冯永哲，余帮建，段敬文，李延君

(长春工程学院，长春 130012)

0 引言

“材料力学”是一门高等工科院校的专业基础课，它与工程实际紧密相联系，为工程构件的强度、刚度和稳定性提供了理论知识和计算方法，是解决实际工程问题的理论基础。由于“材料力学”的理论性强、知识点较多、较抽象。实际授课通常以材料变形的特殊形式作为典型代表，并在此基础上进行理论假设和理论分析。材料力学教具是一款用于材料力学随堂展示的教具，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，以肉眼可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。

1 原理

教具依靠加载集中荷载或均布荷载将试件进行轴向拉伸(压缩)、弯曲、扭转等基本变形，拉(压)弯、弯扭、斜弯等组合变形。整体包括底座、外支座、内支座、竖向力加载装置、侧向力加载装置、轴力加载装置、扭矩加载装置和试件。

调节外支座上不等均布荷载加载装置的位置和施加侧向力加载使试件变形，从而进行材料力学试验，如性能测定、理论验证和应力分析等实验内容。

2 主体结构

一体化多功能材料力学教具如图1～图6所示，其特征是：底座上有一固定的外支座和4个可滑动的内支座，外支座内侧和内支座之间设有轴力加载装置，两个内支座之间安装试件，在试件和内支座之间设有扭矩加载装置，外支座的横梁和试件之间设有竖向力加载装置，沿着试件侧向方向有一侧向力加载装置，侧向力加载装置加在直角支撑架中部，底座上设有前后两个平行的滑槽，外支座为两个前后平行的门型框架，内支座为可以沿滑槽滑动的立柱，立柱位于门型框架内侧，两个门型框架与底座通过直角支撑架连接固定，底座前立面上设有读数尺。

图1 材料力学教具示意图Fig.1 The schematic diagram of teaching aids for materials mechanics

图2 材料力学教具示意图Fig.2 The schematic diagram of teaching aids for materials mechanics

图3 轴力加载装置Fig.3 Axial force loading device

图4 竖向力加载装置Fig.4 Vertical force loading device

图5 扭矩加载装置Fig.5 Torque loading device

图6 侧向力加载装置Fig.6 Lateral force loading device

轴力加载装置是在轴拧阀门两端各安装一个空腔，每个空腔两端均设有限位垫片且该两个限位垫片通过限位弹簧连接；竖向力加载装置是在限位套筒内上端嵌固竖向弹簧，竖向弹簧下端连接接触角锥，砝码作为力加载工具悬挂于接触角锥上；扭矩加载装置是将原位轴拧阀门置于整个腹腔中部且原位轴拧阀门下部和扭矩效应片接触，扭矩效应片和链动片固接于一体且右侧连接扭转限位片，扭转限位片右侧连接链动弹簧组和单向限位片；侧向力加载装置是在施力按钮一侧依次连接限位底芯和链动传片，链动传片连接传动夹持，传动夹持连接冲击链动弹簧，冲击链动弹簧置于冲击底芯内，整个结构嵌固于空谷内。

教具间接利用加载装置的拧转阀门或砝码进而控制加载的大小和多少，当加载量越大时，读数卡尺的读数越大，其试件的变形越明显，相应材料力学的性能测定、理论验证和应力分析越容易。一体化多功能材料力学教具由底座、外支座、内支座、竖向力加载装置、侧向力加载装置、轴力加载装置、扭矩加载装置和试件构成整体，可以满足于整个材料力学教学的跟随辅导缺陷，保证试验结果准确性的前提下，安装更为方便快捷，提高了工作效率，具有良好的经济效果。

3 具体设计构想

3.1 实现轴向拉(压)变形

通过轴力加载装置轴拧阀门拧转时即控制轴力均匀作用于试件两端。当需要试件一端受轴向拉(压)力时，只需要将试件一端的内支座固定于滑槽里，并于试件另一端拧转轴拧阀门推动内支座的前进和后退，该移动距离由读数尺读取。预期变化：杆轴发生较为明显的横向形变和纵向形变，右端支座中心的刻度发生相应变化，杆轴的两端端点对应刻度也发生变化。实验验证：通过支座滑槽的移动距离和定位尺之间的位矢量差验证横向线应变、纵向线应变和胡克定律。

3.2 实现弯曲变形

竖向力加载装置砝码悬挂时即对与之接触的试件

表面施加竖向力，或通过侧向力加载装置施力按钮受压时即对试件施加侧向集中力。当需要施加集中荷载时，只需要在相应位置悬挂砝码或施力按钮受力即可；当需要施加均布荷载时，应在每个沿着横梁方向均匀布置的每一个竖向力加载装置上悬挂等质量砝码；对于悬挑梁的模拟加载时，可先撤除试件一端的内支座并同上述加载方式进行加载。预期形变：通过施加剪力，杆轴一端将发生明显弯曲形变，位移传感器的示数有直接变化并可读出。实验验证：1可由力矩传感器得截面一侧弯矩值，可求对应截面弯矩值和剪力值，该步主要为验证性试验2在已知弯矩值下，由支座定位尺相对位移可确定截面位移量，同时该装置可通过支座位置的改变实现对称弯曲和非对称弯曲(一切纯弯曲)。

3.3 实现扭转变形

3.4 实现组合变形

应按以上实施办法进行需要组合即可，如斜弯(竖向力与侧向力的组合)、拉(压)弯(轴向力与竖向力的组合)、弯扭(竖向力与扭矩的组合)等。即当为实现斜弯变形时，在施加集中荷载方式的基础上同时按压侧向施力按钮，便对试件产生了竖向和侧向的集中力；当为实现拉(压)弯变形时，在施加集中荷载方式的基础上同时拧转轴力加载装置的轴拧阀门，便对试件产生了轴向力与竖向力的组合；当为实现弯扭变形时，在施加集中荷载方式的基础上同时拧转扭矩加载装置的轴拧阀门，便对试件产生了竖向力与扭矩的组合。

4 结语

此教具的实验结果准确性高、安装便捷、演示过程方便、降低劳动强度、突破了材料力学抽象教学的瓶颈，加深了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。解决材料力学课堂与实验分离的教学模式，使得学与理解更为衔接。材料力学教具的研发不仅提高了课堂教学质量，而且在“材料力学的中材料力学实验教学实践环节，意义非凡。