【便攜式多功能材料力學教具】
作品簡介
材料力學是機械類的專業基礎課程，也是解決工程實際問題的重要理論基礎。目前，材料力學在教學過程中主要分為理論教學和實驗教學兩部分。
目前市場上存在電子萬能試驗機、彎曲試驗機、扭轉試驗機、壓桿穩定試驗機以撓度試驗機等多種單一功能的材料力學實驗設備。但是功能集成的產品少，集成度不高，適用范圍也有極大的局限性。與此同時，材料力學理論課堂教學形式單一，降低了學生上課的學習效率以及教師教學的授課質量?；谏鲜鰡栴}，我們創新設計了一款集拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、撓曲線方程的驗證以及壓桿穩定六種功能于一體的便攜式多功能材料力學教具。旨在課堂上將實驗現象及結果實時地進行視頻展示，實現理論課堂教學與實驗教學的同步進行。本作品不僅能作為教具輔助教師進行教學，豐富教學形式，還能作為實驗平臺供學生自主動手探究學習，提高同學們的學習興趣。
便攜式多功能材料力學教具結構緊湊，設計科學合理，具有小型化及便攜式的特點，通過創新設計的聯動式離合切換裝置實現本作品在多種功能間的聯動轉換，能在一款教具上完成拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、撓曲線方程的驗證以及壓桿穩定六種材料力學實驗。機械系統的合理設計使得教具可以完整的演示六種實驗現象，為了更好的顯示材料力學實驗現象以及更好的講解不同材料的力學性能，我們自主研發了一款上位機軟件和一套數據處理系統。上位機軟件界面分為兩部分，一部分是在實驗過程中通過高清攝像頭捕捉到的實時實驗現象;另一部分是通過數據采集系統實時采集實時描點的力學性能曲線。通過將實時實驗現象和實時實驗曲線在同一個軟件界面顯示，并通過投影設備放大，達到了理論教學與實驗教學相統一的目的。而數據采集系統則是由伺服驅動器、拉壓力傳感器、數字變送器、光電碼盤傳感器、數顯功率計、高清攝像頭、電源及自主開發的上位機軟件等組成，可以將實驗過程中的數據實時傳遞給上位機軟件，從而在界面上繪制出力學性能曲線。目前本教具已獲得國家發明專利受理。
除此之外，本教具還具有成本低廉的優點，整套裝置的成本價大約在8000元左右，其中各類實驗試樣均可由學生自制完成。同時，若將本教具投入量產，則其成本價將會更加低廉。然而目前市場上的材料力學實驗機不僅功能單一，而且單臺實驗機的價格少則幾萬元，多則幾十萬元，成本大大高于集多種功能于一身的本力學教具。表1是市場上的單一功能實驗機與本力學實驗機各方面參數的對比。
表1 單一功能設備與本實驗設備參數對比
設備名稱功 能尺 寸
(mm×mm×mm)重量(kg)成本
(萬元)承載
能力精度
單一實驗設備電子萬能試驗機拉伸、壓縮實驗830×550×200072020.050kN高
純彎曲梁
教學試驗臺彎曲實驗800×500×100452.010kN高
扭轉試驗機扭轉實驗1690×430×10905505.0500Nm高
撓度試驗機撓曲線方程
驗證實驗800×550×20006001040KN高
壓桿穩定試驗機壓桿穩定實驗200×200×6107.51.02kN高
本實驗設備便攜式多功能材料力學教具以上所有實驗350×250×610160.817kN/
48Nm較高
1拉伸實驗
啟動電機使試樣軸向受拉力直至斷裂。通過自主研制的實驗數據處理系統，實時采集力與位移的數據，在屏幕上描點繪圖。并應用多媒體技術實時將拉伸破壞現象和結果進行視頻展示，通過觀察低碳鋼在拉伸過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗低碳鋼在拉伸時的力學性能。
2壓縮實驗
啟動電機使試樣軸向受壓力直至斷裂。與拉伸實驗類似，通過觀察鎂合金在壓縮過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗鎂合金在壓縮時的力學性能。
3彎曲實驗
啟動電機使試樣受彎矩作用產生變形。通過數據處理系統，計算得出沿截面高度方向上不同點之間的正應力，并應用多媒體技術實時將彎曲實驗現象和結果進行視頻展示，通過觀察彎曲梁在彎曲試驗過程中的變形以及彎曲正應力沿截面高度方向分布的力學性能曲線，驗證平面假設的正確性，即橫截面上正應力的大小沿高度線性分布。
4扭轉實驗
啟動電機使試樣周向受扭轉力直至斷裂。通過數據處理系統，實時采集扭矩與扭轉角的數據，并應用多媒體技術實時將扭轉破壞現象和結果進行視頻展示，通過觀察低碳鋼在扭轉過程中變形過程、破壞形式、斷口形狀以及力學性能曲線，檢驗低碳鋼扭轉時的力學性能。
5撓曲線方程驗證實驗
啟動電機使試樣受彎矩作用產生變形。通過數據處理系統，實時采集彎矩與撓度的數據，并應用多媒體技術實時將實驗現象和結果進行視頻展示，通過觀察彎曲梁受彎矩作用變形現象，以及所受載荷與產生最大撓度之間的力學性能曲線，驗證簡單撓曲線方程的正確性。
6 壓桿穩定實驗
啟動電機使試樣軸向受壓力直至壓桿出現失穩現象。通過數據處理系統實時采集中間撓度與載荷的數據，并應用多媒體技術實時將壓桿失穩現象和結果進行視頻展示，通過觀察彈簧鋼在壓桿穩定過程中變形過程以及力學性能曲線，檢驗彈簧鋼的失穩理論并驗證歐拉公式的正確性。
作品名稱：便攜式多功能材料力學教具
完成單位：武漢理工大學
