一种一体化多功能材料力学教具的制作方法

本实用新型公开了一种一体化多功能材料力学教具，属于教学用具领域。

背景技术：

《材料力学》是以杆件为研究对象，分析杆件在受力后的内力、应变、应力及强度、刚度和稳定性等问题；因为杆件变形后的内力、应力都是处于研究对象实物内部，不仅概念抽象，而且在课堂讲授中给学生理解也带来了相当大的难度。众多高校材料力学教师在讲解材料力学的几种基本变形和组合变形时，通常所采用的教学手段就是语言表述和少量播放动画；学生对于理论的思维理解主要就来自大量的动画演示，而有学生表示当没有动画效果演示或者教师使用的语言较为专业化的时候，对于相关思维的转变就显得迟钝或者几乎不明其意，甚至有的同学还怀疑这些动画的真实性。

目前，虽有多家教具公司和一些高校对材料力学的基本变形展开研究并进行教具开发，但均以试验机的形式展现，仅仅适用于实验室操作，并无法实现课堂教学。

武汉理工大学基于材料力学的基本变形开发出一款力学教具并获得国家专利，但因其操作不便，结构复杂，体积庞大，导致无法在课堂上作为教具使用而得不到推广。西华大学自研的互动式普及型-材料力学创新实验平台综合了材料力学各试验和材料变形于一体，目前已在全国十多所工科重点大学中得到推广使用，但始终由于庞大的身躯只能停留在实验室。因此目前国内的课堂力学教具开发仍处于初级阶段，有巨大的开发潜力和市场。

为了将实验室所具备的功能随堂展现给学生，一体化多功能材料力学教具旨在突破材料力学抽象教学的瓶颈，在杆件受任意力系作用下，通过客观的变形量和必要的数据量反映出材料变化规律，以肉眼能见的指标范围作为材料变形区度，进一步体现出理论知识的真实性，以切实可见的变化突出材料变形的特点，将动画效果淋漓尽致的展现在教具上，使学生在抽象思维理解方面更上一层楼，加深同学们对材料力学各阶段学习的印象，使得师生之间的授与学更加轻松。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有材料力学授课方式上的抽象性，摆脱笨重的实验操作平台，提供了一种一体化多功能材料力学教具，具有使课堂与实验相结合，使得学习与理解顺利衔接，对材料的变形一目了然的特点。

本实用新型提供的技术方案为：

一种一体化多功能材料力学教具，包括：教具架体、两个轴向加载总成、两个轴向扭转总成、两个连接轴、两个夹持总成、弯曲加载总成、径向加载总成和两个支架，所述教具架体包括：底盘、横梁和纵梁，所述横梁两端固定在所述底盘两端，所述纵梁的一端固定在所述横梁中部，所述纵梁的另一端固定在所述底盘后部，所述底盘上设有对称的滑槽，两个所述轴向加载总成分别设置在所述滑槽内，两个所述支架分别设置在两个所述轴向加载总成上，两个所述夹持总成分别设置在两个支架相对侧，两个所述轴向扭转总成分别设置在横梁外部两侧，两个所述轴向扭转总成分别通过两个连接轴与两个所述夹持总成相连接，所述弯曲加载总成设置在所述横梁内侧顶部且设置在两个夹持总成之间，所述径向加载总成设置在所述纵梁中间处。

优选的是，所述轴向加载总成包括丝杠和手柄，所述手柄固定在所述丝杠的一端上，所述丝杠穿过所述支架且可旋转设置在所述滑槽两端。

优选的是，所述夹持总成包括：第一夹持板、第二夹持板、第三夹持板、第四夹持板、限制板、第一调节轴、第一调节板、第二调节板和第二调节轴，所述第一夹持板、第二夹持板、第三夹持板、第四夹持板相互垂直分别固定在所述限制板上，所述连接轴的一端固定在所述限制板远离第一夹持板、第二夹持板、第三夹持板和第四夹持板的另一侧，所述第一调节板、第二调节板分别设置在所述第一夹持板和第三夹持板与第二夹持板和第四夹持板之间，所述第一调节轴和第二调节轴外侧均设有调节外螺纹，所述第一夹持板和第二夹持板上均设有调节螺纹孔，所述第一调节轴穿过所述第一夹持板并固定在第一调节板中部，所述第二调节轴穿过所述第二夹持板并固定在第二调节板中部。

