【便攜式多功能材料力學教具】

　　作品簡介

　　材料力學是機械類的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是解決工程實際問題的重要理論基礎(chǔ)。目前，材料力學在教學過程中主要分為理論教學和實驗教學兩部分。

　　目前市場上存在電子萬能試驗機、彎曲試驗機、扭轉(zhuǎn)試驗機、壓桿穩(wěn)定試驗機以撓度試驗機等多種單一功能的材料力學實驗設(shè)備。但是功能集成的產(chǎn)品少，集成度不高，適用范圍也有極大的局限性。與此同時，材料力學理論課堂教學形式單一，降低了學生上課的學習效率以及教師教學的授課質(zhì)量?；谏鲜鰡栴}，我們創(chuàng)新設(shè)計了一款集拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、撓曲線方程的驗證以及壓桿穩(wěn)定六種功能于一體的便攜式多功能材料力學教具。旨在課堂上將實驗現(xiàn)象及結(jié)果實時地進行視頻展示，實現(xiàn)理論課堂教學與實驗教學的同步進行。本作品不僅能作為教具輔助教師進行教學，豐富教學形式，還能作為實驗平臺供學生自主動手探究學習，提高同學們的學習興趣。

　　便攜式多功能材料力學教具結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計科學合理，具有小型化及便攜式的特點，通過創(chuàng)新設(shè)計的聯(lián)動式離合切換裝置實現(xiàn)本作品在多種功能間的聯(lián)動轉(zhuǎn)換，能在一款教具上完成拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、撓曲線方程的驗證以及壓桿穩(wěn)定六種材料力學實驗。機械系統(tǒng)的合理設(shè)計使得教具可以完整的演示六種實驗現(xiàn)象，為了更好的顯示材料力學實驗現(xiàn)象以及更好的講解不同材料的力學性能，我們自主研發(fā)了一款上位機軟件和一套數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。上位機軟件界面分為兩部分，一部分是在實驗過程中通過高清攝像頭捕捉到的實時實驗現(xiàn)象;另一部分是通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集實時描點的力學性能曲線。通過將實時實驗現(xiàn)象和實時實驗曲線在同一個軟件界面顯示，并通過投影設(shè)備放大，達到了理論教學與實驗教學相統(tǒng)一的目的。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則是由伺服驅(qū)動器、拉壓力傳感器、數(shù)字變送器、光電碼盤傳感器、數(shù)顯功率計、高清攝像頭、電源及自主開發(fā)的上位機軟件等組成，可以將實驗過程中的數(shù)據(jù)實時傳遞給上位機軟件，從而在界面上繪制出力學性能曲線。目前本教具已獲得國家發(fā)明專利受理。

　　除此之外，本教具還具有成本低廉的優(yōu)點，整套裝置的成本價大約在8000元左右，其中各類實驗試樣均可由學生自制完成。同時，若將本教具投入量產(chǎn)，則其成本價將會更加低廉。然而目前市場上的材料力學實驗機不僅功能單一，而且單臺實驗機的價格少則幾萬元，多則幾十萬元，成本大大高于集多種功能于一身的本力學教具。表1是市場上的單一功能實驗機與本力學實驗機各方面參數(shù)的對比。

　　表1 單一功能設(shè)備與本實驗設(shè)備參數(shù)對比

　　設(shè)備名稱功 能尺 寸

　　(mm×mm×mm)重量(kg)成本

　　(萬元)承載

　　能力精度

　　單一實驗設(shè)備電子萬能試驗機拉伸、壓縮實驗830×550×200072020.050kN高

　　純彎曲梁

　　教學試驗臺彎曲實驗800×500×100452.010kN高

　　扭轉(zhuǎn)試驗機扭轉(zhuǎn)實驗1690×430×10905505.0500Nm高

　　撓度試驗機撓曲線方程

　　驗證實驗800×550×20006001040KN高

　　壓桿穩(wěn)定試驗機壓桿穩(wěn)定實驗200×200×6107.51.02kN高

　　本實驗設(shè)備便攜式多功能材料力學教具以上所有實驗350×250×610160.817kN/

　　48Nm較高

　　1拉伸實驗

　　啟動電機使試樣軸向受拉力直至斷裂。通過自主研制的實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時采集力與位移的數(shù)據(jù)，在屏幕上描點繪圖。并應(yīng)用多媒體技術(shù)實時將拉伸破壞現(xiàn)象和結(jié)果進行視頻展示，通過觀察低碳鋼在拉伸過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗低碳鋼在拉伸時的力學性能。

　　2壓縮實驗

　　啟動電機使試樣軸向受壓力直至斷裂。與拉伸實驗類似，通過觀察鎂合金在壓縮過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗鎂合金在壓縮時的力學性能。

　　3彎曲實驗

　　啟動電機使試樣受彎矩作用產(chǎn)生變形。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，計算得出沿截面高度方向上不同點之間的正應(yīng)力，并應(yīng)用多媒體技術(shù)實時將彎曲實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行視頻展示，通過觀察彎曲梁在彎曲試驗過程中的變形以及彎曲正應(yīng)力沿截面高度方向分布的力學性能曲線，驗證平面假設(shè)的正確性，即橫截面上正應(yīng)力的大小沿高度線性分布。

　　4扭轉(zhuǎn)實驗

　　啟動電機使試樣周向受扭轉(zhuǎn)力直至斷裂。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時采集扭矩與扭轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用多媒體技術(shù)實時將扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象和結(jié)果進行視頻展示，通過觀察低碳鋼在扭轉(zhuǎn)過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗低碳鋼扭轉(zhuǎn)時的力學性能。

　　5撓曲線方程驗證實驗

　　啟動電機使試樣受彎矩作用產(chǎn)生變形。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實時采集彎矩與撓度的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用多媒體技術(shù)實時將實驗現(xiàn)象和結(jié)果進行視頻展示，通過觀察彎曲梁受彎矩作用變形現(xiàn)象，以及所受載荷與產(chǎn)生最大撓度之間的力學性能曲線，驗證簡單撓曲線方程的正確性。

　　6 壓桿穩(wěn)定實驗

　　啟動電機使試樣軸向受壓力直至壓桿出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時采集中間撓度與載荷的數(shù)據(jù)，并應(yīng)用多媒體技術(shù)實時將壓桿失穩(wěn)現(xiàn)象和結(jié)果進行視頻展示，通過觀察彈簧鋼在壓桿穩(wěn)定過程中變形過程以及力學性能曲線，檢驗彈簧鋼的失穩(wěn)理論并驗證歐拉公式的正確性。

　　作品名稱：便攜式多功能材料力學教具

　　完成單位：武漢理工大學