一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 206370209 U(45)授权公告日 2017.08.01

(21)申请号 201621162016.3(22)申请日 2016.10.24

(73)专利权人 大连理工大学

地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工

路2号

专利权人 烟台大学　

烟台新天地试验技术有限公司(72)发明人 陈廷国　谢鹏　蔡洪浩　李映雪　

胡乔元　吴江龙　(74)专利代理机构 大连理工大学专利中心

21200

代理人 梅洪玉　潘迅(51)Int.Cl.

G09B 23/10(2006.01)

(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利()实用新型名称

一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具

(57)摘要

本实用新型提供一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，该多功能教具包括两刚片方案或三刚片方案。所述的两刚片方案中，两个刚片的板面位于同一垂直平面内且相互平行，两个刚片中心点的连线与刚片短边相互平行，中心点的连线为350mm；所述的三刚片方案中，三个刚片的板面位于同一垂直平面内，所述的D刚片和E刚片均长300mm，宽200mm，位于多功能教具的一侧；所述的C刚片长650mm，宽150mm，位于多功能教具的另一侧。本实用新型能够通过不同刚片上不同位置节点与杆件的组合连接，实现不同情况下的各种体系，利用结构自身重力作为荷载，实现几何可变体系、几何常变体系和几何瞬变体系在不同情况下的变换。

权利要求书1页 说明书5页 附图9页

CN 206370209 UCN 206370209 U

权　利　要　求　书

1/1页

1.一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，其特征在于，所述的多功能教具包括矩形A刚片、矩形B刚片和杆件；所述的A刚片和B刚片的长为604mm，宽为300mm，厚度为6mm；所述的两个刚片的板面位于同一垂直平面内且相互平行，两个刚片中心点的连线与刚片短边相互平行，中心点的连线为350mm；所述的刚片与杆件之间采用铰接的方式连接；

以A刚片下方长边中心为平面直角坐标系中心，长边作为x轴方向，建立单位为mm的平面直角坐标系；所述的A刚片上有6个结点，结点坐标分别为A1(-252,75)A2(-202,75)A3(-202,21)A4(0,75)A5(202,75)A6(252,75)，所述的A刚片四个角点坐标为(-302,0)、(302,0)、(-302,150)、(302，150)；所述的B刚片上有5个结点，结点坐标分别为B1(-202,425)B2(-50,425)B3(0,425)B4(50,425)B5(202,425)，B刚片四个角点坐标为(-302,350)、(302,350)、(-302,500)、(302，500)；

所述的多功能教具能够实现几何可变体系、几何常变体系和几何瞬变体系在不同情况下的变换。

2.根据权利要求1所述的一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，其特征在于，所述的A刚片和B刚片均采用铝合金材料制作；所述的杆件采用不锈钢材料，厚度为2mm。

3.一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，其特征在于，所述的多功能教具包括矩形C刚片、矩形D刚片、矩形E刚片和杆件；所述的三个刚片的板面位于同一垂直平面内，所述的D刚片和E刚片的长为300mm，宽为200mm，位于多功能教具的一侧，所述的C刚片长650mm，宽150mm，位于多功能教具的另一侧；所述的三个刚片的中心点的连线形成三角形，E刚片和D刚片中心点的连线与E刚片长边相互平行，连线长为350mm；C刚片、D刚片，C刚片、E刚片的中心距离均为455mm；所述的刚片与杆件之间全部使用铰接的方式连接；

以C刚片下方长边中心为平面直角坐标系中心，长边作为x轴方向，建立单位为mm的平面直角坐标系；所述的C刚片采用铝合金材料，厚度为6mm，其四个角点坐标为(-325,0)、(325,0)、(-325,150)、(325，150)，其结点坐标C1(-275,122)C2(-225,122)C3(-50,122)C4(50,122)C5(225,122)C6(275,122)C7(-50,75)C8(50,75)；所述的D刚片为矩形采用铝合金材料，厚度为6mm，其四个角点坐标为(-325,395)、(-25，395)、(-25,595)、(-325，595)，结点坐标D1(-275,565)D2(-175,565)D3(-275,495)D4(-175,495)D5(-275,425)D6(-209,425)D7(-175,425)D8(-50,425)；所述的E刚片采用铝合金材料，厚度为6mm；其四个角点坐标为(325,395)、(25，395)、(25,595)、(325，595)，结点坐标E1(275,565)E2(175,565)E3(275,495)E4(175,495)E5(275,425)E6(209,425)E7(175,425)E8(50,425)；

