超小型化弯扭组合实验装置的设计

　　1　问题的提出

　　作者比较了本校和其它十多本教材中所提到的弯扭组合实验装置,虽然各有差异,但都是由扭弯试件和加载系统组成。其中弯扭试样均采用悬臂曲拐轴结构,曲拐自由端与加载系统相连。为了使在载荷不太大的情况下产生较大的应力,弯扭试样选用薄壁圆管,文献[1~4]的实验装置分别如图1。

　　由上述的示意图可知目前在用的弯扭组合实验装置的缺点是显而易见的:①体积偏大。一套实验装置要占用一张试验台,象我校100个平米的实验室只能放8套此种实验装置,房间利用率低。②加载机构复杂,要求所加载荷较大。加载机构一般由旋转手轮、砝码等构成,所加载荷一般在100 ~1000N,这也是导致此装置体积大的原因之一。③实验误差较大。造成实验误差较大的原因是多方面的,有实验装置结构尺寸设计的不合理,应变花的贴片位置确定的不合理等等原因引起的。④设备成本较高不利于扩套。

　　针对以上原因有必要研制开发小型化或超小型化弯扭组合实验装置,其优点有:①小型化实验装置投资省、轻便可移、占用空间少,便于扩套。②由于它们是针对实验教学需要开发出来的,具有功能适用、操作方便、故障低、安全性好、实验精度高等特点。③可以做到人手一台,有利用于学生独立完成实验。

　　事实上,关于弯扭组合实验装置小型化问题已有科研单位进行了研究开发,例如大连欣力科技开发应用公司利用杠杆原理开发的小型化试验设备—弯扭组合变形试验台。本文从分析弯扭组合实验装置扭弯杆上应力应变场着手,介绍了如何设计一套体积小,加载简单,结构尺寸合理,精度高的超小型化弯扭组合实验装置。

　　2　设计方案

　　超小型化弯扭组合实验装置结构示意图如图2所示。

　　2·1　图2中所测点A(B)处应力应变场分析

　　2·2　超小型化弯扭组合实验装置的设计原则

　　(1)实验装置结构尺寸小,装置空间尺寸不超过150mm×150mm×150mm。

　　(2)加载机构简单,加载范围在2~20N,加载方便。

　　(3)|ε0°|、|ε45°|、|ε90°|足够大,在相同载荷下|ε0°|、|ε45°|、|ε90°|的值应尽可能相当。

　　关于(3)原则的提出,可以参阅本人另一篇文章《关于弯扭组合实验装置设计的讨论》。

　　2·3　超小型化弯扭组合实验装置的设计

　　(1)选用材料为了在较小的载荷下能产生较大的应变,扭弯臂应选用弹性模量较小而屈服强度较高的材料,在这里选用铝合金材料,牌号为LY12,其σs=370MPa,σb=450 MPa,E=72GPa,υ=0·33;弯臂、砝码和砝码盘均用铁。