【壓桿穩(wěn)定綜合試驗(yàn)機(jī)】
功能/作用介紹：
壓桿穩(wěn)定綜合實(shí)驗(yàn)機(jī)是在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)的跨課程綜合實(shí)驗(yàn)裝置，主要針對(duì)用材料力學(xué)方法測(cè)量壓桿穩(wěn)定臨界值一直存在實(shí)驗(yàn)過(guò)程與壓桿穩(wěn)定理論條件不一致的問(wèn)題。裝置設(shè)計(jì)應(yīng)用振動(dòng)力學(xué)原理和方法、傳感技術(shù)和虛擬儀器測(cè)試技術(shù)，解決了工科力學(xué)中壓桿穩(wěn)定臨界值的精確測(cè)量問(wèn)題，以及工程中實(shí)際受壓桿不允許被壓至臨界狀態(tài)的臨界值測(cè)量難題。這一試驗(yàn)設(shè)計(jì)將《振動(dòng)力學(xué)》和《材料力學(xué)》兩門課程知識(shí)融合一起，能同時(shí)用振動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)兩種方法完成受壓桿件臨界壓力測(cè)量，并能比較兩種不同實(shí)驗(yàn)方法所得結(jié)果，實(shí)現(xiàn)跨課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。裝置設(shè)計(jì)使得細(xì)長(zhǎng)桿不僅在壓力狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)臨界壓力確定，還能在拉力狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)臨界壓力確定，避免了細(xì)長(zhǎng)桿受壓過(guò)程中桿件變形及約束等敏感因素對(duì)測(cè)定值的影響。裝置設(shè)計(jì)在2007年11月獲國(guó)家發(fā)明專利;09年獲省教學(xué)成果一等獎(jiǎng);2010年被編入國(guó)家級(jí)力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心特色實(shí)驗(yàn)成果匯集，在全國(guó)高校推廣、示范。
裝置的設(shè)計(jì)特色：壓桿穩(wěn)定綜合實(shí)驗(yàn)機(jī)包括：試驗(yàn)機(jī)座、左裝卡支撐系統(tǒng)、右裝卡支撐系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng)、測(cè)量試件撓度和橫向振動(dòng)的位移傳感器，以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。其中設(shè)計(jì)具有：
?、贆C(jī)動(dòng)、手動(dòng)兩種加載方式，其中加載手輪同時(shí)可以充當(dāng)判斷機(jī)動(dòng)加載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向、快慢的標(biāo)志，便于操作;
②無(wú)級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)和滾珠絲杠進(jìn)給系統(tǒng)，能保證該裝置在額定最低進(jìn)給速度0.05mm/min時(shí)，無(wú)爬行現(xiàn)象;
?、蹆H用一個(gè)傳感器即可完成撓度與振動(dòng)信號(hào)的無(wú)接觸測(cè)量;信噪比高，保證了信號(hào)分析的質(zhì)量;
?、芾?、壓兩用的多種約束結(jié)構(gòu)，使細(xì)長(zhǎng)桿不僅在壓縮狀態(tài)下完成臨界載荷測(cè)量，還能在拉伸狀態(tài)下完成臨界載荷測(cè)量;
?、荨疤摂M分析儀”中的頻譜分析功能代替了傳統(tǒng)的頻譜分析儀，并能給出兩種實(shí)驗(yàn)曲線：材料力學(xué)的載荷—撓度曲線和振動(dòng)力學(xué)的頻率—載荷曲線。
設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：處于直線平衡狀態(tài)的壓桿(或拉桿)受橫向干擾力作用，會(huì)發(fā)生微小彎曲。對(duì)于普通材料的受壓桿，其結(jié)構(gòu)阻尼很小，在干擾消除后，受壓桿必然會(huì)以其原來(lái)的直線平衡位置為中心往復(fù)振動(dòng)，最后靜止在原來(lái)的直線平衡位置上。但如果原來(lái)的直線平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，受壓桿處于臨界平衡狀態(tài)，則在干擾消除后，撓曲線就會(huì)保持其彎曲狀態(tài)而不能回到其原來(lái)的直線位置。這說(shuō)明處于臨界平衡狀態(tài)的受壓桿，在干擾消除后不能以其原來(lái)的直線平衡位置為中心往復(fù)振動(dòng)，或說(shuō)成是振動(dòng)的頻率變?yōu)榱悖撬谠瓉?lái)的直線平衡位置失穩(wěn)的標(biāo)志。
