或相 對機構(gòu)運動(僅當(dāng)梁片組成幾何可變的機構(gòu)時)，這樣就可獲得施加外荷載、鉸結(jié)點發(fā)生相 對轉(zhuǎn)動(相當(dāng)于施加一對外力偶)、支座發(fā)生豎向移動時的變形曲線，以及單位移動荷載下 的彎矩影響線、支座反力影響線的輪廓線。
本發(fā)明的有益效果是 1)演示裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，可即時拼裝或拆卸，構(gòu)造簡單，攜帶方便，適用于不同 場合的操作、演示。 2)凹凸型剛臂的巧妙設(shè)計，不僅使結(jié)構(gòu)形式變化自如，而且可模擬鉸結(jié)點兩側(cè)施 加外力矩或鉸結(jié)點兩側(cè)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的情況。 3)功能豐富多樣。通過鎖定或放松剛臂的相對運動，通過變換支座結(jié)點的位置，可 組裝成多種多樣的靜定或超靜定多跨梁結(jié)構(gòu)或幾何可變的梁機構(gòu)；通過外掛砝碼，或迫使 剛臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或使支座結(jié)點上、下移動，可模擬施加豎向外力、結(jié)點外力矩，或施加支 座位移等不同類型的外部作用；通過放松剛臂的約束，并使其發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或使支座結(jié)點 上、下移動，可模擬單位移動荷載作用下的彎矩及支座反力沿梁軸的變化情況(即影響線
的分布情況)。


圖1是本發(fā)明演示儀的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2中，(a) 、 (b) 、 (c) 、 (d)分別是第一梁片、第二梁片、第三梁片和第四梁片的主 視圖和俯視圖； 圖3中，(a) 、 (b) 、 (c)分別是固定鉸支座的正視圖、可動鉸支座的正視圖、兩種支 座的側(cè)視圖； 圖4是第一個實施例的計算簡圖；
圖5是第二個實施例的計算簡圖；
圖6是第三個實施例的計算簡圖；
圖7是第四個實施例的計算簡 圖中，1、第一梁片，2、第二梁片，3、第三梁片，4、第四梁片，5、固定鉸支座，6、可動 鉸支座，7、梁端凹凸型鉸結(jié)點，8、梁端凹凸型剛臂，9、帶掛線的砝碼盤和砝碼，10、梁中鉸結(jié) 點，11、梁端凹型鉸結(jié)點(帶插銷孔)，12、梁端凹型剛臂(帶插銷孔)，13、梁端凸型鉸結(jié)點 (帶插銷孔)，14、梁端凸型剛臂(帶插銷孔)，15、支座上排圓柱形插銷孔(正?？?，16、支 座下排圓柱形插銷孔(預(yù)留孔)，17、支座的底座，18、支座上排跑道形插銷孔(正?？?， 19、支座下排跑道形插銷孔(預(yù)留孔)，20、第一個實施例的變形圖線，21、第二個實施例的 變形圖線，22、第三個實施例的變形圖線，23、第四個實施例的變形圖線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加 明顯。 如圖2和圖3所示，用圓柱形插銷同時穿入固定鉸支座5的上排插銷孔15與第一 梁片1的梁中鉸結(jié)點10的插銷孔，用同樣方法將第三梁片3和第四片梁4的梁中鉸結(jié)點10 分別與一個可動鉸支座6的上排插銷孔18相連；再用插銷將第一梁片1與第二梁片2、第 二梁片2與第三梁片3、第三梁片3與第四梁片4的凹凸型鉸結(jié)點11、13相連，其中第一梁 片1與第二梁片2的結(jié)點還同時與可動鉸支座6的上排插銷孔18相連；最后將第一梁片1 與第二梁片2的凹凸型剛臂12、14的插銷孔用插銷相連，即鎖定該結(jié)點處的剛臂。這樣就 得到了圖1所示的多跨梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的計算簡圖如圖4的實線部分所示。
在圖4所示的實施例中，因第一梁片1和第二梁片2的凹凸型剛臂8處于鎖定狀 態(tài)，其余兩個結(jié)點處的剛臂處于放松狀態(tài)，故第一與第二梁片的連接結(jié)點為剛結(jié)點，其余兩 個結(jié)點為鉸結(jié)點。該結(jié)構(gòu)實際上是一個三跨靜定梁結(jié)構(gòu)，其中第一梁片1和第二梁片2已 剛接為一個整體，屬于基本部分，第三梁片3和第四梁片4分別為附屬部分和次附屬部分。 將砝碼施加于第二梁片的中部位置，由于梁片厚度較小，故四個梁片將發(fā)生變形或位移，由 此得到圖4虛線所示的變形圖線20。該變形圖線20直觀地反映了靜定多跨梁結(jié)構(gòu)的受力 變形特性因外力(砝碼)施加于基本部分，故只有作為基本部分的第一梁片l和第二梁片 2發(fā)生撓曲變形，且為上部受拉，其變形圖線為上凸的曲線；作為附屬部分的第三梁片3和 第四梁片4沒有內(nèi)力和變形(梁片自重引起的變形很小，肉眼不易覺察，故可忽略之)，只產(chǎn) 生剛體體系的位移，其變形圖線為直線。 在圖5所示的第二個實施例中，各梁片間的結(jié)點連接方式與第一個實施例(圖4) 相同，但將第一梁片1左端的梁中鉸結(jié)點由固定鉸支座5的上排插銷孔(正常孔)移至下 排插銷孔(預(yù)留孔)，同時撤除施加于梁上的砝碼9。這就相當(dāng)于該多跨梁的左端支座發(fā)生 了一個向下的支座位移，由此得到梁結(jié)構(gòu)發(fā)生支座位移后的變形圖線如圖5虛線21所示。 該變形圖線21均為直線，即各梁片均未產(chǎn)生內(nèi)力和變形，這直觀反映了靜定結(jié)構(gòu)的一個基 本受力特性靜定結(jié)構(gòu)發(fā)生支座位移，結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生內(nèi)力和反力。另一方面，根據(jù)機動法作影 響線的原理，該位移圖線21也是該多跨梁左端支座的反力影響線的輪廓圖(設(shè)反力以向下 為正)。從輪廓圖21的形狀可以看到，靜定多跨梁的反力影響線均由直線段組成。
