房亮 王文勇 蔣明

(蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

組合網(wǎng)架模型綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

房亮 王文勇 蔣明

(蘇州科技學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

為了培養(yǎng)土木工程、工程力學(xué)等專業(yè)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力，設(shè)計(jì)了組合網(wǎng)架模型的綜合性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生綜合運(yùn)用電測、光測和有限元計(jì)算等多種手段，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對網(wǎng)架撓度、桿件內(nèi)力、材料性能等進(jìn)行測量。通過該綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)力學(xué)原理與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識交叉滲透，培養(yǎng)了學(xué)生思維的靈活性及綜合分析問題的能力和動手能力，同時(shí)也反映了組合網(wǎng)架模型適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的特色。

網(wǎng)架模型;綜合性實(shí)驗(yàn);電測;光測

0 引言

力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)的方法掌握一些力學(xué)基本理論的研究方法和途徑。而傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常只涉及到某個(gè)原理的驗(yàn)證，客觀上形成了一定的教學(xué)缺陷，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性不夠，因此難以取得應(yīng)有的教學(xué)效果?，F(xiàn)代學(xué)科發(fā)展呈現(xiàn)出多學(xué)科綜合和交叉的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不適于學(xué)生綜合能力的提高，開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力的重要手段之一[1-3]。為啟發(fā)學(xué)生多向思維和培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，針對土木工程、工程力學(xué)等專業(yè)設(shè)計(jì)了組合式網(wǎng)架模型的綜合性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的目的是通過學(xué)生綜合應(yīng)用現(xiàn)代光學(xué)測試技術(shù)和電測方法等多種實(shí)驗(yàn)手段，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對網(wǎng)架撓度、桿件內(nèi)力、材料性能等進(jìn)行測量，使學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力、動手能力和科研能力等得到有效的鍛煉和提高。

1 模型制作

本文所用到的網(wǎng)架模型采用實(shí)心鋁材制作，彈性模量 E=71.7 GPa，泊松比 μ=0.33，密度ρ=2 700 kg/m3。節(jié)點(diǎn)由6 cm×6 cm×6 cm的鋁塊經(jīng)鋸角鉆孔形成，桿件為直徑1.5 cm、長度40 cm的鋁桿。整個(gè)網(wǎng)架模型的尺寸為:跨度2.0 m、高度0.283 m，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 電測法測量桿件軸力

在網(wǎng)架各桿件的中間位置粘貼電阻應(yīng)變片，采用半橋接線法，使用YJ-4501A/SZ靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變儀進(jìn)行測量，如圖2所示。在網(wǎng)架上層各個(gè)節(jié)點(diǎn)上放置砝碼，分40 N，80 N二級加載。對網(wǎng)架采用四周支撐和四點(diǎn)支撐方式分別進(jìn)行測量，其中四點(diǎn)支撐方式時(shí)的支撐點(diǎn)選用下層節(jié)點(diǎn)中間一環(huán)的4個(gè)角點(diǎn)。

圖2 桿件軸力測試

2.2 光測法測量節(jié)點(diǎn)位移

網(wǎng)架位移測量是采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的數(shù)字圖像相關(guān)方法，其基本原理是匹配物體表面不同狀態(tài)下的數(shù)字化散斑圖像上的幾何點(diǎn)，跟蹤點(diǎn)的運(yùn)動，從而獲得物體表面的變形信息[4]。再比較變形前后的圖像，即可實(shí)現(xiàn)位移的計(jì)算。相關(guān)搜索示意圖如圖3所示。

圖3 相關(guān)搜索示意圖

給定物體變形前的圖像f(x，y)和變形后的圖像g(x，y)，要求在變形后的圖像中識別出對應(yīng)于變形前的圖像場中某一圖像子區(qū)的那個(gè)圖像子區(qū)。由于散斑分布的隨機(jī)性，散斑場上的每一點(diǎn)周圍的一個(gè)小區(qū)域中的散斑分布與其他點(diǎn)是不同的，這樣的小區(qū)域通常稱為子集，散斑場上以某一點(diǎn)為中心的子集可作為該點(diǎn)位移的信息載體，通過分析和搜索該子集的移動和變化，便可以獲得該點(diǎn)的位移。識別的依據(jù)是2幅圖像子區(qū)之間的相似程度，一般用以下的相關(guān)公式來衡量:

