機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽多功能靜定梁教具設(shè)計(jì)說明書

1、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽 參賽作品設(shè)計(jì)說明書參賽作品設(shè)計(jì)說明書 作品名稱：多功能靜定梁教具設(shè)計(jì)說明書 目錄 1研制背景及意義.3 2 設(shè)計(jì)方案.4 2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案.4 2.2 使用設(shè)計(jì)方案比較.4 3.理論設(shè)計(jì)計(jì)算.5 3.1 總體尺寸設(shè)計(jì).5 3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.5 3.2.1 懸臂梁.5 3.2.2 簡(jiǎn)支梁.5 3.23 外伸梁.5 4. 使用方法及性能分析.6 4.1 使用方法 .6 4.1.1 懸臂梁受到集中力 f 的作用下的撓度測(cè)量.6 4.1.2 簡(jiǎn)支梁受到集中力 f 的作用下的撓度測(cè)量.6 4.1.3 外伸梁受到集中力 f 的作用下的撓度測(cè)量.7 4.2 性能分析

2、 .8 5.創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用.9 6.參考文獻(xiàn).9 多功能靜定梁教具設(shè)計(jì)說明書 摘要：為了幫助工科學(xué)生更好的理解材料力學(xué)中靜定梁在各種載荷作用下其撓度的 計(jì)算與測(cè)量，本小組設(shè)計(jì)開發(fā)了一套模擬簡(jiǎn)支梁、懸臂梁及外伸梁分別在集中載荷和分 布載荷作用下其撓度測(cè)量的多功能教具，該教具有助于同學(xué)們理解工程中常見梁在外載 荷作用下的彎曲變形及梁撓度的計(jì)算與測(cè)量。我們完成了圓形尼龍棒和矩形牛筋棒在各 種載荷作用下的其撓度的測(cè)量與理論計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套教具操作簡(jiǎn)單、成本低、 測(cè)量方法可靠，可廣泛應(yīng)用于工科院校。 關(guān)鍵詞：靜定梁；撓度；簡(jiǎn)支梁；懸臂梁；外伸梁。 作品內(nèi)容簡(jiǎn)介 本作品根據(jù)材料力學(xué)課程所學(xué)的基本知識(shí)

3、，結(jié)合夢(mèng)幻課堂的理念，設(shè)計(jì)了多 功能靜定梁教具。該教具可完成簡(jiǎn)支梁、懸臂梁及外伸梁在各種載荷作用下其撓度的測(cè) 量，教具高31cm，寬14cm，長(zhǎng)50cm。在測(cè)量過程中，為了學(xué)生便于觀測(cè)梁在載荷作用下 其撓度的測(cè)量，我們用直徑為20mm 的尼龍棒擬合圓形截面梁，用寬高為 的牛筋棒模擬矩形截面梁。通過教具約束的改變及外載荷的施加，可模擬20mm20mm 工程中常見的簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、外伸梁在集中力和分布載荷作用下的彎曲變形及撓度的 測(cè)量，加深同學(xué)們對(duì)梁彎曲變形的理解。 1研制背景及意義 隨著課程教學(xué)改革,多媒體等一些先進(jìn)的教學(xué)設(shè)備和方法走進(jìn)了高等教育的課堂,而 傳統(tǒng)的一些教具漸漸的淡出了課堂。許多老

4、師特別是年輕老師更習(xí)慣用幻燈片或 flash 動(dòng)畫演示來傳授知識(shí)點(diǎn),這也是現(xiàn)代課堂教學(xué)方法發(fā)展的必然趨勢(shì)。但一些傳統(tǒng)教具在 理工科院校的課堂教學(xué)仍占有一席之地。 材料力學(xué)課上，大部分同學(xué)對(duì)梁給各種載荷作用下彎曲變時(shí)產(chǎn)生撓度和轉(zhuǎn)角搞得頭 昏腦漲，為此，本小組設(shè)計(jì)開發(fā)了一套模擬簡(jiǎn)支梁、懸臂梁及外伸梁分別在集中載荷和 分布載荷作用下其撓度測(cè)量的多功能教具。 2 設(shè)計(jì)方案 2.12.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 作品整體由金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，高，寬，長(zhǎng)。下方為固定底座，底座上31cm14cm50cm 標(biāo)有刻度，可讀出測(cè)量點(diǎn)距離，中間設(shè)計(jì)凹槽，可提供支柱的來回滑動(dòng)。實(shí)驗(yàn)主體部分 由 2 根支柱來模擬固定機(jī)構(gòu)，

5、支柱口均可安裝三棱柱構(gòu)成三角刀口，以形成點(diǎn)接觸效果， 兩支柱可在凹槽上滑動(dòng)。被測(cè)物體為 mc-901 藍(lán)色尼龍棒，直徑為,長(zhǎng)為，20mm550mm 通過不同的放置形式，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)支梁、懸臂梁、外伸梁的變化。當(dāng)需要對(duì)被測(cè)物體施加 力的作用時(shí)，可選擇集中力，分布力以及扭距。集中力：使用鉤碼對(duì)梁施加一定大小的 力，使其發(fā)生形變。分布力：將輕質(zhì)鐵皮放置在梁上，在鐵皮上用鉤碼施加一個(gè)力，即 可實(shí)現(xiàn)等效分布力。扭距：扭矩效果可類似于梁的一處施加集中力。使用時(shí)，左右兩柱 均用m8的蝶形螺母壓緊，以保證在測(cè)量時(shí)兩柱不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。 2.22.2 使用設(shè)計(jì)方案比較使用設(shè)計(jì)方案比較 方案一方案一: :底座后方設(shè)計(jì)凹

