阅读说明：本技术 一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件 (Mechanics teaching aid component capable of displaying axial force, bending moment or torque ) 是由 王宗昊 李世康 马唯元 王致远 庄媛 杜纪龙 李为腾 于 2019-12-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件,由外壳结构、激光发射系统、光传导系统组成。所述的外壳结构由弹性壳体、轴力指示窗、弯矩指示窗、扭矩指示窗、承载片组成；所述的激光发射系统由轴力激光发射器、弯矩激光发射器、扭矩激光发射器组成；所述的光传导系统由轴力反光镜、弯矩反光镜、扭矩反光镜组成。构件受轴力时长度发生变化,激光经轴力反光镜反射后光点在轴力指示窗上指示出轴力数值和方向；构件受弯矩时,两底面夹角发生变化,激光经弯矩反光镜反射后光点在弯矩指示窗上指示出弯矩数值和方向；构件受扭矩时,两底面发生相对转动,激光经扭矩反光镜反射后光点在扭矩指示窗上指示出扭矩数值和方向。(The invention discloses a mechanics teaching aid component capable of displaying axial force, bending moment or torque, which consists of a shell structure, a laser emission system and a light conduction system. The shell structure consists of an elastic shell, an axial force indicating window, a bending moment indicating window, a torque indicating window and a bearing sheet; the laser emission system consists of an axial force laser emitter, a bending moment laser emitter and a torque laser emitter; the light conduction system consists of an axial force reflector, a bending moment reflector and a torque reflector. The length of the component is changed when the component is subjected to axial force, and the light spot indicates the axial force value and direction on the axial force indicating window after the laser is reflected by the axial force reflector; when the member is subjected to bending moment, the included angle between the two bottom surfaces changes, and the light spot of the laser reflected by the bending moment reflector indicates the bending moment value and the direction on the bending moment indicating window; when the component is subjected to torque, the two bottom surfaces rotate relatively, and the light spot indicates the torque value and the torque direction on the torque indicating window after the laser is reflected by the torque reflector.)

一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件

技术领域

本发明涉及教学用具领域，具体是一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件。

背景技术

生活中用到力学知识的地方无处不在，且通常物体并不一定受单一的力，然而物体受力状态很难直观感知。多数高校都开设结构力学、材料力学和理论力学等课程，这些课程是多数理工学科的专业基础课，但是对于学生来说力学课程抽象、难理解，而借助教具可使抽象的力学知识变得直观形象，帮助学生加深对力学知识的理解。

中国发明专利CN201810316796.X公开了一种结构力学教具，包括受力部件、弹性连接环和支座，观察施加荷载后的受力部件形变状态。但此发明无法直观展示结构所受的轴力并给出具体数值。中国发明专利CN201510783859.9公开了一种便携组装式理论力学教具，整个装置安装在手提式的箱体内，教师可按照拼装方法示意图拼装教具通用件。此发明结构复杂，造价高并不适用于大范围推广，也不能直观展示结构所受轴力、扭矩或弯矩的具体数值。

总体上，目前针对教学用的力学教具较少，而且没有一种既经济又能直观展示轴力、弯矩或扭矩的教具，难以进行广泛的生活科普以及有效的力学课程教学。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件，能够满足生活科普和力学课程教学的需要，让人们直观感知物体受轴力的状态，有助于学生对力学知识的理解。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可显示轴力、弯矩和扭矩的力学教具构件，其特征在于：由外壳结构、激光发射系统、光传导系统组成。所述的外壳结构由弹性壳体、轴力指示窗、弯矩指示窗、扭矩指示窗、承载片组成。所述的激光发射系统由一个轴力激光发射器、一个弯矩激光发射器、一个扭矩激光发射器组成，各激光发射器均有内置的微型电池作为电源，可根据需要控制各个激光发射器的开关状态。所述的光传导系统由两个轴力反光镜、两个弯矩反光镜、一个扭矩反光镜组成。

进一步的，所述外壳结构除指示窗部分外，其余部分均不透光，指示窗部分半透光，以便观察光点位置并且防止激光过强对观察者造成伤害。

进一步的，所述弹性壳体的弹性大小满足构件受到微小形变后光点能发生有效移动的需求（可取EA=85~95kN/m;GI_p=0.6~0.7N∙m/rad）；所述的轴力指示窗和弯矩指示窗分别位于外壳结构筒壁外表面的相对侧并且轴向平行分布；所述的扭矩指示窗位于轴力指示窗和弯矩指示窗之间且环向分布。所述的承载片分布在弹性壳体两端。

