申请/专利权人：河南理工大学

申请日：2019-02-01

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN109870373B

主分类号：G01N3/303

分类号：G01N3/303;G01N3/04;G01N3/06;G09B23/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2019.07.05#实质审查的生效;2019.06.11#公开

摘要：悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置及方法，包括悬臂梁、吊钩、应变片、左实验台和右实验台，右实验台上垂直设置有刻度尺和支撑杆，吊钩上设置在悬臂梁底部，应变片设置在悬臂梁顶部，吊钩上通过吊绳挂接有铅球，吊绳在铅球自重的牵拉下，吊绳与刻度尺前后对应且平行，支撑杆下部设置有用于夹持铅球的第一夹持器，支撑杆上部设置有用于夹持悬臂梁右端使悬臂梁静止的第二夹持器。本发明集实验模型、夹持装置、测量设备于一体，较好的满足关于构件受冲击荷载作用时的动应力计算简化算法的假设，实验方便、测试数值精确度高，可重复利用；本发明实现教学内容的实验化，使学生更容易接受枯燥的力学课堂听课。

主权项：1.悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，其特征在于：包括悬臂梁、吊钩、应变片、左实验台和位于左实验台右侧的右实验台，悬臂梁左端固定设置在左实验台上，悬臂梁水平设置，悬臂梁右侧部位于右实验台上方，右实验台上垂直设置有位于悬臂梁后侧的刻度尺和位于悬臂梁右端部右侧的支撑杆，吊钩上端固定连接在悬臂梁底部并与刻度尺前后对应，应变片设置在吊钩与悬臂梁固定点的正上方的悬臂梁顶部，吊钩上通过吊绳挂接有铅球，吊绳在铅球自重的牵拉下，吊绳与刻度尺前后对应且平行，支撑杆下部设置有用于夹持铅球的第一夹持器，支撑杆上部设置有用于夹持悬臂梁右端使悬臂梁静止的第二夹持器；支撑杆采用矩形管制成，支撑杆左侧沿垂直方向开设有导向孔，第一夹持器包括滑动连接在支撑杆内部的升降杆，升降杆左侧固定连接有穿设在导向孔内的水平杆，水平杆左端设置有用于夹持铅球的机械抓手，支撑杆左侧下部设置有用于驱动升降杆升降的蜗轮蜗杆机构；第二夹持器右侧固定连接在支撑杆上部左侧，第二夹持器左侧敞口，悬臂梁的右端伸入到第二夹持器内，第二夹持器上设置有用于监测悬臂梁右端部上下位移的雷达测距仪。

