[发明专利]材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统

说明书

本发明公开的一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座、侧边立柱和顶部横板，所述杆件位于所述底座、侧边立柱和顶部横板组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板与所述杆件接触，所述力偶组件位于所述杆件和所述底座表面之间，所述约束组件包括铰链支座和固定端支座。本发明可以使得学生在课堂上可以直接动手模拟各种工况下的梁的弯曲变形，将梁弯曲变形的应力和应变等规律得到亲眼可见的可视化体现，有效强化学生对该知识点的理解效果，提高课堂的学习趣味性和生动性。

技术领域

本发明属于教学用具领域，具体涉及一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统。

背景技术

当前，新工科背景下各个专业都在进行着课程改革和教学创新，通过课程改革力求使得学生的学习方式和学习效果得到不断改进。对于机械工程、材料工程和土木工程等很多工科专业而言，材料力学是其中非常重要的一门专业基础课，是后续多门专业课的基础。杆件是材料力学的研究对象，以弯曲变形为主要变形的杆件称为梁，弯曲是材料力学中四种基本变形中最重要的部分，也是工程中桥梁最主要的一种变形。梁的内力和应力是非常重要的概念和知识点，也是学习的难点所在。在现有的材料力学课程实际教学中，内力和应力的学习主要基于抽象的假想实验，或通过电脑软件图片分析或者动画演示来学习，而这样的学习方法不够直观，学生的学习效果有待进一步提升。同时对于实际工程中不同载荷、约束和梁的外形尺寸等复杂工况的实际条件对梁的抗弯强度和抗弯刚度的影响方面，现有的课堂教学通常大都通过理论推导计算弯矩和应力大小的方式来进行，同学们没有机会随堂进行相关影响因素对弯曲变形影响的直观对比，这些都不利用梁弯曲变形的理解。

因此，开发一种材料力学教学中基于工程复杂工况的弯曲梁变形的教具和实验系统，将有效提升学生对材料力学拉弯曲变形的理解，并利用各种因素的改变来深入学习对梁抗弯强度和抗弯刚度的实际措施，推动材料力学课程教学更加生动和深入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，基于梁的载荷、约束和梁的外形尺寸等复杂工况下的弯曲变形，利用杆件内部填充物质在弯曲应力作用下色彩深浅的分布变化，使得学生在课上可以直接动手，将弯曲变形的应力和应变等规律得到亲眼可见的直接可视化，有效强化学生对该知识点的理解效果，提高课堂的学习趣味性和生动性。

按照本发明提供的一种材料力学教学中基于工程复杂工况的梁弯曲变形模拟系统，其采用的主要技术方案为：包括实验平台、杆件、施力组件、约束组件，所述实验平台包括底座、侧边立柱和顶部横板，所述杆件位于所述底座、侧边立柱和顶部横板组成的空间内部，所述施力组件包括力组件和力偶组件，所述力组件穿过所述顶部横板与所述杆件接触，所述力偶组件位于所述杆件和所述底座表面之间，所述约束组件包括铰链支座和固定端支座，所述铰链支座与所述底座接触，所述固定端支座与所述侧边立柱内表面固定。

所述杆件为中空结构的透明塑料直杆，通过控制杆件中空部分填充物质的密度可调节所述杆件的刚度。

所述杆件中空部分均匀充满单一颜色的凝胶球颗粒或均匀充满单一颜色的乳化液。

进一步的，作为替代方案，所述杆件中空部分充满与所述杆件外形一致的透明多孔软芯，所述多孔软芯中均匀吸附单一颜色的液体。

所述杆件由多个子杆件单元沿轴线方向组合而成，且各个子杆件单元的轴线重合。

所述子杆件单元的横截面形状相同或不同，所述子杆件单元的横截面尺寸相同或不同。

所述子杆件单元的一端表面设有内陷的安装孔槽，另一端表面设有外凸的安装卡头。