纯弯曲梁新型实验模型制作与应用

      1 前言
　　从上世纪80年代开始，研究人员对材料力学中的梁纯弯曲问题展开了大量的讨论，通过理论推导、试验研究等手段进行论证，近年来随着计算机技术的不断发展，数值模拟技术得到推广和应用。为了能够将实验教学带入课堂，摆脱大型实验仪器设备的桎梏，让学生在课堂中能直观的认识实验的过程，提高学生的学习兴趣，改善课堂气氛，制作一套适用于课堂实验教学的新型实验梁体很有意义。针对上述问题研究制作一种结构简单，操作方便的纯弯曲实验梁体，一定程度上能提高建筑结构模型的适用性，并且具有较高的实用性。
　　2 纯弯曲梁模型现状分析
　　目前对纯弯曲梁体的实验研究一般在比较大型的实验室内进行，实验器材主要选用中大型的仪器，实验过程中制造钢筋混凝土实验梁耗费的时间周期较长，材料比较浪费，实验梁体进行实验后会受到破坏，不可重复利用。在实验操作过程中，梁体较为笨重，需要手推车或者是三四个实验人员进行搬运，有一定的危险隐患。新型实验梁体除了可以节省空间外，更重要的是可以解决上述的梁体体型笨重、耗时和耗材等问题。我国现有新型实验梁体制作的技术还不够成熟，模型实验研究和制作都较少，发展潜力很大，制作一套适用于课堂教学实验并应用于课堂实验演示的新型实验梁体将很有研究价值。
　　3 纯弯曲梁新型实验模型制作
　　3.1 材料选择
　　3.1.1 传统材料
　　传统的建筑结构模型制作所选材料一般为白卡纸、牛皮纸等，此类材料具有承受低温冰冻和高温融化时的热胀冷缩特点，可以防止出现变形、扭曲、打皱、吸湿过度和吸水变形破损等问题。具备较高的拉力，具有单光、双光、条纹和无纹等特点，适用于需要梁体加载模拟实验研究。让学生理解模型制作在作品设计中的重要性，掌握模型制作的基本工具、方法和过程，完善设计知识和锻炼动手实践能力，具有综合性强、涉及面广和实践性强等显著特点。但是纸张模型的耐久性、重复利用还存在弊端，且不可以进行截面破坏研究。
　　3.1.2 新型材料
　　环氧树脂，固化后的环氧树脂具有良好的物理化学性能，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好，变定收缩率小，制品尺寸稳定性好，硬度高，柔韧性较好，对碱及大部分溶剂稳定。缩水甘油酯类环氧树脂，它具有粘度低，使用工艺性好；反应活性高；粘合力比通用环氧树脂高，固化物力学性能好；耐气候性好，并且具有良好的耐超低温性，在超低温条件下，仍具有比其它类型环氧树脂高的粘结强度[1，2]。
　　此材料有较好的表面光泽度、透光性、耐气候性好，这个特性可以在进行实验操作中能更好的观察表面的、局部的细小变化，以便做笔录。主要是能满足与光弹试验结合做实验应力分析的要求，这种材料在没有超载破坏的前提下是可以重复使用。
　　3.2 新型实验模型设计
　　3.2.1实验研究原理
　　简单的构件在拉伸、压缩、扭转和弯曲变形下，其应力分布与材料的弹性常数E和μ无关，因此实际构件中的应力可以运用相似原理，由模型的应力换算出来。根据光的波动理论，由光源发出的光经过偏振片P成为平面偏振光，它通过在应力作用下，用具有光敏性材料制成的模型后，产生双折射，使光沿着两个主应力方向分解为两个折射路、率不同的平面偏振光，其传播速度不同，产生光程差δ，当检偏镜A的震动轴与起偏镜P震动轴正交时，这样光通过A镜后，就变成了与A镜震动轴平行的平面震动波，并产生光干涉现象[3]。
　　3.2.2 实验研究加载
　　具体加载操作如下：
　　（2）静力加载砝码2kg～1mg一套，采取两跨同步施加在每跨的加载点上。在规定时间10分钟内完成加载，静止2分钟后开始数据测试。
　　（3）在正式施加荷载前应进行预载，即在就位好的梁体上施加少量的荷载以检查各仪器的工作情况，消除梁体的构造变形，发现不正常情况，应立即解决，若全部正常，则可开始正式实验加载。
　　4 纯弯曲梁实验模型应用
　　4.1 传统实验应用
　　目前大部分高校学生对梁的正截面破坏和斜截面破坏的实验认识主要是通过利用中大型实验设备进行实验来完成，用较大型竖向反力架，分配梁和油压千斤顶以及电脑程序进行施加荷载，利用静态电阻应变仪和应变片量测钢筋的应变和混凝土的应变，用百分表测量构件的变形。所需要的设备有①竖向加载架②分配梁③油压千斤顶④电子秤⑤压力传感器⑥百分表⑦静态电阻应变仪及预调平衡箱⑧应变片等[4]。这样的实验操作能很好的让学生对梁的正截面破坏和斜截面破坏等试验的认识，但是所用器材、仪器都较为大型或复杂，若实验室没有相关实验设备，此类实验将不能正常操作。
　　4.2新型实验模型应用
　　光弹性实验是一种用光学方法测量受力模型上各点应力状态的实验应力分析方法[5]。能够将实验演示教学带入到课堂，摆脱大型实验仪器设备的桎梏，模型的课堂演示能提高学生对知识的理解能力以及对课堂的学习兴趣。课堂教学实验演示使用的新型实验梁体，借助简单的设备就可以进行实验演示，同时也能获得对梁的正截面破坏和斜截面破坏等实验数据。所需的设备：加载用砝码、简单的固定架、加载平台、吊钩、光学仪器等。
　　5 结语
　　以上内容立足于课堂教学实践，根据教学中对纯弯曲梁的各种假定，建立力学分析模型，通过分析模型的特征构建适用于课堂演示的纯弯曲梁体的物理实体模型，以供课堂教学演示使用。将实验演示教学带入到课堂，摆脱大型实验仪器设备的桎梏，使学生在课堂中就能直观的学习到试验过程，可以提高学生的学习兴趣和动手实验能力，有效的改善课堂气氛和学风。
　　通过纯弯曲实验梁的制作，进一步完善课堂的教学实验内容，使原来的基本实验拓展成为课堂实验，给学生提供了一个很好的实验技能展示平台，增加了学生分析和思考的内容，培养了学生独立分析问题，解决问题的能力，可提高学生的自主学习及创新能力。
　　参考文献
　　[1]桂林.环氧树脂与环氧涂料[M].北京：化学工业出版社，2003.
　　[2]陈平，刘胜平.环氧树脂[M].北京：化学工业出版社，2004.
　　[3] 吴锋.大学物理[M].2版.北京：化学工业出版社，2008.
　　[4]沈蒲生，梁兴文.混凝土结构设计[M].4版.北京：高等教育出版社，2012. (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)