【压杆稳定综合试验机】
功能/作用介绍：
压杆稳定综合实验机是在国内率先开发的跨课程综合实验装置，主要针对用材料力学方法测量压杆稳定临界值一直存在实验过程与压杆稳定理论条件不一致的问题。装置设计应用振动力学原理和方法、传感技术和虚拟仪器测试技术，解决了工科力学中压杆稳定临界值的精确测量问题，以及工程中实际受压杆不允许被压至临界状态的临界值测量难题。这一试验设计将《振动力学》和《材料力学》两门课程知识融合一起，能同时用振动力学、材料力学两种方法完成受压杆件临界压力测量，并能比较两种不同实验方法所得结果，实现跨课程的实验教学。装置设计使得细长杆不仅在压力状态下实现临界压力确定，还能在拉力状态下实现临界压力确定，避免了细长杆受压过程中杆件变形及约束等敏感因素对测定值的影响。装置设计在2007年11月获国家发明专利;09年获省教学成果一等奖;2010年被编入国家级力学实验教学示范中心特色实验成果汇集，在全国高校推广、示范。
装置的设计特色：压杆稳定综合实验机包括：试验机座、左装卡支撑系统、右装卡支撑系统、加载系统、测力系统、测量试件挠度和横向振动的位移传感器，以及数据处理系统。其中设计具有：
①机动、手动两种加载方式，其中加载手轮同时可以充当判断机动加载时电机转向、快慢的标志，便于操作;
②无级调速控制系统和滚珠丝杠进给系统，能保证该装置在额定最低进给速度0.05mm/min时，无爬行现象;
③仅用一个传感器即可完成挠度与振动信号的无接触测量;信噪比高，保证了信号分析的质量;
④拉、压两用的多种约束结构，使细长杆不仅在压缩状态下完成临界载荷测量，还能在拉伸状态下完成临界载荷测量;
⑤“虚拟分析仪”中的频谱分析功能代替了传统的频谱分析仪，并能给出两种实验曲线：材料力学的载荷—挠度曲线和振动力学的频率—载荷曲线。
设计的理论基础：处于直线平衡状态的压杆(或拉杆)受横向干扰力作用，会发生微小弯曲。对于普通材料的受压杆，其结构阻尼很小，在干扰消除后，受压杆必然会以其原来的直线平衡位置为中心往复振动，最后静止在原来的直线平衡位置上。但如果原来的直线平衡状态是不稳定的，受压杆处于临界平衡状态，则在干扰消除后，挠曲线就会保持其弯曲状态而不能回到其原来的直线位置。这说明处于临界平衡状态的受压杆，在干扰消除后不能以其原来的直线平衡位置为中心往复振动，或说成是振动的频率变为零，是它在原来的直线平衡位置失稳的标志。
在轴向载荷作用下，细长杆在直线平衡位置作横向微幅振动时，各阶固有频率的平方与轴向载荷成线性关系。而我们需要的只是使压杆失稳的最小压力，这个最小压力对应第1阶固有圆频率等于零，这样只需考虑1阶固有圆频率的情况：式中是取决于受压杆尺寸、材料和边界条件的常数。此公式即是用振动方法测量压杆临界压力的理论基础。
使用方便、操作空间大：压杆稳定综合试验机实验时，由电动机通过减速系统驱动压力头对杆施加轴向压力(或拉力)。只要轴向压力不大，受压杆的直线平衡状态就是稳定的，横向轻微敲击，受压杆(或拉杆)就会在原来的直线平衡位置上作自由振动，最后仍然静止在直线平衡位置上。将位移传感器测量的振动信号或挠度信号、测力传感器测量的轴向力信号传入计算机进行分析，可得若干不同载荷下的1阶固有频率及，再用最小二乘法可得以为横坐标、以为纵坐标的实验曲线。由实验原理，该实验曲线一定是直线分布。
压杆失稳的动力学标志是自由振动的频率等于零，因此，可从实验直线做延长线与坐标轴相交，坐标轴上的交点即为临界压力的实验值。此临界压力实验值与欧拉公式给出的临界压力理论值十分接近。
此外，测力传感器和位移传感器的信号传输到计算机处理后，还可得到用材料力学方法的临界压力。进一步可分析、比较两种不同实验方法所得的结果。
本综合试验机水平卧式、没有导向柱的结构布置，使得实验者的操作空间和学生的观察空间远大于现有的万能试验机空间，整体结构轻巧，加载方式可以机动，也可以手动，在机动加载时手轮还可以显示电动机低速转动的方向。
开发及应用：装置的研制是用不同课程的理论、实验方法完成同一实验，有意识将不同力学课程的知识贯通于同一实验中，以更高的标准及质量完成这一实验教学，为学生开出设计新颖、功能独特、具有应用价值的特色实验，为创新教学搭建实验平台，为创新人才培养建立创新环境;它是哈工大教育质量工程建设的一部分。压杆稳定的综合实验于2000年9月即在哈工大国家工科力学基地立项、开发，2003年9月，前期工作《振动力学、材料力学关于压杆稳定的综合实验装置》通过校内专家鉴定，并应用于实验教学，2005年夏季，改进版的“压杆稳定综合试验机(简称HIT-YWZS-A)”研制工作完成，目前已应用教学12年。
完成单位：哈尔滨工业大学航天学院
作品名称：压杆稳定综合试验机
