【摘要】本文展示了一種可以測定開口薄壁梁彎曲中心的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置包括開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)與加載測量系統(tǒng)。試驗(yàn)設(shè)計采用懸臂梁加載的方式。豎向加載系統(tǒng)提供橫力作用且能顯示力值大小，水平位移系統(tǒng)測量扭轉(zhuǎn)變形。通過記錄某一橫力作用下的扭轉(zhuǎn)變形，可以確定加載位置是否處于彎曲中心。通過調(diào)節(jié)開口薄壁梁的水平位置，尋找出扭轉(zhuǎn)變形等于零的加載位置，該加載位置即為彎曲中心。本發(fā)明所指的試驗(yàn)裝置可以針對不同橫截面的開口薄壁梁進(jìn)行彎曲中心的測量，測量準(zhǔn)確度高，能實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)，測量過程直觀、簡便、快捷，避免了復(fù)雜截面的繁冗計算，具有一定應(yīng)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】開口薄壁梁;彎曲中心;實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

引言

開口薄壁梁在工程中有著廣泛的應(yīng)用。如土木橋梁工程、海洋船舶工程、航空航天工程中的高聳結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)等經(jīng)常采用一些開口薄壁截面梁。對開口薄壁截面梁。當(dāng)橫力作用平面平行于形心主慣性平面且通過截面內(nèi)某一特定點(diǎn)時，薄壁截面梁只發(fā)生彎曲而不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，則該點(diǎn)為彎曲中心。彎曲中心也稱為剪力中心或扭轉(zhuǎn)中心。若橫力沒有作用于彎曲中心，薄壁截面梁在發(fā)生彎曲的同時，還將發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

目前，對于開口薄壁截面梁的彎曲中心的確定一般采用材料力學(xué)的理論進(jìn)行計算獲得。但實(shí)際工程采用的開口薄壁截面形狀會千變?nèi)f化，對于一些不規(guī)則截面，彎曲中心的計算就顯得相對困難。雖然計算機(jī)輔助設(shè)計能夠幫助確定彎曲中心，但卻無法考慮工程構(gòu)件實(shí)際制作過程的離散性所引起的偏差，比如，構(gòu)件薄壁尺寸的不均勻性、實(shí)際加工的尺寸偏差等。因此，通過試驗(yàn)測定實(shí)際構(gòu)件的彎曲中心有著重要的現(xiàn)實(shí)工程意義。

本發(fā)明介紹一種通過試驗(yàn)測定開口薄壁懸臂梁的彎曲中心的裝置。通過該裝置測定的開口薄壁梁彎曲中心會考慮到工程構(gòu)件實(shí)際制作過程的離散性所引起的偏差。利用該裝置對復(fù)雜截面開口薄壁梁的彎曲中心進(jìn)行確定更簡便快捷。

1.試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1所示為開口薄壁梁彎曲中心的試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖。

機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：

（1）開口薄壁梁

（2）固定座

（3）臺座

（4）軌道

（5）橫向調(diào)節(jié)手輪

（6）鎖緊螺釘

（7）水平調(diào)節(jié)螺母

（8）門字形加載架

（9）刻度盤

（10）加力手輪

（11）渦輪蝸桿減速器

（12）壓頭

（13）力傳感器

（14）力值顯示器

（15）水平千分表

圖1 開口薄壁梁彎曲中心試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 裝配及實(shí)現(xiàn)過程

開口薄壁懸臂梁彎曲中心測定試驗(yàn)裝置分為開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)與加載測量系統(tǒng)兩部分。

開口薄壁梁固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)成如下：開口薄壁梁1一端固定在固定座2上，固定座可在臺座3的軌道4上水平滑動，滑動方向處于開口薄壁梁1的橫截面平面內(nèi)。水平滑動的實(shí)現(xiàn)是通過橫向調(diào)節(jié)手輪5的轉(zhuǎn)動完成，橫向調(diào)節(jié)手輪的轉(zhuǎn)動可通過其上面的刻度盤9讀取水平調(diào)節(jié)的距離。固定座與滑道間燕尾型滑動連接，滑道與臺座間用螺栓緊固連接。進(jìn)行測試時，應(yīng)采用鎖緊螺釘6對固定座進(jìn)行固定，防止測試過程出現(xiàn)水平滑動。臺座底部設(shè)有四個水平調(diào)節(jié)螺母7，測量前，應(yīng)首先調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺母，確保臺座處于水平狀態(tài)。

加載測量系統(tǒng)構(gòu)成如下：門字形加載架8固定在臺座上。轉(zhuǎn)動加載手輪10可驅(qū)動渦輪蝸桿減速器系統(tǒng)11，進(jìn)而帶動壓頭12對開口薄壁梁1的懸臂端施加豎向作用力。在壓頭上部連接一測力傳感器13，力傳感器的力值大小通過力值顯示器14顯示。在開口薄壁梁的自由端橫截面的側(cè)面上下位置各設(shè)置一水平千分表15，水平千分表要與開口薄壁梁1的縱向軸線垂直。

2.開口薄壁梁彎曲中心試驗(yàn)裝置的工作過程

調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺母7，使得臺座3處于水平狀態(tài)，采用水準(zhǔn)尺對臺座的水平狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)。安裝要測量的開口薄壁梁1，開口薄壁梁的一端與固定座2剛性連接在一起，注意采用水準(zhǔn)尺對開口薄壁梁的水平度進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其處于水平狀態(tài)。選擇任一位置，旋轉(zhuǎn)鎖緊螺釘6固定。打開儀器電源開關(guān)，啟動力值顯示器14，調(diào)零。安裝水平千分表15，使其分別位于開口薄壁梁自由端兩側(cè)的靠近上下表面的側(cè)面位置，并調(diào)節(jié)水平，調(diào)零或記錄初始讀數(shù)。轉(zhuǎn)動加力手輪10，使得壓頭12與開口薄壁梁的上表面接觸，并施加一定力，要注意該力值不可過大，要確保開口薄壁梁處于彈性狀態(tài)。記錄兩個水平千分表的讀數(shù)。轉(zhuǎn)動加力手輪卸載，使得壓頭與開口薄壁梁分離。卸除水平千分表，松開鎖緊螺釘，轉(zhuǎn)動橫向調(diào)節(jié)手輪5，使得固定座在軌道4上滑動。確定一個與前面測試不同的位置，鎖緊螺釘。重復(fù)上述過程直到兩個水平千分表顯示無扭轉(zhuǎn)變形為止，記錄此時的壓頭在開口薄壁梁上表面的加載點(diǎn)位置，該位置即為彎曲中心位置。

3.開口薄壁梁彎曲中心理論分析

以工程中比較常見的槽型截面為例，假設(shè)槽型截面梁腹板與翼緣厚度均為t，設(shè)外力與形心主慣性平面yz平行，根據(jù)剪力流特性，截面上剪力如流水一樣總是連續(xù)的，根據(jù)材料力學(xué)理論公式：

同時得出在腹板上剪應(yīng)力的合力正好等于橫截面上所有的剪力Q。翼緣上剪應(yīng)力的合力T為剪應(yīng)力三角形面積乘以翼緣厚度t，即：

按照靜力等效原理合成一個力Q的作用，如圖所示，根據(jù)力矩平衡方程：

Q·e-T·h=0

得到：

4.結(jié)論

該試驗(yàn)裝置作為工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革成果之一，已被列入我學(xué)部基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，通過加入電測方法，測量彎曲中心及內(nèi)力分量，充分體現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)的綜合性與設(shè)計性，在我校的教學(xué)改革實(shí)踐當(dāng)中起到了積極的示范作用。

參考文獻(xiàn)

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