所述的多功能教具能够实现几何可变体系、几何常变体系和几何瞬变体系在不同情况下的变换。

4.根据权利要求3所述的一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，其特征在于，所述的C刚片、D刚片和E刚片均采用铝合金材料制作；所述的杆件采用不锈钢材料，厚度为2mm。

2

CN 206370209 U

说　明　书

一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具

1/5页

技术领域[0001]本实用新型属于土木工程专业结构力学教学领域，涉及一种用于结构力学几何组成分析教学的多功能教具。

背景技术[0002]结构力学是高等院校土木工程专业的必修学科，理论教学一直以来是高等院校结构力学的主要教学方法，但随着高等教育对实验教学的重视，开展结构力学实验也成为一种势在必行的趋势。[0003]几何组成分析作为结构力学课程的开篇章节，从几何组成的角度讨论结构力学中的一个侧面，但几何组成分析与内力分析之间又是密切相关的。[0004]从几何组成的角度来看，杆件体系可分为两类：几何可变体系、几何不变体系；其中，几何可变体系又可以分为几何常变体系和几何瞬变体系。在平面体系的几何组成分析中，最基本的规律是铰接两刚片规则和三刚片规则。[0005]学生仅仅通过书本上的学习，难以体会不同体系在荷载作用下的受力特性及位移特性，而由于现阶段实验室条件，难以满足所有学生的实验要求。因此，作为结构力学教学中不可或缺的一部分，可靠、直观、便捷的几何组成分析教具成为了亟需考虑的问题。[0006]本实用新型提供了一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，通过结构自身重力作为荷载，以目测的方法看出结构的位移量变化，以杆件的失稳变形量作为衡量杆件受力的指标，通过不同刚片上不同位置节点、杆件的多种方式的组合连接，实现了上述三种体系的灵活转换，为结构力学几何组成分析教学的顺利进行奠定了基础。实用新型内容[0007]为提高结构力学几何组成分析教学内容的直观性，实用新型一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，实现了上述三种体系的灵活转换，为结构力学几何组成分析教学的顺利进行奠定了基础。[0008]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：[0009]一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，该多功能教具包括两刚片方案或三刚片方案；所述的多功能教具能够实现几何可变体系、几何常变体系和几何瞬变体系在不同情况下的变换。[0010]所述的两刚片方案中，两个刚片的板面位于同一垂直平面内且相互平行，两个刚片中心点的连线与刚片短边相互平行，中心点的连线为350mm。[0011]所述的两刚片的多功能教具包括矩形A刚片、矩形B刚片和杆件时，以A刚片下方长边中心为平面直角坐标系中心，长边作为x轴方向，建立单位为mm的平面直角坐标系；所述的A采用铝合金材料，长604mm，宽300mm，厚度为6mm，A刚片上有6个结点；A刚片四个角点坐标为(-302,0)、(302,0)、(-302,150)、(302，150)，A刚片六个结点坐标A1(-252,75)A2(-202,75)A3(-202,21)A4(0,75)A5(202,75)A6(252,75)。所述的B刚片采用铝合金材料，长

