[发明专利]一种可验证温度应力理论的框架教学模型

说明书

本发明公开了一种可验证温度应力理论的平面框架教学实验模型，包括平面框架结构、实心圆柱加热棒、温度变形验证装置和温度应变测量装置，实心圆柱加热棒置于平面框架结构的空心圆柱杆件内；所述温度变形验证装置置于平面框架结构上部；温度应变测量装置为分布于平面框架结构表面的多点粘贴式电阻应变片、振弦式应变计及多通道电阻式动态应变采集仪与JM3850A无线振弦多通道自动采集系统。本发明可用于材料力学课程教学中对比测量温度变形、验证温度应力理论，让学生在不同温度参数下进行实验；框架结构制作简单，适合高校开展相关教学实验及进一步设计拓展。

技术领域

本发明属于土木工程专业材料力学实验教学领域，涉及一种平面框架教学实验模型，可用于材料力学课程教学中对比测量温度变形、验证温度应力理论的力学模型。

背景技术

材料力学是高等院校土木工程专业必修的学科，本平面框架是验证温度应力理论重要教学模型。在材料力学课程中，温度应力理论有如下内容：当线弹性体的温度变化时，其体积将趋于膨胀和收缩，若无变形协调要求，其可发生自由变形；若外部的约束或内部的变形协调要求而使膨胀或收缩不能自由发生时，结构中就会出现附加的应力，这种因温度变化而引起的应力称为热应力或温度应力。而此模型涉及的两类问题：静定结构温度变形计算、超静定结构温度应力计算也均为材料力学温度应力理论经典教学的典型例题。

在静定结构中，当温度均匀变化时，由于构件可自由变形，因而不会引起构件的内力，故不会在截面上体现出应力。在静定结构温度变形计算时，假设温度沿杆件长度均匀分布，当静定杆件发生温度发生变化时，杆件可自由变形，但不产生内力，设线胀系数为ɑ，则由温度变化引起变形为：△Lt＝ɑ×△t×L＝ε×L。

在超静定结构中，当温度变化时，便会引起内力，内力的存在必在截面上体现应力，这种应力即为温度应力。因此，需进行超静定结构温度应力计算，超静定结构在计算上不同于静定结构，超静定结构的内力不能单独从静力平衡条件求出，必须同时考虑变形协调条件。当超静定杆件受到两端固定端约束时，考虑约束为理想约束，则运用平衡条件有：△Lt＝△LFn。

目前高等院校材料力学关于温度应力部分的教学方法主要是理论教学，由于缺乏相关的实验验证，难免会导致部分同学对相关理论的理解不够深入，甚至对相关理论产生怀疑。由于这种情况普遍存在，因此在材料力学课程的日常教学中引入更多的实验教学不仅是同学课程学习所需，也是力学课程教学发展的必然趋势。

在本发明的框架教学实验模型中运用实心圆柱加热棒实现对杆件温度的加载与卸载，结合布置有加劲肋的组合框架实现对杆件的约束，进而得出静定杆件与超静定杆件对比验证温度应力理论的方法，可用于材料力学课程教学中对比测量温度变形、验证温度应力理论；同时，发明中应变计与应变片两种测量温度应变方法的同步应用对应变计及应变片所测温度应变有相互校核作用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可对比验证温度应力理论的平面框架教学实验模型，使其能用于材料力学课程教学中对比测量温度变形、验证温度应力理论。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：

一种可验证温度应力理论的框架教学模型，包括平面框架结构、实心圆柱加热棒、温度变形验证装置和温度应变测量装置，所述实心圆柱加热棒置于平面框架结构的空心圆柱杆件内；所述温度变形验证装置置于平面框架结构上部；温度应变测量装置为分布于平面框架结构表面的多点粘贴式电阻应变片、振弦式应变计及多通道电阻式动态应变采集仪与JMA3850A无线振弦多通道自动采集系统右侧固定件；

所述空心圆柱杆件包括静定杆件和超静定杆件。

进一步改进，所述平面框架结构为焊接钢梁式组合框架；框架包括竖向约束梁中的左侧固定件、右侧固定件、水平约束梁，及连接在所述左侧固定件与右侧固定件之间的两个静定杆件、一个超静定杆件；超静定杆件位于两个静定杆件之间。