一種多層框架教學實驗模型制造技術

本實用新型專利技術提供一種多層框架教學實驗模型。該多層框架教學實驗模型包括多層框架結構、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設備；靜力加載裝置中的蝸輪蝸桿升降機通過旋轉蝸輪蝸桿升降機上的手輪，實現對框架架結構的加載與卸載，并通過力傳感器在計算機上顯示所加荷載。本實用新型專利技術能夠用于位移法實驗、雙自由度體系的自由振動實驗、雙自由度體系的強迫振動實驗和近似法求三層剛架基頻實驗。本實用新型專利技術的有益效果為實驗模型靈活可變，學生可在不同參數下獨立進行試驗，所得實驗結果與結構力學計算所得理論值相比誤差很小，適合高校開展相關教學實驗及進一步設計拓展。

【技術實現步驟摘要】
一種多層框架教學實驗模型
本專利技術屬于土木工程專業結構力學實驗教學領域，涉及一種多層框架教學實驗模型，可用于位移法實驗、雙自由度體系的自由振動實驗、雙自由度體系的強迫振動實驗、近似法求三層框架基頻實驗。
技術介紹
結構力學是高等院校土木工程專業必修的學科，其中多層框架是結構力學教學中的重要模型，此模型涉及到的兩類問題(位移法求解超靜定結構問題、剛度法求解結構動力特性及動力響應問題)均為結構力學經典教學例題。位移法是結構力學求解超靜定結構在靜力荷載下內力和位移的基本方法。超靜定結構在計算上不同于靜定結構，超靜定結構的內力不能單從靜力平衡條件求出，必須同時考慮變形協調條件。為了計算問題的方便，常在超靜定結構的所有未知量中選取其中一部分作為基本未知量。位移法便是取某些位移作基本未知量，根據靜力平衡條件求解超靜定結構的一種方法。剛度法是結構力學求解結構動力特性的基本方法。剛度法從力系平衡角度建立微分方程，其中考慮慣性力作用，通過求解方程得到結構動力特性及動力響應。目前高等院校結構力學的教學方法主要是理論教學，由于缺少對相關理論的實驗驗證，難免會導致部分同學對相關理論的理解不夠深入，甚至對相關理論產生懷疑。在高等院校結構力學的日常教學中引入實驗內容是今后結構力學教學發展的必然趨勢。本專利技術多層框架教學實驗模型中,加載裝置部分的靜力加載裝置與本課題組已經公開的中國專利(2015107123346一種將力法直觀化的教學實驗裝置；2015107079593一種將位移法直觀化的教學實驗裝置)中的內容相似，公開的內容在在整個裝置中的僅起到加載作用，不為本專利技術的創新結構，本專利技術激振器加載裝置、振動臺加載裝置基其他結構與之前專利公開的內容完全不同，本專利技術能夠能夠用于位移法實驗、雙自由度體系的自由振動實驗、雙自由度體系的強迫振動實驗和近似法求三層剛架基頻實驗。
技術實現思路
本專利技術針對目前結構力學教學中缺少相關實驗內容的現狀，能夠實現結構力學教學內容的實驗化，實現對位移法理論、剛度法理論的驗證，并通過實驗與理論的差別找出實驗誤差的原因，使學生在親身實踐和分析中，更深入的理解結構力學的理論知識。本專利技術的技術方案如下：一種多層框架教學實驗模型包括多層框架結構、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設備。所述的多層框架結構包括多個橫梁3、底層梁4、兩個立柱5、橫梁夾具6和底層梁夾具7；所述的橫梁數目根據實驗需要調整，為1至3個，每個橫梁的高度和質量均能夠調整，橫梁與質量塊8連接，調整橫梁質量；所述的每個橫梁兩端通過橫梁夾具6與立柱5夾持連接，實現梁柱剛性連接；所述的底層梁4兩端通過底層梁夾具7與立柱5底端夾持連接，實現梁柱剛性連接；底層梁4中部與小車平臺連接。由于橫梁剛度遠大于立柱剛度，可以視橫梁剛度相對于立柱剛度無窮大，當多層框架結構只受橫向荷載時，可認為梁柱節點處無角位移，只有線位移。