在軸向載荷作用下，細(xì)長(zhǎng)桿在直線平衡位置作橫向微幅振動(dòng)時(shí)，各階固有頻率的平方與軸向載荷成線性關(guān)系。而我們需要的只是使壓桿失穩(wěn)的最小壓力，這個(gè)最小壓力對(duì)應(yīng)第1階固有圓頻率等于零，這樣只需考慮1階固有圓頻率的情況：式中是取決于受壓桿尺寸、材料和邊界條件的常數(shù)。此公式即是用振動(dòng)方法測(cè)量壓桿臨界壓力的理論基礎(chǔ)。
使用方便、操作空間大：壓桿穩(wěn)定綜合試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力頭對(duì)桿施加軸向壓力(或拉力)。只要軸向壓力不大，受壓桿的直線平衡狀態(tài)就是穩(wěn)定的，橫向輕微敲擊，受壓桿(或拉桿)就會(huì)在原來(lái)的直線平衡位置上作自由振動(dòng)，最后仍然靜止在直線平衡位置上。將位移傳感器測(cè)量的振動(dòng)信號(hào)或撓度信號(hào)、測(cè)力傳感器測(cè)量的軸向力信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，可得若干不同載荷下的1階固有頻率及，再用最小二乘法可得以為橫坐標(biāo)、以為縱坐標(biāo)的實(shí)驗(yàn)曲線。由實(shí)驗(yàn)原理，該實(shí)驗(yàn)曲線一定是直線分布。
壓桿失穩(wěn)的動(dòng)力學(xué)標(biāo)志是自由振動(dòng)的頻率等于零，因此，可從實(shí)驗(yàn)直線做延長(zhǎng)線與坐標(biāo)軸相交，坐標(biāo)軸上的交點(diǎn)即為臨界壓力的實(shí)驗(yàn)值。此臨界壓力實(shí)驗(yàn)值與歐拉公式給出的臨界壓力理論值十分接近。
此外，測(cè)力傳感器和位移傳感器的信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)處理后，還可得到用材料力學(xué)方法的臨界壓力。進(jìn)一步可分析、比較兩種不同實(shí)驗(yàn)方法所得的結(jié)果。
本綜合試驗(yàn)機(jī)水平臥式、沒(méi)有導(dǎo)向柱的結(jié)構(gòu)布置，使得實(shí)驗(yàn)者的操作空間和學(xué)生的觀察空間遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)空間，整體結(jié)構(gòu)輕巧，加載方式可以機(jī)動(dòng)，也可以手動(dòng)，在機(jī)動(dòng)加載時(shí)手輪還可以顯示電動(dòng)機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。
開(kāi)發(fā)及應(yīng)用：裝置的研制是用不同課程的理論、實(shí)驗(yàn)方法完成同一實(shí)驗(yàn)，有意識(shí)將不同力學(xué)課程的知識(shí)貫通于同一實(shí)驗(yàn)中，以更高的標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量完成這一實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為學(xué)生開(kāi)出設(shè)計(jì)新穎、功能獨(dú)特、具有應(yīng)用價(jià)值的特色實(shí)驗(yàn)，為創(chuàng)新教學(xué)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)建立創(chuàng)新環(huán)境;它是哈工大教育質(zhì)量工程建設(shè)的一部分。壓桿穩(wěn)定的綜合實(shí)驗(yàn)于2000年9月即在哈工大國(guó)家工科力學(xué)基地立項(xiàng)、開(kāi)發(fā)，2003年9月，前期工作《振動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)關(guān)于壓桿穩(wěn)定的綜合實(shí)驗(yàn)裝置》通過(guò)校內(nèi)專家鑒定，并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，2005年夏季，改進(jìn)版的“壓桿穩(wěn)定綜合試驗(yàn)機(jī)(簡(jiǎn)稱HIT-YWZS-A)”研制工作完成，目前已應(yīng)用教學(xué)12年。
完成單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院
作品名稱：壓桿穩(wěn)定綜合試驗(yàn)機(jī)
