机械创新设计大赛多功能静定梁教具设计说明书.doc

1 机械创新设计大赛机械创新设计大赛 参赛作品设计说明书参赛作品设计说明书 作品名称：多功能静定梁教具设计说明书 2 目录 1研制背景及意义3 2 设计方案4 2.1 结构设计方案.4 2.2 使用设计方案比较.4 3.理论设计计算5 3.1 总体尺寸设计.5 3.2 实验数据分析.5 3.2.1 悬臂梁.5 3.2.2 简支梁.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 悬臂梁受到集中力 f 的作用下的挠度测量.6 4.1.2 简支梁受到集中力 f 的作用下的挠度测量6 4.1.3 外伸梁受到集中力 f 的作用下的挠度测量.7 4.2 性能分析 8 5.创新点及应用9 6.参考文献9 3 多功能静定梁教具设计说明书 摘要：为了帮助工科学生更好的理解材料力学中静定梁在各种载荷作用下其挠度的 计算与测量，本小组设计开发了一套模拟简支梁、悬臂梁及外伸梁分别在集中载荷和分 布载荷作用下其挠度测量的多功能教具，该教具有助于同学们理解工程中常见梁在外载 荷作用下的弯曲变形及梁挠度的计算与测量。我们完成了圆形尼龙棒和矩形牛筋棒在各 种载荷作用下的其挠度的测量与理论计算，实验结果表明，该套教具操作简单、成本低、 测量方法可靠，可广泛应用于工科院校。 关键词：静定梁；挠度；简支梁；悬臂梁；外伸梁。 作品内容简介 本作品根据材料力学课程所学的基本知识，结合梦幻课堂的理念，设计了多 功能静定梁教具。该教具可完成简支梁、悬臂梁及外伸梁在各种载荷作用下其挠度的测 量，教具高31cm，宽14cm，长50cm。在测量过程中，为了学生便于观测梁在载荷作用下 其挠度的测量，我们用直径为20mm 的尼龙棒拟合圆形截面梁，用宽高为 的牛筋棒模拟矩形截面梁。通过教具约束的改变及外载荷的施加，可模拟20mm20mm 工程中常见的简支梁、悬臂梁、外伸梁在集中力和分布载荷作用下的弯曲变形及挠度的 测量，加深同学们对梁弯曲变形的理解。 1研制背景及意义 随着课程教学改革,多媒体等一些先进的教学设备和方法走进了高等教育的课堂,而 传统的一些教具渐渐的淡出了课堂。许多老师特别是年轻老师更习惯用幻灯片或 flash 动画演示来传授知识点,这也是现代课堂教学方法发展的必然趋势。但一些传统教具在 理工科院校的课堂教学仍占有一席之地。 材料力学课上，大部分同学对梁给各种载荷作用下弯曲变时产生挠度和转角搞得头 昏脑涨，为此，本小组设计开发了一套模拟简支梁、悬臂梁及外伸梁分别在集中载荷和 分布载荷作用下其挠度测量的多功能教具。 4 2 设计方案 2.12.1 结构设计方案结构设计方案 作品整体由金属结构构成，高，宽，长。下方为固定底座，底座上31cm14cm50cm 标有刻度，可读出测量点距离，中间设计凹槽，可提供支柱的来回滑动。实验主体部分 由 2 根支柱来模拟固定机构，支柱口均可安装三棱柱构成三角刀口，以形成点接触效果， 两支柱可在凹槽上滑动。被测物体为 mc-901 蓝色尼龙棒，直径为,长为，20mm550mm 通过不同的放置形式，可实现简支梁、悬臂梁、外伸梁的变化。当需要对被测物体施加 力的作用时，可选择集中力，分布力以及扭距。集中力：使用钩码对梁施加一定大小的 力，使其发生形变。分布力：将轻质铁皮放置在梁上，在铁皮上用钩码施加一个力，即 可实现等效分布力。扭距：扭矩效果可类似于梁的一处施加集中力。使用时，左右两柱 均用m8的蝶形螺母压紧，以保证在测量时两柱不发生相对滑动。 2.22.2 使用设计方案比较使用设计方案比较 方案一方案一: :底座后方设计凹槽用于固定测量板（测量板长400mm，高500mm）且在其板 上附着坐标纸，使用时当梁弯曲时，使用特制笔沿弯曲曲线在坐标纸上勾画出曲线。取 下坐标纸，量取挠度与角度。此方案制作成本较低，但经后续制作实验计算，梁的变形 极小，误差较大，不宜使用。 方案二：方案二：在底座上搭一个万向节用于固定千分表，用千分表测量挠度。此方案经实 验测量误差大大减小到达可允许范围。另外结构简单，使用方便使数据更科学准确，符 合现实生活中梁的形变要求，适宜使用。 综合考虑使用方案二。 5 3.3. 理论设计计算理论设计计算 3.13.1 总体尺寸设计总体尺寸设计 本结构的总长为 50cm，高度为 31cm。 3.23.2 实验数据分析实验数据分析 3.2.13.2.1 悬臂梁悬臂梁 a l f 表表 1 悬臂梁的部分测量结果及误差分析悬臂梁的部分测量结果及误差分析 钩码质量 m/g 尺寸 a/mm尺寸 l/mm自由端挠度测量值/mm自由端挠度计算值/mm相对误差 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 简支梁简支梁 l/2 l f 表表 2 简支梁的部分测量结果及误差分析简支梁的部分测量结果及误差分析 钩码质量 m/g尺寸 l/mm自由端挠度测量 值/mm 自由端挠度计算 值/mm 相对误差 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 外伸梁的部分测量结果及误差分析外伸梁的部分测量结果及误差分析 钩码质量 m/g尺寸 a/mm尺寸 x/mm自由端挠度测量 值/mm 自由端挠度计算 值/mm 相对误差 6 2002020-0.78-0.858.97% 4002020-1.56-1.698.33% 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 悬臂梁受到集中力悬臂梁受到集中力 f f 的作用下的挠度测量的作用下的挠度测量 使用两根支柱固定被测梁的左部分，测量方式如下图所示： 4.1.24.1.2 简支梁受到集中力简支梁受到集中力 f f 的作用下的挠度测量的作用下的挠度测量 两侧支柱口为刀口接触，不固定。刀口与测量方式如下图所示： 7 4.1.34.1.3 外伸梁受到集中力外伸梁受到集中力 f f 的作用下的挠度测量的作用下的挠度测量 头部刀口固定，中间部位用刀口支撑，测量最右侧的形变，测量方式如下图所示： 注：分布力，扭矩与集中力施加方法相类似。 4.24.2 性能分析性能分析 此教具结构设计简单实用，操作简单方便，便于教师上课演示。形象的展现了不同 结构的梁在力的作用下发生的变化。对人体无影响，对环境无污染。前景广阔，将会是 材料力学课堂的新的亮点。 主要零件实物图如下方所示： 8 1.t 型底座 2.支柱 3.固定夹 4 千分表 9 5.mc-901 蓝色尼龙棒 5.5.创新点及应用创新点及应用 利用机械创新设计（mcd）的理念，对如今材料力学课堂上解决了测静定梁挠度和 转角中无教学用具的尴尬局面，利用机械创新设计原理中的组合法与类比法，设计了这 套教具。便于老师立体式讲解，且便于学生理解和掌握该知识点。 在教学中，静定梁的三种结构分别为悬臂梁、简支梁、外伸梁。在材料力学 第六章中介绍了叠加定理