优选的是，所述轴向扭转总成包括：轴向扭转支架、棘轮、棘轮轴、顶针、弹簧和v型棘爪，所述轴向扭转支架固定在横梁上，所述棘轮轴两端可旋转设置在所述轴向扭转支架两端内，所述棘轮轴一端与所述连接轴的另一端固定，所述棘轮固定在所述棘轮轴中部，所述轴向扭转支架内侧中部设有沉孔，所述顶针和弹簧依次设置在所述沉孔内，所述弹簧两端分别与顶针底部和沉孔底部相接触，所述v型棘爪中部可旋转设置在所述轴向扭转支架内且设置在所述棘轮和顶针之间，所述v型棘爪的第一端和第二端分别可与所述棘轮相配合，所述v型棘爪的第三端两侧可与顶针的另一端两侧相接触。

优选的是，所述轴向扭转总成还包括：驱动把手，所述驱动把手固定在所述棘轮轴另一端上。

优选的是，所述弯曲加载总成包括若干个，所述弯曲加载总成包括：弯曲加载锥、限位套筒、内限弹簧、固定内柱和砝码，所述限位套筒的一端固定在所述弯曲加载锥顶部，所述限位套筒的另一端设有内延，所述固定内柱一端固定在所述横梁内侧，所述固定内柱另一端设有外延，所述限位套筒套设在所述固定内柱上，所述内限弹簧套设在所述固定内柱上且两端分别与所述外延和内延相接触，所述砝码包括若干个，所述砝码上设有缺口，所述砝码可套设在限位套筒上。

优选的是，所述径向加载总成包括：径向加载锥和驱动螺栓，所述纵梁中间处设有通孔，所述径向加载锥设置在所述通孔内，所述径向加载锥的大端设有螺纹沉孔，所述驱动螺栓一端可旋转设置在所述通孔内，所述驱动螺栓设置在所述螺纹沉孔内。

优选的是，所述径向加载总成还包括：驱动手柄，所述驱动手柄中部固定在所述驱动螺栓一端上。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型中轴向加载总成对试件进行加载过程时，两个支架或因长细比较大而难以移动或倾覆，从而保证了水平轴力均匀的施加在两个支架两端。即本实用新型能够使水平荷载均匀地施加在两个支架，使得轴力加载过程更为容易。

2、本实用新型利用纯力学的原理，对本实用新型的任意构件均采用铰接或螺栓连接的方式，在稳固性得以保证的基础上，更加注重经济性和节能性。

附图说明

图1为本实用新型总体结构主视图；

图2为本实用新型总体结构侧视图；

图3为本实用新型教具架体结构示意图；

图4为本实用新型第一轴向加载总成结构示意图；

图5为本实用新型第一夹持总成结构示意图；

图6为本实用新型第一轴向扭转总成爆炸结构示意图；

图7为本实用新型第一轴向扭转总成部分组合结构示意图；

图8为本实用新型弯曲加载总成结构示意图

图9为本实用新型弯曲加载总成中砝码结构示意图

图10为本实用新型径向加载总成结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-2所示，本实施例在现有技术的基础上提供了一种一体化多功能材料力学教具，包括：教具架体4、两个轴向加载总成7、两个轴向扭转总成5、两个连接轴8、两个夹持总成3、弯曲加载总成2、径向加载总成9和两个支架6。如图3所示，教具架体4其包括：底盘41、横梁43和纵梁42，横梁43两端通过螺栓固定在底盘41的两端，纵梁42的一端通过螺栓固定在横梁中部，纵梁42的另一端通过螺栓固定在底盘41后部，在底盘41上设有对称的两个滑槽411，两个滑槽411之间通过中部隔块44连接在一起，两个轴向加载总成7分别安装在两个滑槽411内，两个支架6分别为第一支架61和第二支架62，第一支架61和第二支架62分别安装在两个轴向加载总成7上，两个夹持总成3分别安装在两个支架6相对侧，两个轴向扭转总成5分别安装在横梁43外部两侧，两个轴向扭转总成5分别通过两个连接轴8与两个夹持总成6相连接，弯曲加载总成9安装在横梁内侧顶部且安装在两个夹持总成3之间，径向加载总成9安装在纵梁中间处，接下来将分别详细描述上述各机构的组成以及安装位置。

