工程（材料）力学创新实验-曲梁和复合曲梁实验

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1、维普资讯http://www.cqvip.com实验技术与管理V01．22№．12200520工程(材料)力学创新实验——曲梁和复合曲梁实验虞爱民，朱金龙(同济大学航空航天与力学学院，上海200092)摘要：文章提出了曲梁、复合曲梁正应力和切应力分析的研究型实验，它将科研成果应用于教学实验，把工程实际问题融入教学中，是培养学生能力和提高学生素质的一个新举措。通过该实验的设计、开发和应用，可以验证它们的创新性和综合性。通过分析可以找出曲梁、复合曲梁与直梁的诸多不同之处。最后给出了复合曲梁的计算实例。关键词：研究型实验；曲梁；复合曲梁；轴瓦中图分类号：TB12文献

2、标识码：B文章编号：1002·4956(2005)12—0020·041开发背景力学课程改革面临的主要问题之一是力学实验教学的改革。为了深化这种改革，将运用材料力学、高等材料力学和结构弹性力学中求解曲梁内力和应力的方法，以及我们在近几年科研中提出的曲梁和复合曲梁理论，拟为本科生及研究生开设该结构电测应力分析的研究型实验，使该实验和工程实际相结合。曲梁和复合曲梁是工程中一种常见的结构，如道桥工程中的拱形桥，起吊重物用的吊钩可看成是曲梁；内燃机主轴承与连杆轴承，以及汽车板簧则可看成是由多层弯曲的金属板重叠组合而成的复合曲梁。因此，该实验既能密切结合工程实际，又能够

3、引导学生应用所学知识进行理论分析和实验研究。由于该实验涉及到高等材料力学和结构弹性力学的知识，所以它可以充分发挥学生自主学习与科学研究的能力，使学生从简化力学模型(建模)、理论计算、设计测试方案直到对试验数据进行分析、总结等诸多环节中得到综合性的训练。复合曲梁理论是由本文作者率先提出的，并且得到了计算正应力和切应力的一套完整公式，在国内外至今尚未见到类似的工作成果报导，因此该实验是一个创新实验。它具有实际的工程应用背景，同时也是培养学生能力和提高学生素质的一种新举措，使实验科学成为发明创造和检验真理的重要手段。电测应力分析是目前工程实际中广泛使用的实验手段之一

4、，在对工程结构的设计和安全评估中都能发挥重要的作用。材料力学课程的实验一般都开设“电测弯曲应力实收稿日期：2005．04．13作者简介：虞爱民(1948一)，男，理学士，教授，主要研究方向：空间曲梁复合曲梁力学行为的理论研究维普资讯http://www.cqvip.com虞爱民，等：工程(材料)力学创新实验一曲梁和复合曲梁实验21验”、“电测主应力实验”、“电测动态应力实验”等。这些实验是土建、机械类专业本科生及研究生的基本实验内容。这些实验中的测试对象是简支梁、纯弯曲梁和薄壁圆筒等力学模型，内容较单一，教学信息量少，综合性较差，未能充分发挥学生的创造性，需要

5、有针对性地进行改革和创新。作为研究性实验(或称提高性实验)，之前不少人曾设计开发了叠合梁、夹层梁和楔块梁的实验，然而它们都是直梁，中性轴位置仅取决于梁截面的形状和尺寸，且正应力在截面上皆线性分布。这一现象很容易使学生误以为凡是梁它们的中性轴位置只同截面的形状和尺寸有关，正应力在截面上皆为线性分布，最大应力的位置固定不变等。为了澄清这些错误的理念，我们将研制开发曲梁和复合曲梁结构的力学模型，拟为本科生及研究生开设该结构电测应力分析的研究型实验，将科研成果应用于教学实验，把工程实际问题融入教学中，可以避免单纯书本教学的弊病，开拓学生的视野，激发学生学习的积极性。2

6、实验装置的设计图1、图2分别表示了悬臂曲梁及悬臂复合曲梁的力学实验模型，模型的主体是由钢制成的曲梁以及钢与铜两种材料制成的复合曲梁。曲梁固定在台架上，通过转动加载手轮对曲梁加载，由力显示仪指示出所加的载荷值。作用在梁上的载荷可以分为几种工况：如作用在整个杆轴上的分布力，或自由端受集中力的情况，学生可以根据不同的情况选择工况。这样，应用有关的力学理论可以求出该力学模型的内力。通过分析可知，梁在固定端(悬臂梁)或拱顶处(简支梁)会产生最图1悬臂曲梁2悬臂复合曲梁大弯矩，进一步求应力，需根据曲梁和复合曲梁理论，得到梁截面上应力的分布规律和某些确定点应力的理论值。应力

7、测量可以采用电测应变方法，应变片由学生自己动手粘贴，再通过应变仪进行测量，以实验结果来验证理论公式的正确性。3实验内容的开发根据学生可能提出的各种方案，在梁上布置足够多的测试点，学生可以根据自己制定的测试方案有选择地进行测试，这样不仅可以适用于该梁的各种工况，而且给学生留下了思考的空间。如曲梁和复合曲梁的正应力和切应力在截面上的分布规律如何?复合曲梁在两种材料结合层处的正应力和切应力如何变化?随着梁曲率的增大，中性轴位置是怎样变化的?对直角梯形截面曲梁当自由端载荷通过剪切中心并和形心主轴方向一致时，它是不是只发生平面弯曲等等，以丰富教学内容，扩大教学信息量，培

8、养自主动手的能力，激发学生的求知欲望，