在圖4第一個實施例的基礎(chǔ)上，將第二梁片2與第三梁片3、第三梁片3與第四梁 片4間的凹凸型剛臂8的插銷孔各用一根插銷相連，從而將這兩個結(jié)點的剛臂也鎖定，這樣 就得到了一個三跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，如圖6實線部分所示。
在圖6所示的實施例中，砝碼施加于第二梁片的中部位置。在砝碼荷載作用下，梁 片將發(fā)生撓曲變形，其變形圖線如圖6虛線22所示。該變形圖線22均為曲線，而且其撓度 與圖4中的第一個實施例相比(假設(shè)砝碼重量相同)總體較小。該現(xiàn)象說明此時四個梁片 均具有內(nèi)力和變形，梁結(jié)構(gòu)的整體剛度性能比第一個實施例更強，結(jié)構(gòu)受力變形趨于均勻， 這正是超靜定結(jié)構(gòu)受力特性的直觀反映。 在圖7所示的第四個實施例中，連續(xù)梁彎矩影響線的輪廓圖得到了直觀的演示。 該實施例在第三個實施例(圖6)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，撤除施加于梁上的砝碼，同時解除 第一梁片1與第二梁片2之間的凹凸型剛臂的約束(即拔出剛臂插銷孔中的插銷)，并使凹 型剛臂12與凸型剛臂14繞梁片下方的鉸結(jié)點插銷發(fā)生一個相對轉(zhuǎn)動(凹型逆時針，凸型 順時針)。用插銷插入凸型剛臂14的插銷孔并使插銷兩端緊靠在凹型剛臂12的外側(cè)，這樣 就可保持凹凸型剛臂的相對轉(zhuǎn)角。在該相對轉(zhuǎn)角作用下，各梁片將發(fā)生如圖7虛線所示的 撓曲變形圖線23。根據(jù)虛功原理，該圖線就是連續(xù)梁左起第二個支座截面(即解除剛臂約 束處)的彎矩影響線輪廓圖。 改變各梁片端部結(jié)點之間的連接方式(即鎖定或解除剛臂約束)，或改變砝碼的 作用位置，或改變梁中及梁端鉸結(jié)點與支座插銷孔(上排孔和下排孔)的連接位置，還可得 到其他多種多樣的實施例。
權(quán)利要求
一種多跨靜定梁和連續(xù)梁的多功能受力變形演示儀，其特征在于，它由多段帶有梁中鉸結(jié)點、梁端凹凸型鉸結(jié)點與凹凸型剛臂的薄壁梁片，以及支承梁片的固定鉸支座和可動鉸支座組成。梁片與梁片之間、梁片與支座之間用圓柱形細桿插銷穿入結(jié)點中和支座中的圓柱形插銷孔連接而成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跨靜定梁和連續(xù)梁的多功能受力變形演示儀，其特征在 于，所述梁中鉸結(jié)點由梁片底面向下突出，中間有一圓柱形插銷？L。梁端凹凸型鉸結(jié)點一個 為凹型、一個為凸型，由梁片端部底面向下突出，中間有一圓柱形插銷孔。梁端凹凸型剛臂 由梁片端部頂面向上伸出，剛臂頂部有一圓柱形插銷孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跨靜定梁和連續(xù)梁的多功能受力變形演示儀，其特征在 于，所述固定鉸支座和可動鉸支座均為Y型構(gòu)造，Y型開口的寬度略大于梁片的寬度，Y型的 兩條伸臂上設(shè)置有上下兩排插銷孔。固定鉸支座的插銷孔為圓形，可動鉸支座的插銷孔為 兩端呈半圓的跑道形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多跨梁多功能受力變形演示儀，它由多段帶有梁中鉸結(jié)點、梁端凹凸型鉸結(jié)點與凹凸型剛臂的薄壁梁片，以及支承梁片的固定鉸支座和可動鉸支座用圓柱形細桿插銷穿入插銷孔連接而成。通過鎖定或放松剛臂的相對運動，可組裝成多種多樣的多跨靜定梁、超靜定梁或幾何可變的梁機構(gòu)；通過外掛砝碼，或迫使剛臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，或使支座結(jié)點上、下移動，可展示各種多跨梁結(jié)構(gòu)在豎向外力、結(jié)點外力矩、支座位移等外部作用下的受力變形圖線，以及多跨梁在單位移動荷載作用下的截面彎矩、支座反力的影響線的輪廓線。本發(fā)明構(gòu)造簡單，拆裝與操作方便，功能多樣。
文檔編號G09B25/00GK101697258SQ200910154448
公開日2010年4月21日 申請日期2009年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月2日
發(fā)明者楊驪先, 陳水福 申請人:浙江大學(xué);