全文数据：悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置及方法技术领域本发明属于材料力学教学技术领域，具体涉及一种悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置及方法。背景技术要精确地分析被冲击物的冲击应力和变形，应考虑弹性体内应力波的传播，其计算较为复杂。在工程中，通常采用一种较为粗略但偏于安全的简化计算方法，作为被冲击物内冲击应力的估算，求解动荷因数，精确度较低。另外，关于这方面的教学主要是理论教学，关于实验测试悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数则比较少，理论不能与实践结合，在课堂授课时就难以让学生更好地直观理解消化相关知识内容。发明内容本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种原理科学、结构简单、便于操作、安全可靠、测试数值精度高的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置及方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，包括悬臂梁、吊钩、应变片、左实验台和位于左实验台右侧的右实验台，悬臂梁左端固定设置在左实验台上，悬臂梁水平设置，悬臂梁右侧部位于右实验台上方，右实验台上垂直设置有位于悬臂梁后侧的刻度尺和位于悬臂梁右端部右侧的支撑杆，吊钩上端固定连接在悬臂梁底部并与刻度尺前后对应，应变片设置在吊钩与悬臂梁固定点的正上方的悬臂梁顶部，吊钩上通过吊绳挂接有铅球，吊绳在铅球自重的牵拉下，吊绳与刻度尺前后对应且平行，支撑杆下部设置有用于夹持铅球的第一夹持器，支撑杆上部设置有用于夹持悬臂梁右端使悬臂梁静止的第二夹持器。支撑杆采用矩形管制成，支撑杆左侧沿垂直方向开设有导向孔，第一夹持器包括滑动连接在支撑杆内部的升降杆，升降杆左侧固定连接有穿设在导向孔内的水平杆，水平杆左端设置有用于夹持铅球的机械抓手，支撑杆左侧下部设置有用于驱动升降杆升降的蜗轮蜗杆机构。第二夹持器右侧固定连接在支撑杆上部左侧，第二夹持器左侧敞口，悬臂梁的右端伸入到第二夹持器内，第二夹持器上设置有用于监测悬臂梁右端部上下位移的雷达测距仪。悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置的实验方法，包括以下步骤，（1）、检查实验装置，确认实验装置运行良好，将拴好的铅球的吊绳挂在挂钩处，将应变片、雷达测距仪、第一夹持器和第二夹持器通过控制电缆分别与计算机连接，调试实验装置，计算机对各项数据进行实时监测和测量；（2）、记录吊钩距离左实验台的水平距离，即铅球对悬臂梁的冲击力的力臂长度记为L，铅球在静止时吊绳处于刚拉伸状态此时的铅球距离右实验台上表面的距离记为h1；（3）铅球作为静载荷通过吊绳作用在悬臂梁上，计算机记录应变片的输出值；（4）启动第一夹持器，机械抓手夹住重量为P的铅球，再启动蜗轮蜗杆机构，驱动升降杆沿支撑杆向上移动到在吊绳长度范围内的任意一个位置，记录铅球距离右实验台上表面的距离记为h2；（5）机械抓手松开铅球，铅球开始做自由落体运动，当吊绳拉紧时竖直冲击荷载开始作用在悬臂梁上，实验结束后计算机记录应变片输出的应变值；（6）重复至少三次步骤（3）、（4）和（5）；（7）计算步骤（3）中铅球作为静载荷时应变片输出值的平均值，记为；计算步骤（5）中竖直冲击荷载作用于悬臂梁时应变片输出值的平均值，记为；铅球做自由落体运动的位移为h=h2-h1；（8）求解悬臂梁受竖直冲击荷载作用时简化算法动荷因数的公式为：；由实验测得的数据计算得到的动荷因数为：E是杨氏模量；I是惯性矩；是静荷载作用下梁的位移；是基于理论计算得到动荷因数，是由实验得到的数据计算得到的，比较和的大小，如果两者的误差在0.2之内，则实验得到的动荷因数是准确的。步骤（5）中的冲击载荷拉动悬臂梁向下运动，雷达测距仪测量悬臂梁的向下位置的数值不断变大；第二夹持器由计算机进行实时监测和控制，当雷达测距仪测得的数值出现减小时，为了避免悬臂梁发生回弹影响实验结果，第二夹持器启动夹住悬臂梁使悬臂梁不再运动，一次实验到此结束，计算机记录下悬臂梁右端的位移；记录实验开始、结束时刻度尺的数值，计算出铅球做自由落体运动的位移。