论文摘要：针对《材料力学》课程教学中杆件受力单元抽象性描述的问题，设计一款用于宏观展示杆件形变规律及其影响因素的示教仪。示教仪采用铝制型材作为框架结构，通过自主设计的功能模块的组合使用，基于无线通信与螺旋放大原理，采用数字百分表和自主设计的数据处理系统，实现各类杆件结构的形变演示与形变数据的采集、分析，通过定量的形变数据体现定性的形变规律，直观地展示杆件在不同约束条件和不同载荷形式作用下的形变规律。示教仪具有良好的灵活度和可装卸性，便于教师在课程教学中进行演示与讲解，提高课堂的教学质量和效率。
论文关键词：材料力学,示教仪,杆件形变
0前言
目前高校《材料力学》的课程教学与其试验不同步，现有材料力学试验器材虽然功能齐全，精度高，但体积庞大，价格昂贵，操作繁琐，无法真正用于课堂教学示教，对于一些形变微小，属于定性问题的课程，对于初学者来说往往是抽象而难以理解的，纯粹的课堂教学不利于学生对材料力学的课程感知与学习。
作品能够简单、直观地演示出不同截面、材料梁的微小形变规律与差异；基于自主设计的数据采集、处理系统，可投影形变数据，通过量化的形变参数体现定性的形变规律，有助于《材料力学》杆件形变单元的教学演示，有利于学生更好地理解和掌握相关知识，提高学生的实际动手能力和学习兴趣。
1示教仪杆件形变测量原理
3030N铝型材刚度极大，弹性模量高达68800N/mm2，而杆件材料以亚克力板，橡胶板及薄钢板为主，在模拟杆件形变演示时，3030N铝型材所产生的微小形变基本不影响杆件形变演示的测试结果。基于3D打印技术制作的约束模块和加载模块可模拟不同的杆件约束受载情况[1]。利用高精度千分表，将指针与杆件形变面相接触，并使其沿杆件形变的线性（圆周）方向移动，可实时读取、采集杆件的相对形变量；借助现有的通讯协议，自主设计数据通信系统，实时采集千分表数据，并通过USB通讯口导入计算机，根据预先的设置，对测量采集数据进行分析处理[2]。根据需要，可实时显示当前值、平均值、最大值、扭转角度等相关数据，同时自动生成相应的图表及形变变化曲线图，便于教师的课堂教学演示。
2材料力学杆件形变示教实验仪系统结构[3]
2.1杆件弯曲形变演示结构
图1为简支梁结构图，杆件弯曲形变演示示教实验仪主体结构由底板导轨、两个龙门导轨、两个主支架，两种约束构件（图2、图3）及水平数据采集小车（图4）组成。为使小车获得稳定、精准的平移，小车采用井形车架，底座采用两组30*4*8滑轮作为导向轮，与3030N3铝型材底槽相匹配。高精度千分表外由带U型插槽底座的固定壳包裹，固定壳底座与小车上的U型插槽相匹配，便于拆换。
图2为模拟杆件固定约束的固定约束模块。该模块由一对长方体片组成，长方体片中部有与杆件相匹配的矩形凹槽，凹槽高度略小于杆件一半厚度；长方体两侧有用于锁紧固定用槽孔。基于此种结构，限制杆件x、z方向自由度，利用双螺纹锁紧挤压产生的摩擦力，限制y方向的自由度，从而实现杆件的固定约束演示。
图3为模拟杆件铰支约束的铰支约束模块。该模块结构上与固定约束模块相似，不同之处在于长方体片中部为一定弧度的半圆型突起，突起部分与杆件近似点接触，基于此种结构，利用双螺纹锁紧挤压产生的摩擦力，约束模块仅限制杆件的z方向自由度，从而实现杆件的铰支约束演示。
2.2杆件受扭形变演示结构
杆件扭转演示示教实验仪主体结构由底板导轨、一个龙门导轨、两个主支架，固定约束构件、扭力加载购件、螺旋放大器及竖直数据采集小车组成。 1/2 1 2 下一页 尾页 |
