[发明专利]一种基于光弹性的桁架教学实验装置及实验方法

权利要求书

1.一种基于光弹性的桁架教学实验装置及实验方法，其特征在于,包括如下步骤：

S1、光弹仪光场的布置：

选取光弹仪和工作台，将光弹仪摆放在工作台上，并在工作台上摆放用于监测光弹仪工作的计算机及与计算机相配套的显示器，计算机与光弹仪之间电性连接，即形成光弹仪光场；光弹仪采用圆偏振光场，消除等倾线，观察等差线；

S2、桁架模型的制作：

由于桁架结构中的杆件处于单向应力状态，且材料各点的应力差相等，直接制作的模型放置在光弹仪中无法显示出等差线条纹。为了通过测量模型的条纹级数来计算杆件的轴力，需要在制备桁架模型时人为地加入偏心构件，当杆件受力时，偏心部分处于拉弯组合应力状态(或压弯组合应力状态)，会显示出相应的等差线条纹，从而可以利用条纹级数计算出杆件的轴力；先画好加入了偏心构件的桁架结构图纸，需要计算哪根杆件的轴力，就在哪根杆件上设计偏心构件，然后可利用激光切割机方便快捷地制作好桁架模型；

S3、进行实验：

将步骤S2中用光弹性材料制作好的桁架模型放置在步骤S1建立的光弹仪光场内，将光弹仪、计算机及显示屏均连接电源并进行开启，进而完成了整个光弹仪光场的开启运作，进一步的使用加载机构对桁架模型进行施力，当使用白色光源时，随着荷载的增大，桁架模型上会显示出相应的彩色条纹(当使用单色光源时，则显示单色条纹)，可通过光弹仪光场获得桁架模型的等差线条纹，利用摄像机拍摄捕捉条纹的演化，通过计算机程序处理光弹性图像，并通过数据的形式显示在显示屏上；

S4、实验数据的分析：

获取步骤S3中所获得的桁架模型在受力时各个杆件的偏心构件上显示的等差线条纹图像，并将数据传输至带有光弹性图像分析程序的计算机中进行分析，根据分析结果，可分别获得桁架模型各个杆件的轴力、单向应力特性、桁架模型中零杆的分布情况、定性分析节点的应力状态等特征；并将桁架各杆件的轴力与理论值进行比较；可以直观地观察桁架的传力路径；通过比较刚架实验与桁架实验的等差线条纹等光弹性图像，可以直观地观察刚架与桁架的联系与区别，理解刚节点与铰节点的联系与区别；理解力学计算简图与实际结构的关系；用光弹性力学的相关知识对桁架结构的受力特征进行定量分析，如用以下公式计算桁架结构中各个杆件的轴力：

其中，F为杆件的轴力，W为杆件的抗弯截面系数，e为偏心距，f_σ为材料条纹值，d为模型的厚度，n_内为杆件偏心部位最内侧的条纹级数，n_外为杆件偏心部位最外侧的条纹级数；

S5、实验教学：

针对获得的桁架模型的各个杆件的轴力、单向应力特性、桁架模型中零杆的分布情况、定性分析节点的应力状态等特征，用于学生的实验教学，在实验教学过程中，有利于使学生全面掌握桁架模型对应的桁架的力学特性，可以直观地观察桁架的传力路径，通过直观观察等差线条纹图像，理解刚节点与铰节点的差异，理解桁架结构与真实结构的差异。

2.根据权利要求1所述的一种基于光弹性的桁架教学实验装置及实验方法，其特征在于，在步骤S2中，在利用光弹性材料制备桁架模型时人为地加入偏心构件，通过杆件受力时偏心部分处于拉弯组合应力状态(或压弯组合应力状态)，偏心部分会显示出等差线条纹，从而利用光弹性实验方法测量桁架轴力的实验教学方法。