采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明的有益效果是：本发明可以利用该实验装置进行求解悬臂梁受竖直冲击荷载作用时简化算法动荷因数的简化算法实验。该装置集实验模型、夹持装置、测量设备于一体，较好的满足关于构件受冲击荷载作用时的动应力计算简化算法的假设，实验方便、测试数值精确度高，可重复利用。本发明在教学过程中起到事半功倍的效果，实现教学内容的实验化，使学生更容易接受枯燥的力学课堂听课。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是支撑杆与升降杆之间连接的横截面示意图；图3是图1中机械抓手的俯视图。具体实施方式如图1-图3所示，本发明的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，包括悬臂梁1、吊钩2、应变片15、左实验台13和位于左实验台13右侧的右实验台11，悬臂梁1左端固定设置在左实验台13上，悬臂梁1水平设置，悬臂梁1右侧部位于右实验台11上方，右实验台11上垂直设置有位于悬臂梁1后侧的刻度尺5和位于悬臂梁1右端部右侧的支撑杆12，吊钩2上端固定连接在悬臂梁1底部并与刻度尺5前后对应，应变片15设置在吊钩2与悬臂梁1固定点的正上方的悬臂梁1顶部，吊钩2上通过吊绳3挂接有铅球4，吊绳3在铅球4自重的牵拉下，吊绳3与刻度尺5前后对应且平行，支撑杆12下部设置有用于夹持铅球4的第一夹持器，支撑杆12上部设置有用于夹持悬臂梁1右端使悬臂梁1静止的第二夹持器8。支撑杆12采用矩形管制成，支撑杆12左侧沿垂直方向开设有导向孔16，第一夹持器包括滑动连接在支撑杆12内部的升降杆14，升降杆14左侧固定连接有穿设在导向孔16内的水平杆9，水平杆9左端设置有用于夹持铅球4的机械抓手7，支撑杆12左侧下部设置有用于驱动升降杆14升降的蜗轮蜗杆机构10。第二夹持器8右侧固定连接在支撑杆12上部左侧，第二夹持器8左侧敞口，悬臂梁1的右端伸入到第二夹持器8内，第二夹持器8上设置有用于监测悬臂梁1右端部上下位移的雷达测距仪6。悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置的实验方法，包括以下步骤：（1）、检查实验装置，确认实验装置运行良好，将拴好的铅球4的吊绳3挂在挂钩处，将应变片15、雷达测距仪6、第一夹持器和第二夹持器8通过控制电缆分别与计算机连接，调试实验装置，计算机对各项数据进行实时监测和测量；（2）、记录吊钩2距离左实验台13的水平距离，即铅球4对悬臂梁1的冲击力的力臂长度记为L，铅球4在静止时吊绳3处于刚拉伸状态此时的铅球4距离右实验台11上表面的距离记为h1；（3）铅球4作为静载荷通过吊绳3作用在悬臂梁1上，计算机记录应变片15的输出值；（4）启动第一夹持器，机械抓手7夹住重量为P的铅球4，再启动蜗轮蜗杆机构10，驱动升降杆14沿支撑杆12向上移动到在吊绳3长度范围内的任意一个位置，记录铅球4距离右实验台11上表面的距离记为h2；（5）机械抓手7松开铅球4，铅球4开始做自由落体运动，当铅球4落到最低点时，铅球4通过吊绳3的竖直冲击荷载开始作用在悬臂梁1上，计算机记录应变片15此时输出的应变值；（6）重复至少三次步骤（3）、（4）和（5）；（7）计算步骤（3）中铅球4作为静载荷时应变片15输出值的平均值，记为；计算步骤（5）中竖直冲击荷载作用于悬臂梁1时应变片15输出值的平均值，记为；铅球4做自由落体运动的位移为h=h2-h1；（8）求解悬臂梁受竖直冲击荷载作用时简化算法动荷因数的公式为：；由实验测得的数据计算得到的动荷因数为：E是杨氏模量；I是惯性矩；是静荷载作用下梁的位移；是基于理论计算得到动荷因数，是由实验得到的数据计算得到的，比较和的大小，如果两者的误差在0.2之内，则实验得到的动荷因数是准确的。步骤（5）中的冲击载荷拉动悬臂梁1向下运动，雷达测距仪6测量悬臂梁1的向下位置的数值不断变大；第二夹持器8由计算机进行实时监测和控制，当雷达测距仪6测得的数值出现减小时，第二夹持器8启动夹住悬臂梁1，悬臂梁1不再运动，避免悬臂梁1发生回弹影响实验结果，到此为止，一次实验结束；计算机记录下悬臂梁1的位移，根据刻度尺5测量结果计算出铅球4做自由落体运动的位移。本发明中的第一夹持器采用沃野机器人智能有限公司生产的电动夹爪机械手夹持器；第二夹持器是膳魔师江苏家庭制品有限公司的一种垂直冲击试验机中的夹持装置。本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