在變形后的圖像上移動圖像子區(qū)，即改變u，v的值，可以得到不同的C值。而使C取最大值的u，v，即是子區(qū)域中心的位移。

圖4為由CCD采集到的節(jié)點(diǎn)受力變形前后的圖像。比較變形前后的圖像，運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)位移計(jì)算。文中的圖像相關(guān)計(jì)算精度為0.01 pixel，實(shí)際的位移測量精度可以達(dá)到 0.2 μm。

圖4 節(jié)點(diǎn)變形前后圖像

3 實(shí)驗(yàn)測試

3.1 桿件軸力測量

對網(wǎng)架采用圖2的加載方式，分別在四周支撐和四點(diǎn)支撐方式下進(jìn)行加載，對網(wǎng)架一角的30根桿件進(jìn)行軸力測量。同時(shí)用ANSYS進(jìn)行建模計(jì)算，得到2組對比曲線，如圖5所示。其中方點(diǎn)為測量值，圓點(diǎn)為計(jì)算值，對比得出的測量最大誤差為4.37%。

圖5 桿件軸力的測量值與計(jì)算值對比圖

3.2 節(jié)點(diǎn)位移測量

用光測方法測量網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)位移需要用到的實(shí)驗(yàn)儀器主要是CCD及計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)。由于四周支撐時(shí)網(wǎng)架下層最外圍的節(jié)點(diǎn)位移均為0，因此在2種支撐方式下，均對網(wǎng)架第二排的上下2層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，節(jié)點(diǎn)號為7～12和42～46，共計(jì)11個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中7～12為下層節(jié)點(diǎn)，42～46為上層節(jié)點(diǎn)。同時(shí)用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，得到2組對比曲線如圖6所示。其中方點(diǎn)為測量值，圓點(diǎn)為計(jì)算值，對比得出的測量最大誤差為3.58%。

圖6 節(jié)點(diǎn)位移的測量值與計(jì)算值對比圖

4 結(jié)語

組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是日常建筑物中常見的結(jié)構(gòu)形式，通過該綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對結(jié)構(gòu)整體的受力特征有了完整的認(rèn)識。電測、光測、有限元計(jì)算等多種實(shí)驗(yàn)手段的運(yùn)用，使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)力學(xué)的原理與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)等相關(guān)學(xué)科知識交叉滲透，培養(yǎng)了學(xué)生綜合分析問題和解決問題的能力。同時(shí)由于光學(xué)測量及計(jì)算機(jī)圖像處理等新的實(shí)驗(yàn)手段的引入，激發(fā)了學(xué)生對本專業(yè)的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

組合網(wǎng)架模型由實(shí)心鋁材制作，可在材料的線彈性范圍內(nèi)多次重復(fù)測試，因此適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)由于模型是通過桿件和節(jié)點(diǎn)組合而成，因此學(xué)生可以發(fā)揮主觀能動性，自主設(shè)計(jì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、加載方式以及支撐方式，為增加學(xué)生的知識面和拓展學(xué)生的思維方式提供了方便的途徑。

[1]蔣明.斜拉橋模型綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2008，30(6):88 - 90.

[2]謝靈，朱艷峰.二層剛架動靜態(tài)綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐，2006，28(6):83 - 85.

[3]吳新如，王習(xí)術(shù).激發(fā)大學(xué)生材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)動手與分析的能動性[J].力學(xué)與實(shí)踐，2006，28(6):81 -83.

[4]Schreier Hubert W.Investigation of Two and Three-dimensional Image Correlation Techniques with Applications in Experimental Mechanics[D].Columbia:University of South Carolina，2003.

Design and Research on Comprehensive Experiment of Composite Grids Structure

FANG Liang WANG Wen-yong JIANG Ming

(School of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011)

A comprehensive experiment of pyramid grids structure is designed for students training of civil engineering and engineering mechanics.This experiment requires students to design the experimental program themselves，and use straining electrometric method and digital image correlation method and finite element method to test the displacement and axial force and material properties of pyramid grids.Through this experiment，the students may master the principles of experimental mechanics with material mechanics and structural mechanics and computational mechanics and other related subjects，and their capabilities of comprehensive analysis and independent innovation may improved.

pyramid grids;comprehensive experiment;straining electrometric method;digital image correlation method(DICM)

TU32.03

B

1671-0436(2011)03/04-0046-04

2011-05-18

房亮(1983— )，男，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師。

責(zé)任編輯:張秀蘭