一种测定开口薄壁梁弯曲中心的试验装置

【摘要】本文展示了一种可以测定开口薄壁梁弯曲中心的试验装置。该试验装置包括开口薄壁梁固定调节系统与加载测量系统。试验设计采用悬臂梁加载的方式。竖向加载系统提供横力作用且能显示力值大小，水平位移系统测量扭转变形。通过记录某一横力作用下的扭转变形，可以确定加载位置是否处于弯曲中心。通过调节开口薄壁梁的水平位置，寻找出扭转变形等于零的加载位置，该加载位置即为弯曲中心。本发明所指的试验装置可以针对不同横截面的开口薄壁梁进行弯曲中心的测量，测量准确度高，能实现灵活调节，测量过程直观、简便、快捷，避免了复杂截面的繁冗计算，具有一定应用价值和现实意义。

【关键词】开口薄壁梁;弯曲中心;实验教学改革

引言

开口薄壁梁在工程中有着广泛的应用。如土木桥梁工程、海洋船舶工程、航空航天工程中的高耸结构、大跨度结构等经常采用一些开口薄壁截面梁。对开口薄壁截面梁。当横力作用平面平行于形心主惯性平面且通过截面内某一特定点时，薄壁截面梁只发生弯曲而不发生扭转，则该点为弯曲中心。弯曲中心也称为剪力中心或扭转中心。若横力没有作用于弯曲中心，薄壁截面梁在发生弯曲的同时，还将发生扭转。

目前，对于开口薄壁截面梁的弯曲中心的确定一般采用材料力学的理论进行计算获得。但实际工程采用的开口薄壁截面形状会千变万化，对于一些不规则截面，弯曲中心的计算就显得相对困难。虽然计算机辅助设计能够帮助确定弯曲中心，但却无法考虑工程构件实际制作过程的离散性所引起的偏差，比如，构件薄壁尺寸的不均匀性、实际加工的尺寸偏差等。因此，通过试验测定实际构件的弯曲中心有着重要的现实工程意义。

本发明介绍一种通过试验测定开口薄壁悬臂梁的弯曲中心的装置。通过该装置测定的开口薄壁梁弯曲中心会考虑到工程构件实际制作过程的离散性所引起的偏差。利用该装置对复杂截面开口薄壁梁的弯曲中心进行确定更简便快捷。

1.试验装置的结构

1.1 结构

图1所示为开口薄壁梁弯曲中心的试验装置结构图。

机械结构包括：

（1）开口薄壁梁

（2）固定座

（3）台座

（4）轨道

（5）横向调节手轮

（6）锁紧螺钉

（7）水平调节螺母

（8）门字形加载架

（9）刻度盘

（10）加力手轮

（11）涡轮蜗杆减速器

（12）压头

（13）力传感器

（14）力值显示器

（15）水平千分表

图1 开口薄壁梁弯曲中心试验装置结构示意图

1.2 装配及实现过程

开口薄壁悬臂梁弯曲中心测定试验装置分为开口薄壁梁固定调节系统与加载测量系统两部分。

开口薄壁梁固定调节系统构成如下：开口薄壁梁1一端固定在固定座2上，固定座可在台座3的轨道4上水平滑动，滑动方向处于开口薄壁梁1的横截面平面内。水平滑动的实现是通过横向调节手轮5的转动完成，横向调节手轮的转动可通过其上面的刻度盘9读取水平调节的距离。固定座与滑道间燕尾型滑动连接，滑道与台座间用螺栓紧固连接。进行测试时，应采用锁紧螺钉6对固定座进行固定，防止测试过程出现水平滑动。台座底部设有四个水平调节螺母7，测量前，应首先调节水平调节螺母，确保台座处于水平状态。

加载测量系统构成如下：门字形加载架8固定在台座上。转动加载手轮10可驱动涡轮蜗杆减速器系统11，进而带动压头12对开口薄壁梁1的悬臂端施加竖向作用力。在压头上部连接一测力传感器13，力传感器的力值大小通过力值显示器14显示。在开口薄壁梁的自由端横截面的侧面上下位置各设置一水平千分表15，水平千分表要与开口薄壁梁1的纵向轴线垂直。

2.开口薄壁梁弯曲中心试验装置的工作过程

调节水平调节螺母7，使得台座3处于水平状态，采用水准尺对台座的水平状态进行校准。安装要测量的开口薄壁梁1，开口薄壁梁的一端与固定座2刚性连接在一起，注意采用水准尺对开口薄壁梁的水平度进行校准，确保其处于水平状态。选择任一位置，旋转锁紧螺钉6固定。打开仪器电源开关，启动力值显示器14，调零。安装水平千分表15，使其分别位于开口薄壁梁自由端两侧的靠近上下表面的侧面位置，并调节水平，调零或记录初始读数。转动加力手轮10，使得压头12与开口薄壁梁的上表面接触，并施加一定力，要注意该力值不可过大，要确保开口薄壁梁处于弹性状态。记录两个水平千分表的读数。转动加力手轮卸载，使得压头与开口薄壁梁分离。卸除水平千分表，松开锁紧螺钉，转动横向调节手轮5，使得固定座在轨道4上滑动。确定一个与前面测试不同的位置，锁紧螺钉。重复上述过程直到两个水平千分表显示无扭转变形为止，记录此时的压头在开口薄壁梁上表面的加载点位置，该位置即为弯曲中心位置。

3.开口薄壁梁弯曲中心理论分析

以工程中比较常见的槽型截面为例，假设槽型截面梁腹板与翼缘厚度均为t，设外力与形心主惯性平面yz平行，根据剪力流特性，截面上剪力如流水一样总是连续的，根据材料力学理论公式：

同时得出在腹板上剪应力的合力正好等于横截面上所有的剪力Q。翼缘上剪应力的合力T为剪应力三角形面积乘以翼缘厚度t，即：

按照静力等效原理合成一个力Q的作用，如图所示，根据力矩平衡方程：

Q・e-T・h=0

得到：

4.结论

该试验装置作为工程力学实验教学改革成果之一，已被列入我学部基础力学实验课程，通过加入电测方法，测量弯曲中心及内力分量，充分体现了该实验的综合性与设计性，在我校的教学改革实践当中起到了积极的示范作用。

参考文献

[1]孙训方，方孝淑.材料力学：上册[M].北京：人民教育出版社，1978.

[2]汤昕燕.弯曲中心理论公式的推导和应用[J].南京工业大学学报，2007.