权利要求：1.悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，其特征在于：包括悬臂梁、吊钩、应变片、左实验台和位于左实验台右侧的右实验台，悬臂梁左端固定设置在左实验台上，悬臂梁水平设置，悬臂梁右侧部位于右实验台上方，右实验台上垂直设置有位于悬臂梁后侧的刻度尺和位于悬臂梁右端部右侧的支撑杆，吊钩上端固定连接在悬臂梁底部并与刻度尺前后对应，应变片设置在吊钩与悬臂梁固定点的正上方的悬臂梁顶部，吊钩上通过吊绳挂接有铅球，吊绳在铅球自重的牵拉下，吊绳与刻度尺前后对应且平行，支撑杆下部设置有用于夹持铅球的第一夹持器，支撑杆上部设置有用于夹持悬臂梁右端使悬臂梁静止的第二夹持器。2.根据权利要求1所述的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，其特征在于：支撑杆采用矩形管制成，支撑杆左侧沿垂直方向开设有导向孔，第一夹持器包括滑动连接在支撑杆内部的升降杆，升降杆左侧固定连接有穿设在导向孔内的水平杆，水平杆左端设置有用于夹持铅球的机械抓手，支撑杆左侧下部设置有用于驱动升降杆升降的蜗轮蜗杆机构。3.根据权利要求2所述的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置，其特征在于：第二夹持器右侧固定连接在支撑杆上部左侧，第二夹持器左侧敞口，悬臂梁的右端伸入到第二夹持器内，第二夹持器上设置有用于监测悬臂梁右端部上下位移的雷达测距仪。4.根据权利要求3所述的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤，（1）、检查实验装置，确认实验装置运行良好，将拴好的铅球的吊绳挂在挂钩处，将应变片、雷达测距仪、第一夹持器和第二夹持器通过控制电缆分别与计算机连接，调试实验装置，计算机对各项数据进行实时监测和测量；（2）、记录吊钩距离左实验台的水平距离，即铅球对悬臂梁的冲击力的力臂长度记为L，铅球在静止时吊绳处于刚拉伸状态此时的铅球距离右实验台上表面的距离记为h1；（3）铅球作为静载荷通过吊绳作用在悬臂梁上，计算机记录应变片的输出值；（4）启动第一夹持器，机械抓手夹住重量为P的铅球，再启动蜗轮蜗杆机构，驱动升降杆沿支撑杆向上移动到在吊绳长度范围内的任意一个位置，记录铅球距离右实验台上表面的距离记为h2；（5）机械抓手松开铅球，铅球开始做自由落体运动，当吊绳拉紧时竖直冲击荷载开始作用在悬臂梁上，实验结束后计算机记录应变片输出的应变值；（6）重复至少三次步骤（3）、（4）和（5）；（7）计算步骤（3）中铅球作为静载荷时应变片输出值的平均值，记为；计算步骤（5）中竖直冲击荷载作用于悬臂梁时应变片输出值的平均值，记为；铅球做自由落体运动的位移为h=h2-h1；（8）求解悬臂梁受竖直冲击荷载作用时简化算法动荷因数的公式为：；由实验测得的数据计算得到的动荷因数为：E是杨氏模量；I是惯性矩；是静荷载作用下梁的位移；是基于理论计算得到动荷因数，是由实验得到的数据计算得到的，比较和的大小，如果两者的误差在0.2之内，则实验得到的动荷因数是准确的。5.根据权利要求4所述的悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置的实验方法，其特征在于：步骤（5）中的冲击载荷拉动悬臂梁向下运动，雷达测距仪测量悬臂梁的向下位置的数值不断变大；第二夹持器由计算机进行实时监测和控制，当雷达测距仪测得的数值出现减小时，为了避免悬臂梁发生回弹影响实验结果，第二夹持器启动夹住悬臂梁使悬臂梁不再运动，一次实验到此结束，计算机记录下悬臂梁右端的位移；记录实验开始、结束时刻度尺的数值，计算出铅球做自由落体运动的位移。

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