[实用新型]用于虚功原理展示和教学的观测装置有效

专利信息
申请号: 201420867682.1 申请日: 2014-12-31
公开(公告)号: CN204516164U 公开(公告)日: 2015-07-29
发明(设计)人: 沈晰强;胡建卫;黄金涛;张敦浩;李佳明;周涛;夏航 申请(专利权)人: 浙江工业大学
主分类号: G09B23/06 分类号: G09B23/06
代理公司: 杭州天正专利事务所有限公司 33201 代理人: 王兵;黄美娟
地址: 310014 浙江省杭州*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 用于 虚功 原理 展示 教学 观测 装置
【说明书】:

技术领域

本实用新型涉及一种用于虚功原理展示和教学的观测装置。

背景技术

在本科生现阶段涉及机械力学的课程如理论力学,材料力学,结构力学等课程中对虚功原理的教学尚还未有一套简明,有益与学生理解该部分内容的装置存在。学生普遍又感觉虚功原理的内容过于抽象,难以理解。老师也会遇到内容难以诠释清楚等问题。而虚功原理在力学研究上十分重要,或称为力学问题研究的“催化剂”,运用该理论可以将复杂的力学问题大大简化,同时又能简化计算,应用广泛。虽然该原理本身有些抽象难懂,但如果辅助以形象的教具,在学生刚接触该部分知识时就帮助学生建立起形象的模型,那在接下来学生对该知识的理解能起到很好的辅助作用。

目前在国内外虚功原理教学只能通过理论推断和例题解说等形式开展教学,采用展示装置让学生亲自动手去验证虚功原理的教学方式尚未形成。由于虚功原理计算结构位移时,需要涉及到两种状态:一是产生结构位移的实际状态(位移状态),除此之外还必须虚设一个力状态,即在原结构上沿着所求位移的方向施加一个相应的外力,一般为单位力。考虑到力状态中的结构是平衡的,根据虚功原理,力状态上的外力在实际位移状态上所做的虚功就等于力状态中的内力在实际状态中的变形上所做的虚功。这样便可求得实际状态中的位移。但是,其中的“功”并不是力在自身产生的位移或形变上所做的实 际的功,而是一种状态上的力在另一种状态的位移或形变上所做的虚功。因此在这种状况下,研究出一款能清晰展示虚功原理的教具,对该部分内容的教学颇有意义。

并且,虚功原理应用广泛,如在静电学中,求解电场强度、电场力等矢量时很方便,利用虚功原理导出一些重要的定律如帕斯卡定律,J积分守恒,利用虚功原理还能对结构的敏感性进行分析和讨论,以虚功原理为基础,利用CAD变量几何法,求解空间并联机构各分支的驱动力和约束力等等。因此研发一种演示虚功原理的可观测实验装置是非常有必要的工作。

发明内容

为了克服现有虚功原理教学只能通过理论推断和例题解说等形式开展教学,采用展示装置让学生亲自动手去验证虚功原理的教学方式尚未形成的缺陷,本实用新型提供一种能帮助学生更好地理解虚位移、虚力、位移状态、力平衡状态及虚功原理等基本概念知识的、操作简便、简单可行、通用性良好的用于虚功原理展示和教学的观测装置。

本实用新型采用的技术方案是:

用于虚功原理展示和教学的观测装置,其特征在于:包括安装座,设置在安装座上的三铰拱,所述的安装座包括带延伸段的固定盘和安装在固定盘上的可调底盘,所述的三铰拱包括左拱片和右拱片,所述的左拱片和右拱片的顶端通过合页铰接,所述的左拱片和右拱片的底端分别设置有立式带轴轴承支座,所述的左拱片的底端通过立式带轴 轴承支座轴接在一立式支撑架上,所述的立式支撑架固定在所述的可调底盘上;所述的右拱片的底端通过立式带轴轴承支座可滑动地设置在延伸段上;所述的左拱片与右拱片的底端的带轴轴承支座之间设置有丝杆,所述的丝杆上设置有应变片测力计和螺旋测微头;所述的三铰拱的拱顶设置有数显千分表。

所述的数显千分表的指针的下端连接有一铁片,所述的数显千分表通过数显表座固定在所述的延伸段上;所述的固定表座包括支撑杆和底座,所述的支撑杆的底端连接在底座上,顶端固定数显千分表;所述的底座上设置有与铁片相配合作用的带控制开关的电磁铁,所述的电磁铁用于吸附所述的铁片。

所述的可调底盘上沿圆周方向等间距设置有若干螺丝孔,所述的可调底盘通过螺丝穿过螺丝孔安装在固定盘上。

所述的可调底盘上设置有用于使左右拱片处于水平对称的三颗可旋转螺钉,三颗可旋转螺钉呈等腰三角形分布。

所述的右拱片底端的立式带轴轴承支座上设置有滚轮,所述的滚轮可沿所述的延伸段的长度方向滑动。

所述的丝杆的中部设置有使丝杆处于水平状态的支撑座。避免因丝杆及杆上的装置产生的重力对于人为制造误差位移的影响,从而提高实验的精度和准确性。

所述的立式带轴轴承支座的轴上开设有用于连接丝杆的螺纹孔,所述的丝杆上设置有两边可旋转的轴承。

所述的三铰拱满足抛物线,其中,f为三铰 拱的拱的高度,l为三铰拱的拱的宽度。

本实用新型的技术构思为:用静定的带拉线(丝杆)的抛物线形三铰拱作为实验装置的主体。用铝合金制作的三铰拱装置具有很好的轴向刚度,且具有以下特点:①因为是抛物线形的合理共轴,其实验初始的自身重力可视为均布荷载在拱轴线上的分布,故其产生的剪力和弯矩为零;②轴向的刚度较大,其产生的轴力微小;③材料便于钻孔等工艺和加工,便于组装。

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