进一步的，所述的轴力指示窗、弯矩指示窗和扭矩指示窗上分别标有表示大小的刻度及轴力、弯矩、扭矩的方向标识。

进一步的，所述的承载片表面粗糙，以增大摩擦，方便向构件施加载荷。

进一步的，所述的轴力激光发射器与弯矩激光发射器分别位于底面内壁同一直径的两端，且激光出射方向分别与此直径成度数相同的锐角，以满足轴力激光与弯矩激光经反射后分别打在对应指示窗的0刻度处。

进一步的，所述的扭矩激光发射器位于底面内壁圆心处，且激光出射方向与底面垂直。

进一步的，所述的轴力反光镜为细长矩形，一个位于激光出射端底面内壁圆心偏下靠近弯矩激光发射器位置，另一个位于另一端底面内壁圆心偏上位置，以满足激光经两次反射后光点打在轴力指示窗0刻度处。

进一步的，所述的弯矩反光镜为细长矩形，一个位于激光出射端底面内壁圆心偏上靠近轴力激光发射器位置，另一个位于另一端底面内壁圆心偏下位置，以满足激光经两次反射后光点打在弯矩指示窗0刻度处。

进一步的，所述的扭矩反光镜为圆形，位于激光出射端相对端的底面内壁圆心处，且镜面与光线出射方向有一定夹角，以满足激光经反射后打在扭矩指示窗0刻度处。

轴力显示原理为：构件受拉力时长度增加，轴力激光发射器发出的激光所经过的几何路程增大，导致光点在外壳结构筒壁上向激光出射端移动；构件受压力时长度减小，轴力激光发射器发出的激光所经过的几何路程减小，导致光点在外壳结构筒壁上向另一端移动；撤去轴力后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

弯矩显示原理为：构件受负向弯矩，两底面所成夹角发生变化，弯矩激光发射器发出的激光反射时入射光和反射光间夹角变大，导致光点在外壳结构筒壁上向激光出射端移动；构件受正向弯矩，弯矩激光发射器发出的激光反射时入射光和反射光间夹角变小，导致光点在外壳结构筒壁上向另一端移动；撤去弯矩后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

扭矩显示原理为：构件受正向扭矩，扭矩反光镜相对激光出射端发生逆时针转动，导致光点在外壳结构筒壁上沿某一方向移动；构件受负向扭矩，扭矩反光镜相对激光出射端发生顺时针转动，导致光点在外壳结构筒壁上沿另一方向移动；撤去扭矩后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

本发明一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件，使用方法具体包括以下步骤：

（1） 通过标准轴力传感器标定轴力指示刻度值，通过标准弯矩传感器标定弯矩指示刻度值，通过标准扭矩传感器标定扭矩指示刻度值；

（2）调整构件的角度、位置，方便观察指示窗；

（3）根据需要，打开所需激光发射器开关，对构件施加外载荷；

（4）观察构件的指示窗，读取构件所受轴力、弯矩或扭矩的方向及大小。

本发明一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件，其特点为：

（1）直观显示轴力、弯矩或扭矩的大小和方向；

（2）可单个使用，也可根据需要组装成各种结构形式；

（3）直观反映较小轴力、弯矩或扭矩的变化；

（4）无需外接电源，由内置的微型电池供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术方案，下面将对本发明或现有技术方案描述中所需要使用的附图进行介绍。

图1为本发明的剖面图；

图2为本发明的a-a、b-b、c-c剖面图；

图3为本发明的受拉示意图；

图4为本发明的受弯矩示意图；

图5为本发明的受扭矩示意图；

图例说明：11-轴力激光发射器；12-扭矩激光发射器；13-弯矩激光发射器；21-轴力反光镜、22-弯矩反光镜； 23-扭矩反光镜；31-弯矩指示窗；32-轴力指示窗；33-扭矩指示窗；4-弹性壳体；5-承载片；6-激光光线。

具体实施方式

本发明提供一种可显示轴力的组装式力学教具构件，为使本发明的目的、技术方案更加清楚、明确，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种可显示轴力、弯矩和扭矩的力学教具构件，其特征在于：由外壳结构、激光发射系统、光传导系统组成。所述的外壳结构由弹性壳体4、轴力指示窗31、弯矩指示窗32、扭矩指示窗33、承载片5组成。所述的激光发射系统由一个轴力激光发射器11、一个弯矩激光发射器12、一个扭矩激光发射器13组成，各激光发射器有内置的微型电池作为电源，可根据需要控制各个激光发射器的开关状态。所述的光传导系统由两个轴力反光镜21、两个弯矩反光镜22、一个扭矩反光镜23组成。

