材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具的制作方法

2021-01-25 17:01:11|

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本发明涉及教具技术领域，具体为材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具。

背景技术：

《材料力学》是机械、材料、土木等工科专业一门重要的专业基础课，是经典的力学课程，《材料力学》具有较强的理论性，其力学基本概念较抽象，尤其是拉伸或压缩、剪切、扭转和弯曲四大基本变形，如不采用比较形象的描述和教授方法，学生很难理解和接受。

据不完全统计，《材料力学》最基本的公式就有三十多个，其中关于应力分析，涉及到的公式较多，且有些公式易混淆，如圆轴扭转时用到的极惯性矩抗扭截面系数梁弯曲时用到的惯性矩抗弯截面模量这些公式形式相近，学生容易张冠李戴。

在材料力学中应力模型与公式的推导中，仅依靠课堂常规板书和视频教学等辅助方法学生还是很难理解和记忆，常常会在进入应力学习后对材料力学产生畏难情绪，产生放弃材料力学课程的念头。因此非常有必要根据材料力学中应力部分中的教学要求开发出相应的便携式教辅工具，让老师或学生自己动手演示并观察材料扭转变形，提高学生在课程学习过程中的参与热情和学习兴趣。

前期的市场调研显示，无论实体市场还是网络销售平台上为教学提供演示扭转变形的应力演示实物模型或教具均未发现。故对于本领域内的技术人员和教师，还有待研发一种能够直观的将材料扭转变形特点展现在学生面前的小型材料力学教具，以达到激发学生的兴趣，突出教学的重点，优化教学课堂结构，有效提高教学质量和效率的目的。

申请号为2013204220514(名称为：一种改进的薄壁圆筒扭转教具)的专利公开了一种技术方案，其特征是：用多个相互平行的钢丝连接两个半径相等的圆板，钢丝的两端分别固定连接在两个圆板的边缘，并且连接点在圆板边缘为均匀分布，将应力分布标在圆板上。钢丝可用于表征薄壁扭转时的纵向纤维，圆盘可代表扭转横截面，横截面上应力分布沿直径方向示意。通过圆盘中心轴的转动，直观地看到纵向纤维发生地应变。同时横截面上所示直径变形后依然保持直线，与应力推导公式条件相对应。这种技术方案，可以让学生直观看到横截面与纵向纤维变形过程中地变化，理解变形与内力和应力之间地联系，从而理解扭转应力公式推导过程。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具，具备能直观、形象的展示圆轴扭转变形的现象，以便于学生观察、理解，同时在实际教学中安全性较高，可停留在任意变形阶段，人为可控性强，更加轻松配合教师的操作和公式讲解的优点，解决了学生因大量的高数公式推导对材料力学产生的畏难情绪的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具，包括机架，所述机架上贯穿设置有圆轴，所述圆轴表面的左侧和右侧且位于机架的内侧分别套设有左圆盘和右圆盘，所述圆轴表面的左侧且位于机架与左圆盘之间套设有倒角平垫圈，所述圆轴表面的右侧且位于机架与右圆盘之间套设有平垫圈，所述圆轴表面的两侧且位于左圆盘和右圆盘之间套设有压缩弹簧，所述右圆盘表面的右侧黏贴有变形特征示意板，所述圆轴的右侧为l型，所述圆轴右侧的顶部和底部通过两通固定连接。

优选的，所述机架包括底板和竖板，底板底部表面的四角和竖板底部表面的前侧和后侧均开设有螺栓孔，底板与竖板通过螺栓贯穿螺栓孔进行固定连接。

优选的，所述圆轴为pvc材料即聚氯乙烯，所述圆轴表面的左侧与机架的连接处为过盈配合，所述圆轴表面的右侧与机架的连接处为间隙配合。

优选的，所述左圆盘和右圆盘的内腔与圆轴的表面均为过盈配合，所述压缩弹簧的外侧分别与左圆盘和右圆盘接触。

优选的，所述平垫圈位于变形特征示意板的右侧，所述机架、左圆盘和右圆盘的材质均为pmma材料即聚甲基丙烯酸甲酯，所述左圆盘和右圆盘上均横向贯穿开设有35个通孔，所述左圆盘和右圆盘对应通孔与机架平行，用聚乙烯线沿对应空中穿出。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过设置机架、倒角平垫圈、平垫圈、左圆盘、右圆盘、压缩弹簧、圆轴、两通和变形特征示意板的配合使用，能直观、形象的展示圆轴扭转变形的现象，以便于学生观察、理解，同时在实际教学中安全性较高，可停留在任意变形阶段，人为可控性强，更加轻松配合教师的操作和公式讲解，由于使用材料为亚克力板等，使得教具的360°直观性强，将公式中的抽象符号具体形象化模拟表示在实体教具上，通过教具的转动过程来直观理解，大大降低了学生因大量的高数公式推导对材料力学产生的畏难情绪，值得推广。

2、本发明通过设置圆轴采用市场上常用的pvc材料即聚氯乙烯，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，通过设置机架、左圆盘和右圆盘采用pmma材料即聚甲基丙烯酸甲酯，是一种开发较早的重要可塑性高分子材料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性、易染色、易加工、外观优美，可360°无死角观察到材料扭转现象。