3

CN 206370209 U

说　明　书

2/5页

604mm，宽300mm，厚度为6mm，B刚片上有5个结点；B刚片四个角点坐标为(-302,350)、(302,350)、(-302,500)、(302，500)，厚度为6mm；B刚片结点坐标B1(-202,425)B2(-50,425)B3(0,425)B4(50,425)B5(202,425)。所述的杆件采用不锈钢材料，厚度为2mm，所述的刚片与杆件之间采用铰接的方式连接。[0012]所述的三刚片的多功能教具包括矩形C刚片、矩形D刚片、矩形E刚片和杆件时，以C刚片下方长边中心为平面直角坐标系中心，长边作为x轴方向，建立单位为mm的平面直角坐标系。所述的C刚片采用铝合金材料，厚度为6mm，其四个角点坐标为(-325,0)、(325,0)、(-325,150)、(325，150)，其结点坐标C1(-275,122)C2(-225,122)C3(-50,122)C4(50,122)C5(225,122)C6(275,122)C7(-50,75)C8(50,75)。所述的D刚片为矩形采用铝合金材料，厚度为6mm，其四个角点坐标为(-325,395)、(-25，395)、(-25,595)、(-325，595)，结点坐标D1(-275,565)D2(-175,565)D3(-275,495)D4(-175,495)D5(-275,425)D6(-209,425)D7(-175,425)D8(-50,425)。所述的E刚片采用铝合金材料，厚度为6mm；其四个角点坐标为(325,395)、(25，395)、(25,595)、(325，595)，结点坐标E1(275,565)E2(175,565)E3(275,495)E4(175,495)E5(275,425)E6(209,425)E7(175,425)E8(50,425)。所述的刚片与杆件之间全部使用铰接的方式连接。[0013]所述的的三刚片方案中，三个刚片的板面位于同一垂直平面内，所述的D刚片和E刚片均长300mm，宽200mm，位于多功能教具的一侧；所述的C刚片长650mm，宽150mm，位于多功能教具的另一侧。所述的三个刚片的中心点的连线形成三角形，E刚片和D刚片中心点的连线与E刚片长边相互平行，中心点的连线为350mm；C刚片、D刚片中心距离455mm；C刚片、E刚片中心距离455mm。连接C刚片、D刚片的杆件与其他杆件不在同一平面内，体系变形时，杆件相互不干扰。[0014]本实用新型的有益效果为：通过不同刚片上不同位置节点与杆件的组合连接，实现不同情况下的各种体系，利用结构自身重力作为荷载，以目测的方法看出结构的位移量变化，以杆件的失稳变形量作为衡量杆件受力的指标，可直观地表现出不同体系的受力特性及位移特性，同时本实用新型作为教具十分轻便，便于课堂上使用。附图说明[0015]图1为板面示意图；[0016]图2为两刚片的多功能教具节点位置示意图；[0017]图3为两刚片的多功能教具用于几何常变体系情况1示意图；[0018]图4为两刚片的多功能教具用于几何常变体系情况2示意图；[0019]图5为两刚片的多功能教具用于几何瞬变体系情况1示意图；[0020]图6为两刚片的多功能教具用于几何瞬变体系情况2示意图；[0021]图7为两刚片的多功能教具用于几何不变体系示意图；[0022]图8为三刚片的多功能教具节点位置示意图；[0023]图9为三刚片的多功能教具用于三铰无穷远情况下几何瞬变体系示意图；[0024]图10为三刚片的多功能教具用于三铰无穷远情况下几何常变体系示意图；[0025]图11为三刚片的多功能教具用于两铰无穷远情况下几何不变体系示意图；[0026]图12为三刚片的多功能教具用于两铰无穷远情况下几何瞬变体系示意图；

4

CN 206370209 U[0027][0028][0029][0030][0031]

说　明　书

3/5页

图13为三刚片的多功能教具用于两铰无穷远情况下几何可变体系示意图；图14为三刚片的多功能教具用于一铰无穷远情况下几何不变体系示意图；图15为三刚片的多功能教具用于一铰无穷远情况下几何瞬变体系示意图；图16为三刚片的多功能教具用于一铰无穷远情况下几何可变体系示意图；

图17为三刚片的多功能教具用于三铰都不是无穷远铰情况下几何不变体系示意图18为三刚片的多功能教具用于三铰都不是无穷远铰情况下几何瞬变体系示意

图；

[0032]