首先介绍一下两个轴向加载总成7包括第一轴向加载总成71和第二轴向加载总成72，如图4所示，其中第一轴向加载总成71为例，包括：丝杠712和手柄711，丝杠712的一端通过螺纹固定在手柄711中部，第一支架61上设有螺纹通孔，丝杠712另一端穿过第一支架61的螺纹通孔且通过轴承可旋转安装在滑槽411两端，当使用时，通过手动旋转手柄711，手柄711带动丝杠712旋转，由于第一支架61在丝杠712上，所以第一支架61会在丝杠712上相对移动。

上面介绍完两个轴向加载总成7，接下来将详细描述一下两个夹持总成3包括第一夹持总成31和第二夹持总成32，以第一夹持总成31为例，如图5所示，其包括：第一夹持板318、第二夹持板317、第三夹持板315、第四夹持板313、限制板311、第一调节轴312、第一调节板314、第二调节板316和第二调节轴319，第一夹持板318、第二夹持板317、第三夹持板315和第四夹持板313两两相对分别通过焊接固定在限制板311上，两个连接轴8包括第一连接轴81和第二连接轴82，第一连接轴81的一端通过焊接固定在限制板311远离第一夹持板318、第二夹持板317、第三夹持板315和第四夹持板313的另一侧，第一调节板314、第二调节板316分别安装在第一夹持板318和第三夹持板315与第二夹持板317和第四夹持板313之间节轴，第一调节轴312和第二调节轴319外侧均设有调节外螺纹，第一夹持板318和第二夹持板317上均设有调节螺纹孔，第一调节轴312穿过第一夹持板318并通过螺栓固定在第一调节板314中部，第二调节轴319穿过第二夹持板317并通过螺栓固定第二调节板316中部，为了方便手动旋转第一调节轴312和第二调节轴319，在第一调节轴312和第二调节轴319上分别通过螺纹安装有第一调节把手和第二调节把手。在安装试件材料1时，试件材料1的两端安装在第一夹持总成31和第二夹持总成32内，以其中之一为例，试件材料1的一端安装在第一调节板314、第二调节板316、第三夹持板315、第四夹持板313之间，用手分别调节第一调节轴312和第二调节轴319，使第一调节板314、第二调节板316移动直到夹紧试件材料1为止。

接下来将介绍一下需要演示试件材料1在扭转变形时所要用到的两个轴向扭转总成5包括：第一轴向扭转总成51和第二轴向扭转总成52，如图6、7所示，以第一轴向扭转总成51为例，其包括：轴向扭转支架511、棘轮514、棘轮轴515、顶针517、弹簧516和v型棘爪512，轴向扭转支架511通过螺栓固定在横梁43上，棘轮轴515两端可旋转安装在轴向扭转支架511两端内，棘轮轴515一端与连接轴8的另一端通过联轴器连接在一起，棘轮514通过半圆键固定在棘轮轴515中部，轴向扭转支架511内侧中部设有沉孔5111，顶针517和弹簧516依次安装在沉孔5111内，弹簧516两端分别与顶针517底部和沉孔5111底部相接触，v型棘爪512中部通过销钉可旋转安装在轴向扭转支架511内且安装在棘轮514和顶针517之间，为了可以使轴向扭转总成5双向控制，v型棘爪512的第一端和第二端分别可与棘轮514相配合，v型棘爪512的第三端两侧可顶针517的另一端两侧相接触。为了可以随时驱动棘轮轴515，第一轴向扭转总成51还包括：驱动把手518，驱动把手518安装在棘轮轴515另一端上。第一轴向扭转总成51和第二轴向扭转总成52以第一轴向扭转总成51为例，当驱动把手518带动棘轮轴515转动时，棘轮514也时转动，棘轮514转动时外圆上的齿会拨动v型棘爪512转动，但是由于v型棘爪512第三端两侧与顶针517接触，顶针由于弹簧516的弹力使顶针517始终顶着v型棘爪512，从而可以使v型棘爪512始终在原始位置，v型棘爪512第一端和第二端为尖端，使v型棘爪512第一端或第二端始终卡在棘轮514转动时外圆上的两齿之间，由于轴向扭转支架511是固定的，从而棘轮轴515转动使连接轴8转动，试件材料1的一端也随之转动，另一侧的第二轴向扭转总成52不动，使得试件材料1扭转变形。