附图说明

图1是本发明的正视结构示意图；

图2是本发明的侧视结构示意图；

图3是本发明的俯视结构示意图；

图4是本发明两通结构示意图；

图5是本发明圆轴结构示意图；

图6是本发明变形特征示意板结构示意图；

图7是本发明当物体发生扭转变形时变化量示意图。

图中：1机架、2倒角平垫圈、3平垫圈、4左圆盘、5右圆盘、6压缩弹簧、7圆轴、8两通、9变形特征示意板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具，包括机架1，机架1包括底板和竖板，底板底部表面的四角和竖板底部表面的前侧和后侧均开设有螺栓孔，底板与竖板通过螺栓贯穿螺栓孔进行固定连接，机架1上贯穿设置有圆轴7，圆轴7为pvc材料即聚氯乙烯，圆轴7表面的左侧与机架1的连接处为过盈配合，圆轴7表面的右侧与机架1的连接处为间隙配合，通过设置圆轴7采用市场上常用的pvc材料即聚氯乙烯，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击能力，圆轴7表面的左侧和右侧且位于机架1的内侧分别套设有左圆盘4和右圆盘5，左圆盘4和右圆盘5的内腔与圆轴7的表面均为过盈配合，压缩弹簧6的外侧分别与左圆盘4和右圆盘5接触，圆轴7表面的左侧且位于机架1与左圆盘4之间套设有倒角平垫圈2，倒角型平垫圈2面积较小的一面与右圆盘5相接触，保证两者间存在较小的摩擦力，方便转动，圆轴7表面的右侧且位于机架1与右圆盘5之间套设有平垫圈3，通过设置机架1、左圆盘4和右圆盘5采用pmma材料即聚甲基丙烯酸甲酯，是一种开发较早的重要可塑性高分子材料，具有较好的透明性、化学稳定性和耐候性、易染色、易加工、外观优美，可360°无死角观察到材料扭转现象，圆轴7表面的两侧且位于左圆盘4和右圆盘5之间套设有压缩弹簧6，右圆盘5表面的右侧黏贴有变形特征示意板9，平垫圈3位于变形特征示意板9的右侧，机架1、左圆盘4和右圆盘5的材质均为pmma材料即聚甲基丙烯酸甲酯，左圆盘4和右圆盘5上均横向贯穿开设有35个通孔，左圆盘4和右圆盘5对应通孔与机架1平行，用聚乙烯线沿对应空中穿出，圆轴7的右侧为l型，圆轴7右侧的顶部和底部通过两通8固定连接，通过设置机架1、倒角平垫圈2、平垫圈3、左圆盘4、右圆盘5、压缩弹簧6、圆轴7、两通8和变形特征示意板9的配合使用，能直观、形象的展示圆轴扭转变形的现象，以便于学生观察、理解，同时在实际教学中安全性较高，人为可控性强，更加轻松配合教师的操作和公式讲解。由于使用材料为亚克力板等，使得教具的360°直观性强，将公式中的抽象符号具体形象化模拟表示在实体教具上，通过教具的转动过程来直观理解，大大降低了学生因大量的高数公式推导对材料力学产生的畏难情绪。本发明的目的是为材料力学教师提供一种能够在课堂上进行材料力学扭转应力分布教学时使用的小型便携式的实体教具，不仅需要教具结构简单、成本低廉，可激发学生的学习兴趣，并且要解决与复杂公式相联系的微观到宏观的过程，解决扭转应力教学中的教学难点，优化教学课堂结构，真正从思想上解除学生的畏难情绪；

如图5所示，当使用者转动圆轴，将产生外力偶m

m＝fd

如图7所示，当物体发生扭转时，

静力关系：

t＝∫aρτρda(1)

剪切胡克定律：

τρ＝gγρ(2)

变形几何关系：

由(1)(2)(3)式得：

其中t为横截面扭矩

ip为横截面对圆心的极惯性矩

ρ为求应力的点到圆心的距离

即可以看出最大切应力在圆截面边缘上，ρ取最大值r

如图6所示，可看出扭转时截面切应力分布。

如图1所示，左圆盘4固定转动右圆盘5带动圆盘间的聚乙烯细线发生扭转变形，此处细线即代表当一个圆柱发生扭转变形时内部横向纤维受扭转应力时发生的变形，当转动右圆盘5时会向左圆盘4靠近而圆轴7上的压缩弹簧6能使右圆盘5上没有作用力时自动复原，在材料上应选择韧性好，不易破损，修复性强并且还有很好的透明度的pmma材料，这种教具结构简单，便于学生观察其应力变化情况，能够很好的帮助同学去学习相关方面的知识。

使用时，首先，右手沿着某一方向轻轻转圆轴7，通过圆轴7产生外力偶，圆轴7带动右圆盘5，就可以显示出线条的形状发生变化，根据线条的变形可以直观的观察出扭转变形，圆轴7上套的压缩弹簧6可以限制圆盘，保证圆盘不随意沿圆轴7发生位移，且当观察结束后，压缩弹簧6可产生弹力使得右圆盘5恢复到原始状态。

本申请文件中使用到各类部件均为标准件，可以从市场上购买，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉和焊接等常规手段，在此不再作出具体叙述。

综上所述：该材料力学扭转应力分布小型便携式实体教具，通过设置机架1、倒角平垫圈2、平垫圈3、左圆盘4、右圆盘5、压缩弹簧6、圆轴7、两通8和变形特征示意板9的配合使用，所有材料及教具形状均无危险性，直观呈现公式推到中面到点、内力到应力地关系，让公式视觉化，解决了学生在学习材料力学过程中出现畏难情绪和教师演示使用不安全的问题。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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