图。

具体实施方式[0033]下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。[0034]一种用于结构力学几何组成分析的多功能教具，该多功能教具包括两刚片方案或三刚片方案；所述的多功能教具能够实现几何可变体系、几何常变体系和几何瞬变体系在不同情况下的变换。[0035]所述的两刚片方案中，两个刚片的板面位于同一垂直平面内，且相互平行，两个刚片中心点的连线与刚片短边相互平行，中心点的连线为350mm，如图2所示。[0036]所述的两刚片的多功能教具包括A刚片、B刚片和杆件时，如图2所示，建立平面直角坐标系，平面直角坐标系的单位为mm；所述的A刚片为矩形，采用铝合金材料，长604mm，宽300mm，厚度为6mm，A刚片上有6个结点；四个角点坐标为(-302,0)、(302,0)、(-302,150)、(302，150)，所述的结点坐标A1(-252,75)A2(-202,75)A3(-202,21)A4(0,75)A5(202,75)A6(252,75)。所述的B刚片为矩形，采用铝合金材料，长604mm，宽300mm，厚度为6mm，B刚片上有5个结点；四个角点坐标为(-302,350)、(302,350)、(-302,500)、(302，500)，采用铝合金材料，厚度为6mm；结点坐标B1(-202,425)B2(-50,425)B3(0,425)B4(50,425)B5(202,425)。所述的杆件采用不锈钢材料，厚度为2mm，所述的刚片与杆件之间采用铰接的方式连接。[0037]所述的两刚片的多功能教具用于几何常变体系时，包括两种结构，具体为：[0038]所述的A刚片和B刚片通过三根杆件连接，每根杆件的两端均分别连接两个刚片；所述的三根杆件的一端均连接于其中一个刚片上的一个点，三根杆件的另一端分别连接于另一个刚片上的不同位置的三个点。如图3所示，A2、B3连接，A4、B3连接，A5、B3连接。[0039]所述的A刚片和B刚片通过三根杆件连接，每一根杆件均一端连接一个刚片，另一端连接另一个刚片；所述的三根杆件相互平行且等长，如图4所示，A2、B1连接，A4、B3连接，A5、B5连接。[0040]所述的两刚片的多功能教具用于几何瞬变体系时，包括两种结构，具体为：[0041]所述的两个刚片通过三根杆件连接，每一根杆件均一端连接一个刚片，另一端连接另一个刚片；所述的三根杆件一端分别连接于其中一个刚片的不同位置的三个点，三根杆件的另一端分别连接于另一个刚片上的不同位置的三个点，但三根杆件的延长线交于一点；如图5所示，A1、B2连接，A4、B3连接，A6、B4连接。[0042]所述的两个刚片通过三根杆件连接，每一根杆件均一端连接一个刚片，另一端连接另一个刚片，三根杆件相互平行但不等长；如图6所示，A3、B1连接，A4、B3连接，A5、B5连接。

5

CN 206370209 U[0043]

说　明　书

4/5页

所述的两刚片的多功能教具用于几何不变体系时，具体为：

[0044]所述的两个刚片通过三根杆件连接，每一根杆件均一端连接一个刚片，另一端连接另一个刚片；所述的三根杆件中的两根杆件交于一点或两根杆件的延长线交于一点，此交点并不在另一根杆件或另一根杆件的延长线上；如图7所示，A1、B2连接，A4、B3连接，A5、B5连接。[0045]所述的三刚片的多功能教具包括C刚片、D刚片、E刚片和杆件时，如图8所示，建立平面直角坐标系。所述的C刚片为矩形，四个角点坐标为(-325,0)、(325,0)、(-325,150)、(325，150)，采用铝合金材料，厚度为6mm；结点坐标C1(-275,122)C2(-225,122)C3(-50,122)C4(50,122)C5(225,122)C6(275,122)C7(-50,75)C8(50,75)。所述的D刚片为矩形，四个角点坐标为(-325,395)、(-25，395)、(-25,595)、(-325，595)，采用铝合金材料，厚度为6mm；结点坐标D1(-275,565)D2(-175,565)D3(-275,495)D4(-175,495)D5(-275,425)D6(-209,425)D7(-175,425)D8(-50,425)。所述的E刚片为矩形，四个角点坐标为(325,395)、(25，395)、(25,595)、(325，595)，采用铝合金材料，厚度为6mm；结点坐标E1(275,565)E2(175,565)E3(275,495)E4(175,495)E5(275,425)E6(209,425)E7(175,425)E8(50,425)。所述的刚片与杆件之间全部使用铰接的方式连接。[0046]所述的的三刚片方案中，三个刚片的板面位于同一垂直平面内，所述的D刚片和E刚片均长300mm，宽200mm，位于多功能教具的一侧；所述的C刚片长650mm，宽150mm，位于多功能教具的另一侧。所述的三个刚片的中心点的连线形成三角形，E刚片和D刚片中心点的连线与E刚片长边相互平行，中心点的连线为350mm；C刚片、D刚片中心距离455mm；C刚片、E刚片中心距离455mm。体系变形时，杆件相互不干扰。[0047]所述的三刚片的多功能教具在三铰无穷远情况下用于几何瞬变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接，其中连接两个刚片的杆件分别相互平行但不等长。如图9所示，D2、E2连接，D3、E3连接，C1、D5连接，C7、D8连接，C8、E8连接，C6、E5连接。[0048]所述的三刚片的多功能教具在三铰无穷远情况下用于几何常变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中存在两组连接两个刚片的两根杆件分别相互平行且等长，另一组不做要求。如图10所示，D2、E2连接，D4、E4连接，C1、D5连接，C3、D8连接，C4、E8连接，C6、E5连接。[0049]所述的三刚片的多功能教具在两铰无穷远情况下用于几何不变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有两组连接两个刚片的两根杆件分别相互平行，但两组平行杆件相互不平行；第三组连接两个刚片的杆件相互不平行。如图11所示，D2、E2连接，D3、E3连接，C1、D5连接，C2、D8连接，C8、E8连接，C6、E5连接。[0050]所述的三刚片的多功能教具在两铰无穷远情况下用于几何瞬变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有两组连接两个刚片的两根杆件分别相互平行但不等长；第三组连接两个刚片的杆件相互不平行。如图12所示，D2、E2连接，D7、E4连接，C1、D5连接，C7、D8连接，C8、E8连接，C6、E5连接。[0051]所述的三刚片的多功能教具在两铰无穷远情况下用于几何常变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有两组连接两个刚片的两根杆件分别相互平行且等长，有一组连接两个刚片的两根杆件相互不平行。如图13所示，D2、E2连接，D7、E4连接，C1、D5连接，C3、D8连接，C4、E8连接，C6、E5连接。

