【便携式多功能材料力学教具】
作品简介
材料力学是机械类的专业基础课程，也是解决工程实际问题的重要理论基础。目前，材料力学在教学过程中主要分为理论教学和实验教学两部分。
目前市场上存在电子万能试验机、弯曲试验机、扭转试验机、压杆稳定试验机以挠度试验机等多种单一功能的材料力学实验设备。但是功能集成的产品少，集成度不高，适用范围也有极大的局限性。与此同时，材料力学理论课堂教学形式单一，降低了学生上课的学习效率以及教师教学的授课质量。基于上述问题，我们创新设计了一款集拉伸、压缩、弯曲、扭转、挠曲线方程的验证以及压杆稳定六种功能于一体的便携式多功能材料力学教具。旨在课堂上将实验现象及结果实时地进行视频展示，实现理论课堂教学与实验教学的同步进行。本作品不仅能作为教具辅助教师进行教学，丰富教学形式，还能作为实验平台供学生自主动手探究学习，提高同学们的学习兴趣。
便携式多功能材料力学教具结构紧凑，设计科学合理，具有小型化及便携式的特点，通过创新设计的联动式离合切换装置实现本作品在多种功能间的联动转换，能在一款教具上完成拉伸、压缩、弯曲、扭转、挠曲线方程的验证以及压杆稳定六种材料力学实验。机械系统的合理设计使得教具可以完整的演示六种实验现象，为了更好的显示材料力学实验现象以及更好的讲解不同材料的力学性能，我们自主研发了一款上位机软件和一套数据处理系统。上位机软件界面分为两部分，一部分是在实验过程中通过高清摄像头捕捉到的实时实验现象;另一部分是通过数据采集系统实时采集实时描点的力学性能曲线。通过将实时实验现象和实时实验曲线在同一个软件界面显示，并通过投影设备放大，达到了理论教学与实验教学相统一的目的。而数据采集系统则是由伺服驱动器、拉压力传感器、数字变送器、光电码盘传感器、数显功率计、高清摄像头、电源及自主开发的上位机软件等组成，可以将实验过程中的数据实时传递给上位机软件，从而在界面上绘制出力学性能曲线。目前本教具已获得国家发明专利受理。
除此之外，本教具还具有成本低廉的优点，整套装置的成本价大约在8000元左右，其中各类实验试样均可由学生自制完成。同时，若将本教具投入量产，则其成本价将会更加低廉。然而目前市场上的材料力学实验机不仅功能单一，而且单台实验机的价格少则几万元，多则几十万元，成本大大高于集多种功能于一身的本力学教具。表1是市场上的单一功能实验机与本力学实验机各方面参数的对比。
表1 单一功能设备与本实验设备参数对比
设备名称功 能尺 寸
(mm×mm×mm)重量(kg)成本
(万元)承载
能力精度
单一实验设备电子万能试验机拉伸、压缩实验830×550×200072020.050kN高
纯弯曲梁
教学试验台弯曲实验800×500×100452.010kN高
扭转试验机扭转实验1690×430×10905505.0500Nm高
挠度试验机挠曲线方程
验证实验800×550×20006001040KN高
压杆稳定试验机压杆稳定实验200×200×6107.51.02kN高
本实验设备便携式多功能材料力学教具以上所有实验350×250×610160.817kN/
48Nm较高
1拉伸实验
启动电机使试样轴向受拉力直至断裂。通过自主研制的实验数据处理系统，实时采集力与位移的数据，在屏幕上描点绘图。并应用多媒体技术实时将拉伸破坏现象和结果进行视频展示，通过观察低碳钢在拉伸过程中变形过程、破坏形式、断口形状以及力学性能曲线，检验低碳钢在拉伸时的力学性能。
2压缩实验
启动电机使试样轴向受压力直至断裂。与拉伸实验类似，通过观察镁合金在压缩过程中变形过程、破坏形式、断口形状以及力学性能曲线，检验镁合金在压缩时的力学性能。
3弯曲实验
启动电机使试样受弯矩作用产生变形。通过数据处理系统，计算得出沿截面高度方向上不同点之间的正应力，并应用多媒体技术实时将弯曲实验现象和结果进行视频展示，通过观察弯曲梁在弯曲试验过程中的变形以及弯曲正应力沿截面高度方向分布的力学性能曲线，验证平面假设的正确性，即横截面上正应力的大小沿高度线性分布。
4扭转实验
启动电机使试样周向受扭转力直至断裂。通过数据处理系统，实时采集扭矩与扭转角的数据，并应用多媒体技术实时将扭转破坏现象和结果进行视频展示，通过观察低碳钢在扭转过程中变形过程、破坏形式、断口形状以及力学性能曲线，检验低碳钢扭转时的力学性能。
5挠曲线方程验证实验
启动电机使试样受弯矩作用产生变形。通过数据处理系统，实时采集弯矩与挠度的数据，并应用多媒体技术实时将实验现象和结果进行视频展示，通过观察弯曲梁受弯矩作用变形现象，以及所受载荷与产生最大挠度之间的力学性能曲线，验证简单挠曲线方程的正确性。
6 压杆稳定实验
启动电机使试样轴向受压力直至压杆出现失稳现象。通过数据处理系统实时采集中间挠度与载荷的数据，并应用多媒体技术实时将压杆失稳现象和结果进行视频展示，通过观察弹簧钢在压杆稳定过程中变形过程以及力学性能曲线，检验弹簧钢的失稳理论并验证欧拉公式的正确性。
作品名称：便携式多功能材料力学教具
完成单位：武汉理工大学
