用于虛功原理展示和教學的觀測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于虛功原理展示和教學的觀測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在本科生現(xiàn)階段涉及機械力學的課程如理論力學，材料力學，結(jié)構(gòu)力學等課程中 對虛功原理的教學尚還未有一套簡明，有益與學生理解該部分內(nèi)容的裝置存在。學生普遍 又感覺虛功原理的內(nèi)容過于抽象，難以理解。老師也會遇到內(nèi)容難以詮釋清楚等問題。而 虛功原理在力學研宄上十分重要，或稱為力學問題研宄的"催化劑"，運用該理論可以將復 雜的力學問題大大簡化，同時又能簡化計算，應(yīng)用廣泛。雖然該原理本身有些抽象難懂，但 如果輔助以形象的教具，在學生剛接觸該部分知識時就幫助學生建立起形象的模型，那在 接下來學生對該知識的理解能起到很好的輔助作用。
[0003] 目前在國內(nèi)外虛功原理教學只能通過理論推斷和例題解說等形式開展教學，采用 展示裝置讓學生親自動手去驗證虛功原理的教學方式尚未形成。由于虛功原理計算結(jié)構(gòu)位 移時，需要涉及到兩種狀態(tài)：一是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)位移的實際狀態(tài)（位移狀態(tài)），除此之外還必須 虛設(shè)一個力狀態(tài)，即在原結(jié)構(gòu)上沿著所求位移的方向施加一個相應(yīng)的外力，一般為單位力。 考慮到力狀態(tài)中的結(jié)構(gòu)是平衡的，根據(jù)虛功原理，力狀態(tài)上的外力在實際位移狀態(tài)上所做 的虛功就等于力狀態(tài)中的內(nèi)力在實際狀態(tài)中的變形上所做的虛功。這樣便可求得實際狀態(tài) 中的位移。但是，其中的"功"并不是力在自身產(chǎn)生的位移或形變上所做的實際的功，而是 一種狀態(tài)上的力在另一種狀態(tài)的位移或形變上所做的虛功。因此在這種狀況下，研宄出一 款能清晰展示虛功原理的教具，對該部分內(nèi)容的教學頗有意義。
[0004] 并且，虛功原理應(yīng)用廣泛，如在靜電學中，求解電場強度、電場力等矢量時很方便， 利用虛功原理導出一些重要的定律如帕斯卡定律，J積分守恒，利用虛功原理還能對結(jié)構(gòu)的 敏感性進行分析和討論，以虛功原理為基礎(chǔ)，利用CAD變量幾何法，求解空間并聯(lián)機構(gòu)各 分支的驅(qū)動力和約束力等等。因此研發(fā)一種演示虛功原理的可觀測實驗裝置是非常有必要 的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有虛功原理教學只能通過理論推斷和例題解說等形式開展教學，采用 展示裝置讓學生親自動手去驗證虛功原理的教學方式尚未形成的缺陷，本發(fā)明提供一種能 幫助學生更好地理解虛位移、虛力、位移狀態(tài)、力平衡狀態(tài)及虛功原理等基本概念知識的、 操作簡便、簡單可行、通用性良好的用于虛功原理展示和教學的觀測裝置。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 用于虛功原理展示和教學的觀測裝置，其特征在于：包括安裝座，設(shè)置在安裝座上 的三鉸拱，所述的安裝座包括帶延伸段的固定盤和安裝在固定盤上的可調(diào)底盤，所述的三 鉸拱包括左拱片和右拱片，所述的左拱片和右拱片的頂端通過合頁鉸接，所述的左拱片和 右拱片的底端分別設(shè)置有立式帶軸軸承支座，所述的左拱片的底端通過立式帶軸軸承支座 軸接在一立式支撐架上，所述的立式支撐架固定在所述的可調(diào)底盤上；所述的右拱片的底 端通過立式帶軸軸承支座可滑動地設(shè)置在延伸段上；所述的左拱片與右拱片的底端的帶軸 軸承支座之間設(shè)置有絲桿，所述的絲桿上設(shè)置有應(yīng)變片測力計和螺旋測微頭；所述的三鉸 拱的拱頂設(shè)置有數(shù)顯千分表。
[0008] 所述的數(shù)顯千分表的指針的下端連接有一鐵片，所述的數(shù)顯千分表通過數(shù)顯表座 固定在所述的延伸段上；所述的固定表座包括支撐桿和底座，所述的支撐桿的底端連接在 底座上，頂端固定數(shù)顯千分表；所述的底座上設(shè)置有與鐵片相配合作用的帶控制開關(guān)的電 磁鐵，所述的電磁鐵用于吸附所述的鐵片。
[0009] 所述的可調(diào)底盤上沿圓周方向等間距設(shè)置有若干螺絲孔，所述的可調(diào)底盤通過螺 絲穿過螺絲孔安裝在固定盤上。