6

CN 206370209 U[0052]

说　明　书

5/5页

所述的三刚片的多功能教具在一铰无穷远情况下用于几何不变体系时，所述的三

个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有一组连接两个刚片的两根杆件分别相互平行，有两组连接两个刚片的杆件相互不平行，不平行的两组杆件的交点连线与另一组平行杆件相互不平行。如图14所示，D4、E2连接，D7、E4连接，C1、D5连接，C2、D8连接，C5、E8连接，C6、E5连接。[0053]所述的三刚片的多功能教具在一铰无穷远情况下用于几何瞬变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有一组连接两个刚片的两根杆件相互平行，有两组连接两个刚片的两根杆件相互不平行，不平行的两组杆件的交点连线与另一组平行杆件相互平行但不等长。如图15所示，D2、E2连接，D3、E3连接，C1、D5连接，C2、D8连接，C5、E8连接，C6、E5连接。[00]所述的三刚片的多功能教具在一铰无穷远情况下用于几何可变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接；其中有一组连接两个刚片的两根杆件相互平行，有两组连接两个刚片的两根杆件相互不平行，不平行的两组杆件的交点连线与另一组平行杆件相互平行且等长。如图16所示，D1、E1连接，D3、E3连接，C1、D5连接，C2、D8连接，C5、E8连接，C6、E5连接。[0055]所述的三刚片的多功能教具在三铰都不是无穷远铰情况下用于几何不变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接，其中三组连接两个刚片的两根杆件均相互不平行，三组杆件的交点连线不共线。如图17所示，D2、E2连接，D7、E4连接；C1、D5连接，C2、D8连接；C5、E8连接，C6、E5连接。[0056]所述的三刚片的多功能教具在三铰都不是无穷远铰情况下用于几何瞬变体系时，所述的三个刚片中每两个刚片均通过两根杆件连接，其中三组连接两个刚片的两根杆件均相互不平行，三组杆件的交点连线共线。如图18所示，D2、E2连接，D7、E4连接；C1、D5连接，C7、D6连接；C8、E6连接，C6、E5连接。[0057]以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型阐述的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以同等替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之列。

7

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

1/9页

图1

图2

8

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

2/9页

图3

图4

9

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

3/9页

图5

图6

10

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

4/9页

图7

图8

11

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

5/9页

图9

图10

12

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

6/9页

图11

图12

图13

13

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

7/9页

图14

图15

14

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

8/9页

图16

图17

15

CN 206370209 U

说　明　书　附　图

9/9页

图18

16