【壓桿穩定綜合試驗機】
功能/作用介紹：
壓桿穩定綜合實驗機是在國內率先開發的跨課程綜合實驗裝置，主要針對用材料力學方法測量壓桿穩定臨界值一直存在實驗過程與壓桿穩定理論條件不一致的問題。裝置設計應用振動力學原理和方法、傳感技術和虛擬儀器測試技術，解決了工科力學中壓桿穩定臨界值的精確測量問題，以及工程中實際受壓桿不允許被壓至臨界狀態的臨界值測量難題。這一試驗設計將《振動力學》和《材料力學》兩門課程知識融合一起，能同時用振動力學、材料力學兩種方法完成受壓桿件臨界壓力測量，并能比較兩種不同實驗方法所得結果，實現跨課程的實驗教學。裝置設計使得細長桿不僅在壓力狀態下實現臨界壓力確定，還能在拉力狀態下實現臨界壓力確定，避免了細長桿受壓過程中桿件變形及約束等敏感因素對測定值的影響。裝置設計在2007年11月獲國家發明專利;09年獲省教學成果一等獎;2010年被編入國家級力學實驗教學示范中心特色實驗成果匯集，在全國高校推廣、示范。
裝置的設計特色：壓桿穩定綜合實驗機包括：試驗機座、左裝卡支撐系統、右裝卡支撐系統、加載系統、測力系統、測量試件撓度和橫向振動的位移傳感器，以及數據處理系統。其中設計具有：
?、贆C動、手動兩種加載方式，其中加載手輪同時可以充當判斷機動加載時電機轉向、快慢的標志，便于操作;
?、跓o級調速控制系統和滾珠絲杠進給系統，能保證該裝置在額定最低進給速度0.05mm/min時，無爬行現象;
?、蹆H用一個傳感器即可完成撓度與振動信號的無接觸測量;信噪比高，保證了信號分析的質量;
?、芾?、壓兩用的多種約束結構，使細長桿不僅在壓縮狀態下完成臨界載荷測量，還能在拉伸狀態下完成臨界載荷測量;
?、荨疤摂M分析儀”中的頻譜分析功能代替了傳統的頻譜分析儀，并能給出兩種實驗曲線：材料力學的載荷—撓度曲線和振動力學的頻率—載荷曲線。
設計的理論基礎：處于直線平衡狀態的壓桿(或拉桿)受橫向干擾力作用，會發生微小彎曲。對于普通材料的受壓桿，其結構阻尼很小，在干擾消除后，受壓桿必然會以其原來的直線平衡位置為中心往復振動，最后靜止在原來的直線平衡位置上。但如果原來的直線平衡狀態是不穩定的，受壓桿處于臨界平衡狀態，則在干擾消除后，撓曲線就會保持其彎曲狀態而不能回到其原來的直線位置。這說明處于臨界平衡狀態的受壓桿，在干擾消除后不能以其原來的直線平衡位置為中心往復振動，或說成是振動的頻率變為零，是它在原來的直線平衡位置失穩的標志。
在軸向載荷作用下，細長桿在直線平衡位置作橫向微幅振動時，各階固有頻率的平方與軸向載荷成線性關系。而我們需要的只是使壓桿失穩的最小壓力，這個最小壓力對應第1階固有圓頻率等于零，這樣只需考慮1階固有圓頻率的情況：式中是取決于受壓桿尺寸、材料和邊界條件的常數。此公式即是用振動方法測量壓桿臨界壓力的理論基礎。
使用方便、操作空間大：壓桿穩定綜合試驗機實驗時，由電動機通過減速系統驅動壓力頭對桿施加軸向壓力(或拉力)。只要軸向壓力不大，受壓桿的直線平衡狀態就是穩定的，橫向輕微敲擊，受壓桿(或拉桿)就會在原來的直線平衡位置上作自由振動，最后仍然靜止在直線平衡位置上。將位移傳感器測量的振動信號或撓度信號、測力傳感器測量的軸向力信號傳入計算機進行分析，可得若干不同載荷下的1階固有頻率及，再用最小二乘法可得以為橫坐標、以為縱坐標的實驗曲線。由實驗原理，該實驗曲線一定是直線分布。
壓桿失穩的動力學標志是自由振動的頻率等于零，因此，可從實驗直線做延長線與坐標軸相交，坐標軸上的交點即為臨界壓力的實驗值。此臨界壓力實驗值與歐拉公式給出的臨界壓力理論值十分接近。
此外，測力傳感器和位移傳感器的信號傳輸到計算機處理后，還可得到用材料力學方法的臨界壓力。進一步可分析、比較兩種不同實驗方法所得的結果。
本綜合試驗機水平臥式、沒有導向柱的結構布置，使得實驗者的操作空間和學生的觀察空間遠大于現有的萬能試驗機空間，整體結構輕巧，加載方式可以機動，也可以手動，在機動加載時手輪還可以顯示電動機低速轉動的方向。
開發及應用：裝置的研制是用不同課程的理論、實驗方法完成同一實驗，有意識將不同力學課程的知識貫通于同一實驗中，以更高的標準及質量完成這一實驗教學，為學生開出設計新穎、功能獨特、具有應用價值的特色實驗，為創新教學搭建實驗平臺，為創新人才培養建立創新環境;它是哈工大教育質量工程建設的一部分。壓桿穩定的綜合實驗于2000年9月即在哈工大國家工科力學基地立項、開發，2003年9月，前期工作《振動力學、材料力學關于壓桿穩定的綜合實驗裝置》通過校內專家鑒定，并應用于實驗教學，2005年夏季，改進版的“壓桿穩定綜合試驗機(簡稱HIT-YWZS-A)”研制工作完成，目前已應用教學12年。
完成單位：哈爾濱工業大學航天學院
作品名稱：壓桿穩定綜合試驗機