进一步的，所述外壳结构除指示窗部分外，其余部分不透光，指示窗部分半透光，以便观察光点位置并且防止激光过强对观察者造成伤害。

进一步的，所述弹性壳体4的弹性大小满足构件受到微小形变后光点能发生有效移动的需求（可取EA=85~95kN/m;GI_p=0.6~0.7N∙m/rad）；所述的轴力指示窗31和弯矩指示窗32分别位于外壳结构筒壁外表面的相对侧并且轴向平行分布；所述的扭矩指示窗33位于轴力指示窗31和弯矩指示窗32之间且环向分布。所述的承载片5分布在弹性壳体4两端。

进一步的，所述的轴力指示窗31、弯矩指示窗32和扭矩指示窗33上分别标有表示大小的刻度及轴力、弯矩、扭矩的方向标识。

进一步的，所述的承载片5表面粗糙，以增大摩擦，方便向构件施加载荷。

进一步的，所述的轴力激光发射器11与弯矩激光发射器12分别位于底面内壁同一直径的两端，且激光出射方向分别与此直径成度数相同的锐角，以满足轴力激光与弯矩激光经反射后分别打在对应指示窗的0刻度处。

进一步的，所述的扭矩激光发射器13位于底面内壁圆心处，且激光出射方向与底面垂直。

进一步的，所述的轴力反光镜21为细长矩形，一个位于激光出射端底面内壁圆心偏下靠近弯矩激光发射器12位置，另一个位于另一端底面内壁圆心偏上位置，以满足激光经两次反射后光点打在轴力指示窗31的0刻度处。

进一步的，所述的弯矩反光镜22为细长矩形，一个位于激光出射端底面内壁圆心偏上靠近轴力激光发射器11位置，另一个位于另一端底面内壁圆心偏下位置，以满足激光经两次反射后光点打在弯矩指示窗32的0刻度处。

进一步的，所述的扭矩反光镜23为圆形，位于激光出射端相对端的底面内壁圆心处，且镜面与光线出射方向有一定夹角，以满足激光经反射后打在扭矩指示窗33的0刻度处。

轴力显示原理为：构件受拉力时长度增加，轴力激光发射器11发出的激光所经过的几何路程增大，导致光点在外壳结构筒壁上向激光出射端移动；构件受压力时长度减小，轴力激光发射器11发出的激光所经过的几何路程减小，导致光点在外壳结构筒壁上向另一端移动；撤去轴力后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

弯矩显示原理为：构件受负向弯矩，两底面所成夹角发生变化，弯矩激光发射器12发出的激光反射时入射光和反射光间夹角变大，导致光点在外壳结构筒壁上向激光出射端移动；构件受正向弯矩，弯矩激光发射器12发出的激光反射时入射光和反射光间夹角变小，导致光点在外壳结构筒壁上向另一端移动；撤去弯矩后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

扭矩显示原理为：构件受正向扭矩，扭矩反光镜23相对激光出射端发生逆时针转动，导致光点在外壳结构筒壁上沿某一方向移动；构件受负向扭矩，扭矩反光镜23相对激光出射端发生顺时针转动，导致光点在外壳结构筒壁上沿另一方向移动；撤去扭矩后构件恢复初始状态，光点回到0刻度。

本发明一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件，使用方法具体包括以下步骤：

（1） 通过标准轴力传感器标定轴力指示刻度值，通过标准弯矩传感器标定弯矩指示刻度值，通过标准扭矩传感器标定扭矩指示刻度值；

（2）调整构件的角度、位置，方便观察指示窗；

（3）根据需要，打开所需激光发射器开关，对构件施加外载荷；

（4）观察构件的指示窗，读取构件所受轴力、弯矩或扭矩的方向及大小。

本发明一种可显示轴力、弯矩或扭矩的力学教具构件，其特点为：

（1）直观显示轴力、弯矩或扭矩的大小和方向；

（2）可单个使用，也可根据需要组装成各种结构形式；

（3）直观反映较小轴力、弯矩或扭矩的变化；

（4）无需外接电源，由内置的微型电池供电。