上面介绍完轴向扭转总成5是来演示试件材料1扭转变形，接下来将介绍弯曲加载总成2完成试件材料1弯曲变形的，弯曲加载总成2包括若干个，以其中一个为例，如图8、9所示，其包括：弯曲加载锥31、限位套筒32、内限弹簧33、固定内柱34和砝码35，限位套筒32的一端通过粘接固定在弯曲加载锥31顶部，限位套筒32的另一端设有内延321，固定内柱34一端通过螺栓固定在横梁43内侧，固定内柱34另一端设有外延341，限位套筒32套设在固定内柱34上，内限弹簧33套设在所述固定内柱34上且两端分别与外延321和内延341相接触，砝码35上设有缺口351，砝码35设有若干个，砝码35可根据需要套设在限位套筒32上。

最后，将介绍一下径向加载总成9如图10所示，其包括：径向加载锥91、驱动螺栓轴承92和驱动螺栓94，纵梁42中间处设有通孔，径向加载锥91安装在通孔内，径向加载锥91的大端设有螺纹沉孔，驱动螺栓94一端通过驱动螺栓轴承92可旋转安装在所述通孔内，驱动螺栓94安装在螺纹沉孔内。为了可以手动旋转驱动螺栓94，径向加载总成9还包括：驱动手柄93，驱动手柄93中部通过螺栓固定在驱动螺栓94一端上。当手动拧动驱动手柄93，带动驱动螺栓94旋转，径向加载锥91会向前移动，径向加载锥91尖端可接触试件材料1中部使其变形。

具体工作方式：

当需要在课堂上演示时，首先把试件材料1的两端安装在第一夹持总成31和第二夹持总成32内，以其中之一为例，试件材料1的一端安装在第一调节板314、第二调节板316、第三夹持板315、第四夹持板313之间，用手分别调节第一调节轴312和第二调节轴319，使第一调节板314、第二调节板316移动直到夹紧试件材料1为止。然后当需要演示轴向加载，以第一轴向加载总成71为例，通过手动旋转手柄711，手柄711带动丝杠712旋转，由于第一支架61在丝杠712上，所以第一支架61会在丝杠712上相对移动，第二轴向加载总成72也像驱动第一轴向加载总成71一样，此时第一支架61和第二支架62会向中部对试件材料1的挤压。

当需要演示轴向扭转时，第一轴向加载总成71和第二轴向加载总成72，首先以第一轴向扭转总成51为例，当驱动把手518带动棘轮轴515转动时，棘轮514也时转动，棘轮514转动时外圆上的齿会拨动v型棘爪512转动，但是由于v型棘爪512第三端两侧与顶针517接触，顶针由于弹簧516的弹力使顶针517始终顶着v型棘爪512，从而可以使v型棘爪512始终在原始位置，v型棘爪512第一端和第二端为尖端，使v型棘爪512第一端或第二端始终卡在棘轮514转动时外圆上的两齿之间，由于轴向扭转支架511是固定的，从而棘轮轴515转动使连接轴8转动，试件材料1的一端也随之转动，另一侧的第二轴向扭转总成52不动，使得试件材料1扭转变形。也可以第二轴向扭转总成52重复上一动作像反方向旋转，这样的演示更加明显。

当需要演示弯曲加载时，由于弯曲加载总成2包括若干个，砝码也有若干个，根据需要砝码35套设在限位套筒32上，由于砝码35的压力，使内限弹簧33被压缩，限位套筒32和固定内柱34相对移动量增大，直到弯曲加载锥31接触试件材料1时，由于不同的限位套筒32上有不同的砝码35，从而可以看到试件材料1弯曲变形。

当需要径向加载演示时，手动拧动驱动手柄93，带动驱动螺栓94旋转，径向加载锥91会向前移动，径向加载锥91尖端可接触试件材料1中部使其变形。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

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