所述的靜力加載裝置包括蝸輪蝸桿升降機9、力傳感器10、球鉸11、加載桿12、螺紋轉換桿13、立柱加載夾具14；所述的蝸輪蝸桿升降機9一端與小車平臺15固定連接，小車平臺15安裝到反力架1導軌上，小車平臺15能夠沿反力架1導軌任意調整位置；所述的蝸輪蝸桿升降機9另一端與力傳感器10一端連接；所述的力傳感器10的另一端、球鉸11、加載桿12、螺紋轉換桿13的一端依次通過螺紋連接；所述的螺紋轉換桿13的另一端通過螺紋與橫梁夾具6連接，橫梁夾具6側面有匹配的螺紋孔；或者螺紋轉換桿13的另一端通過螺紋與立柱加載夾具14連接，立柱加載夾具14通過夾持的方式安裝在立柱5的任一位置。所述的球鉸11通過其自身的自由轉動避免加載裝置對框架結構產生彎矩的影響，實驗者加載或卸載時，能夠通過旋轉蝸輪蝸桿升降機上的手輪，實現對框架結構的加載與卸載，并通過力傳感器10在計算機上顯示所加荷載。所述的激振器加載裝置包括激振器16、轉接板17、連接桿18、功率放大器和振動控制儀；所述的激振器16一端通過螺栓與轉接板17固定連接，轉接板17再與小車平臺15相連；所述的激振器16另一端通過螺紋與連接桿18連接，連接桿18通過螺紋與橫梁夾具6連接；激振器16通過數據線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者控制激振器16，激發動力荷載，并通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調整激振力幅值。所述的振動臺加載裝置包括大功率激振器19、激振器固定裝置20、振動臺底板21和連接板22；所述的激振器固定裝置20與振動臺底板21的底端均通過螺栓與實驗室地面連接；所述的大功率激振器19通過螺栓與激振器固定裝置20一側固定連接；連接板22通過滾珠與振動臺底板21上部連接，所述的連接板22與振動臺底板21能夠相對滑動，連接板22上設有螺栓孔；底層梁4通過螺栓與連接板22連接；所述的大功率激振器19通過數據線與功率放大器、振動控制儀相連，后兩者用來控制大功率激振器19，激發動力荷載，通過電腦輸入激振頻率，通過振動控制儀上的增益旋鈕調整激振力幅值。所述的測量設備包括力傳感器10、加速度傳感器24和千分表。所述的力傳感器測量蝸輪蝸桿升降機對多層框架結構所施加的靜荷載值；所述的千分表，表體通過磁性表座固定在表架上，測量桿可直接接觸在多層框架結構的任意位置，用來測量多層框架結構在靜荷載作用下的各點位移；所述的加速度傳感器可固定在多層框架結構橫梁夾具6上，用來測量多層框架結構在動力荷載作用下的橫梁的絕對加速度值。千分表可以直接在自帶的液晶屏上讀數，其它測量設備通過數據線與計算機連接，并通過計算機中的數據采集分析系統使各項數據可視化。上述多層框架教學實驗模型能夠用于位移法實驗、雙自由度體系的自由振動實驗、雙自由度體系的強迫振動實驗和近似法求三層框架基頻實驗，具體實驗步驟如下：當上述多層框架教學實驗模型用于位移法實驗時，具體步驟如下：第一步，組裝兩層框架結構，并確定各實驗點位置，底層梁4兩端標注A、B，第一層橫梁3標注C、D，第二層橫梁3標注E、F，A、C、E位于左側立柱，B、D、F位于右側立柱；F和D的中部標注G。測試橫梁3之間的間距，即AC、CE、BD、DF的長度，對多層框架教學實驗模型進行預加載，并平衡力傳感器。第二步，在G點通過靜力加載裝置施加荷載Fp，測出第一層橫梁3的水平位移ΔCD實測和第二層橫梁3的水平位移ΔEF實測。第三步，重復第二步實驗至少三次。第四步，在第一層橫梁3C點和第二層橫梁3E點分別通過兩個靜力加載裝置同時施加水平約束，如圖7組裝實驗裝置，在G點施加荷載Fp，測出C點和E點兩個靜力加載裝置的反力VCP和VEP。第五步，重復第四步實驗至少三次。第六步，去除G點的靜力加載裝置，平衡力傳感器；在C點施加分級水平位移ΔC，測出C點和E點兩個靜力加載裝置的反力VCC和VEC；加載到最高級位移后，卸載。