[0010] 所述的可調(diào)底盤上設(shè)置有用于使左右拱片處于水平對稱的三顆可旋轉(zhuǎn)螺釘，三顆 可旋轉(zhuǎn)螺釘呈等腰三角形分布。
[0011] 所述的右拱片底端的立式帶軸軸承支座上設(shè)置有滾輪，所述的滾輪可沿所述的延 伸段的長度方向滑動。
[0012] 所述的絲桿的中部設(shè)置有使絲桿處于水平狀態(tài)的支撐座。避免因絲桿及桿上的裝 置產(chǎn)生的重力對于人為制造誤差位移的影響，從而提高實驗的精度和準確性。
[0013] 所述的立式帶軸軸承支座的軸上開設(shè)有用于連接絲桿的螺紋孔，所述的絲桿上設(shè) 置有兩邊可旋轉(zhuǎn)的軸承。
[0014] 所述的三鉸拱滿足拋物線,y= -A-)，其中，f?為三鉸拱的拱的高度，1為三 鉸拱的拱的寬度。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：用靜定的帶拉線（絲桿）的拋物線形三鉸拱作為實驗裝置 的主體。用鋁合金制作的三鉸拱裝置具有很好的軸向剛度，且具有以下特點：①因為是拋物 線形的合理共軸，其實驗初始的自身重力可視為均布荷載在拱軸線上的分布，故其產(chǎn)生的 剪力和彎矩為零；②軸向的剛度較大，其產(chǎn)生的軸力微??；③材料便于鉆孔等工藝和加工， 便于組裝。
[0016] 本發(fā)明用拋物線形三鉸拱作為教學裝置的結(jié)構(gòu)形式，能最大程度地降低結(jié)構(gòu)因自 身重量產(chǎn)生的初始變形。因為拋物線是三鉸拱在均布載荷作用下的合理拱軸線，所以在自 重的作用下，拱的彎矩、剪力的大小為零。而拱的軸向剛度相對較大，軸向變形微小可忽略 不計。
[0017] 用鉤碼作為虛設(shè)的外力，應(yīng)變測力片外加顯示器可直觀清晰的測量需要計算的內(nèi) 力的大小，精度可達〇? 005g。
[0018] 巧妙利用螺旋測微頭調(diào)節(jié)絲桿的伸縮，給定絲桿的制造誤差，十分的方便，直觀精 確，精度可達〇? 01謹。
[0019] 三角拱頂安裝數(shù)顯千分表測拱頂產(chǎn)生的位移，直觀精確，精度可達0. 001mm。
[0020] 本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：
[0021] 1、可用性好，教學兩用，能真正做到老師與學生的互動；全量程標定，確定線性區(qū)， 實驗數(shù)據(jù)確，可靠；兩片弓形構(gòu)架，通過內(nèi)外負荷加載，使位移顯化，演示虛功原理；力的測 量與位移的測量相互獨立，互不影響，方便測量，因而清晰直觀，簡介明了。
[0022] 2、該教學裝置結(jié)構(gòu)巧妙，操作步驟簡單，實驗數(shù)據(jù)可靠，在幫助學生理解虛位移、 虛功、位移狀態(tài)、力平衡狀態(tài)等概念的基礎(chǔ)上掌握虛功原理的實質(zhì)。
[0023] 3、用拋物線形三鉸拱作為實驗裝置的結(jié)構(gòu)形式，能最大程度地降低結(jié)構(gòu)因自身重 量產(chǎn)生的初始變形。因為拋物線是三鉸拱在均布載荷作用下的合理拱軸線，所以在自重的 作用下，拱的彎矩、剪力的大小為零。而拱的軸向剛度相對較大，軸向變形微小可忽略不計。
[0024] 4、用螺旋測微頭調(diào)節(jié)拉線的伸縮，給定拉線的制造誤差，直觀精確。
[0025] 5、用鉤碼作為虛設(shè)的外力，應(yīng)變測力計則可測量需要計算的內(nèi)力的大小。
[0026] 6、整個實驗裝置在虛功原理的驗證時避免了三鉸拱的剪力、彎矩、軸力的變形虛 功的積分運算，而只需考慮拉線軸力的變形虛功大小，從而驗證虛功原理。
[0027]7、實驗裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，可即時拆裝，便于攜帶和在不同場合操作、演示。
[0028] 8、該教學裝置材料主要為鋁合金，市場上易獲得，而且制作成本較低，適合批量生 產(chǎn)。
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖2是本發(fā)明位移的邏輯關(guān)系圖。
[0031] 圖3是本發(fā)明力的邏輯關(guān)系圖。
[0032] 圖4a是本發(fā)明受力示意圖A。
[0033] 圖4b是本發(fā)明受力示意圖B。
【具體實施方式】
[0034] 參照圖1至圖3,用于虛功原理展示和教學的觀測裝置，包括安裝座1，設(shè)置在安裝 座上的三鉸拱，所述的安裝座1包括帶延伸段的固定盤15和安裝在固定盤上的可調(diào)底盤 16,所述的三鉸拱包括左拱片3和右拱片7,所述的左拱片3和右拱片7的頂端通過合頁4 鉸接，所述的左拱片3和右拱片7的底端分別設(shè)置有立式帶軸軸承支座2,所述的左拱片3 的底端通