6、槽用于固定測(cè)量板（測(cè)量板長(zhǎng)400mm，高500mm）且在其板 上附著坐標(biāo)紙，使用時(shí)當(dāng)梁彎曲時(shí)，使用特制筆沿彎曲曲線在坐標(biāo)紙上勾畫出曲線。取 下坐標(biāo)紙，量取撓度與角度。此方案制作成本較低，但經(jīng)后續(xù)制作實(shí)驗(yàn)計(jì)算，梁的變形 極小，誤差較大，不宜使用。 方案二：方案二：在底座上搭一個(gè)萬向節(jié)用于固定千分表，用千分表測(cè)量撓度。此方案經(jīng)實(shí) 驗(yàn)測(cè)量誤差大大減小到達(dá)可允許范圍。另外結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便使數(shù)據(jù)更科學(xué)準(zhǔn)確，符 合現(xiàn)實(shí)生活中梁的形變要求，適宜使用。 綜合考慮使用方案二。 3.3. 理論設(shè)計(jì)計(jì)算理論設(shè)計(jì)計(jì)算 3.13.1 總體尺寸設(shè)計(jì)總體尺寸設(shè)計(jì) 本結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)為 50cm，高度為 31cm。 3.23.2

7、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 3.2.13.2.1 懸臂梁懸臂梁 a l f 表表 1 懸臂梁的部分測(cè)量結(jié)果及誤差分析懸臂梁的部分測(cè)量結(jié)果及誤差分析 鉤碼質(zhì)量 m/g 尺寸 a/mm尺寸 l/mm自由端撓度測(cè)量值/mm自由端撓度計(jì)算值/mm相對(duì)誤差 2002040-0.91-0.847.69% 2003040-2.01-2.125.47% 2004040-3.39-3.390.00% 2001030-0.78-0.718.97% 2002030-1.51-1.435.30% 2003030-0.50 -0.50 0.00% 3.2.23.2.2 簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)支梁 l/2 l f 表表 2 簡(jiǎn)支梁的部

8、分測(cè)量結(jié)果及誤差分析簡(jiǎn)支梁的部分測(cè)量結(jié)果及誤差分析 鉤碼質(zhì)量 m/g尺寸 l/mm自由端撓度測(cè)量 值/mm 自由端撓度計(jì)算 值/mm 相對(duì)誤差 20030-0.08-0.0912.50% 40030-0.19-0.2110.53% 20040-0.21-0.2120.95% 40040-0.39 -0.404 3.59% 3.23.23 3 外伸梁外伸梁 a l f x 表表 3 外伸梁的部分測(cè)量結(jié)果及誤差分析外伸梁的部分測(cè)量結(jié)果及誤差分析 鉤碼質(zhì)量 m/g尺寸 a/mm尺寸 x/mm自由端撓度測(cè)量 值/mm 自由端撓度計(jì)算 值/mm 相對(duì)誤差 2002020-0.78-0.858.97% 4

9、002020-1.56-1.698.33% 2002010-0.14-0.157.14% 4002010-0.29-0.316.90% 4. 使用方法及性能分析使用方法及性能分析 4.14.1 使用方法使用方法 4.1.14.1.1 懸臂梁受到集中力懸臂梁受到集中力 f f 的作用下的撓度測(cè)量的作用下的撓度測(cè)量 使用兩根支柱固定被測(cè)梁的左部分，測(cè)量方式如下圖所示： 4.1.24.1.2 簡(jiǎn)支梁受到集中力簡(jiǎn)支梁受到集中力 f f 的作用下的撓度測(cè)量的作用下的撓度測(cè)量 兩側(cè)支柱口為刀口接觸，不固定。刀口與測(cè)量方式如下圖所示： 4.1.34.1.3 外伸梁受到集中力外伸梁受到集中力 f f 的作用下

10、的撓度測(cè)量的作用下的撓度測(cè)量 頭部刀口固定，中間部位用刀口支撐，測(cè)量最右側(cè)的形變，測(cè)量方式如下圖所示： 注：分布力，扭矩與集中力施加方法相類似。 4.24.2 性能分析性能分析 此教具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，操作簡(jiǎn)單方便，便于教師上課演示。形象的展現(xiàn)了不同 結(jié)構(gòu)的梁在力的作用下發(fā)生的變化。對(duì)人體無影響，對(duì)環(huán)境無污染。前景廣闊，將會(huì)是 材料力學(xué)課堂的新的亮點(diǎn)。 主要零件實(shí)物圖如下方所示： 1.t 型底座 2.支柱 3.固定夾 4 千分表 5.mc-901 藍(lán)色尼龍棒 5.5.創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用 利用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)（mcd）的理念，對(duì)如今材料力學(xué)課堂上解決了測(cè)靜定梁撓度和 轉(zhuǎn)角中無教學(xué)用具的尷尬局面，利用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理中的組合法與類比法，設(shè)計(jì)了這 套教具。便于老師立體式講解，且便于學(xué)生理解和掌握該知識(shí)點(diǎn)。 在教學(xué)中，靜定梁的三種結(jié)構(gòu)分別為懸臂梁、簡(jiǎn)支梁、外伸梁。在材料力學(xué) 第六章中介紹了疊加定理