第七步，重復第六步實驗至少三次，通過公式求出剛度系數kCC、kEC。第八步，平衡力傳感器，在E點施加分級水平位移ΔE，測出C點和E點兩個靜力加載裝置的反力VCE和VEE；加載到最高級位移后，卸載。第九步，重復第八步實驗至少三次，通過公式求出剛度系數kCE和kEE。第十步，以上步驟得到的結果根據位移法基本方程組，求出推導值ΔCD推導、ΔEF推導。第十一步，對比分析ΔCD實測、ΔEF實測本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多層框架教學實驗模型，其特征在于，包括多層框架結構、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設備；所述的多層框架結構包括多個橫梁(3)、底層梁(4)、兩個立柱(5)、橫梁夾具(6)和底層梁夾具(7)；所述的每個橫梁兩端通過橫梁夾具(6)與立柱(5)夾持連接，實現梁柱剛性連接；所述的底層梁(4)兩端通過底層梁夾具(7)與立柱(5)底端夾持連接，實現梁柱剛性連接；底層梁(4)中部與小車平臺連接；所述的激振器加載裝置包括激振器(16)、轉接板(17)、連接桿(18)、功率放大器和振動控制儀；所述的激振器(16)一端與轉接板(17)固定連接，轉接板(17)再與小車平臺(15)相連；所述的激振器(16)另一端與連接桿(18)連接，連接桿(18)與橫梁夾具(6)連接；激振器(16)通過數據線與功率放大器、振動控制儀相連；所述的振動臺加載裝置包括大功率激振器(19)、激振器固定裝置(20)、振動臺底板(21)和連接板(22)；所述的激振器固定裝置(20)與振動臺底板(21)的底端均安裝在實驗室地面；所述的大功率激振器(19)與激振器固定裝置(20)一側固定連接；連接板(22)通過滾珠與振動臺底板(21)上部連接，所述的連接板(22)與振動臺底板(21)能夠相對滑動；底層梁(4)通過與連接板(22)連接；所述的大功率激振器(19)通過數據線與功率放大器、振動控制儀相連；所述的靜力加載裝置中的蝸輪蝸桿升降機(9)通過力傳感器(10)在計算機上顯示所加荷載；所述的測量設備包括力傳感器(10)、加速度傳感器(24)和千分表；所述的千分表通過磁性表座固定在表架(25)上；所述的加速度傳感器固定在多層框架結構橫梁夾具(6)上；測量設備通過數據線與計算機連接，并通過計算機中的數據采集分析系統使各項數據可視化。...

【技術特征摘要】
1.一種多層框架教學實驗模型，其特征在于，包括多層框架結構、靜力加載裝置、激振器加載裝置、振動臺加載裝置和測量設備；所述的多層框架結構包括多個橫梁(3)、底層梁(4)、兩個立柱(5)、橫梁夾具(6)和底層梁夾具(7)；所述的每個橫梁兩端通過橫梁夾具(6)與立柱(5)夾持連接，實現梁柱剛性連接；所述的底層梁(4)兩端通過底層梁夾具(7)與立柱(5)底端夾持連接，實現梁柱剛性連接；底層梁(4)中部與小車平臺連接；所述的激振器加載裝置包括激振器(16)、轉接板(17)、連接桿(18)、功率放大器和振動控制儀；所述的激振器(16)一端與轉接板(17)固定連接，轉接板(17)再與小車平臺(15)相連；所述的激振器(16)另一端與連接桿(18)連接，連接桿(18)與橫梁夾具(6)連接；激振器(16)通過數據線與功率放大器、振動控制儀相連；所述的振動臺加載裝置包括大功率激振器(19)、激振器固定裝置(20)、振動臺底板(21)和連接板(22)；所述的激振器固定裝...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳廷國，謝鵬，李映雪，胡喬元，任珵嬌，勾國勇，王祖能，段迪，陳璨，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：新型
國別省市：遼寧,21