测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加载方法

摘要

本发明公开的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加载方法，采用两根材质、截面和长度相同的压杆，并使两根压杆处在共轴位置上，将第一根压杆的一端固定在框架一侧的支座上，第二根压杆的一端安装在框架相对一侧支座的滑轨中，使之能够沿压杆轴线方向移动，第一根压杆的另一端和第二根压杆的另一端分别为自由端，将两根压杆的自由端用光滑刚球或铰链结构联接，通过第二根压杆对两根压杆施加轴向载荷，采用动态试验法和静态试验法均可测定压杆的临界力。本发明的特点在于使振动法能够有效地用于测定一端固定一端自由压杆的临界力。

权利要求

1.测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加载方法，其特征是采用 两根材质、截面和长度相同的压杆(1、2)，并使两根压杆处在共轴位置上，将 第一根压杆(1)的一端固定在框架(3)一侧的支座(6)上，第二根压杆(2) 的一端安装在框架(3)相对一侧支座(7)的滑动导轨中，使第二根压杆(2) 能够沿压杆轴线方向移动，第一根压杆(1)的另一端和第二根压杆(2)的另 一端分别为自由端，将两根压杆的自由端用铰链结构联接，通过第二根压杆(2) 对两根压杆施加轴向载荷，采用动态试验法或静态试验法测定压杆的临界力。

2.根据权利要求1所述的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加 载方法，其特征在于所说的铰链结构联接是在两根压杆(1、2)的自由端的端 面分别加工圆锥形沉孔或V形槽，在两个自由端之间放置一光滑刚性球或光滑 刚性圆柱体(4)，利用两杆共轴对压构成光滑铰接。

3.根据权利要求1所述的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加 载方法，其特征在于所说的铰链结构联接是两根压杆(1、2)的自由端具有销 孔，利用轴销配合构成光滑铰接。

4.根据权利要求1所述的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加 载方法，其特征在于所说的动态试验法是通过第二根压杆(2)上端对两根压杆 分级施加轴向压力或拉力F，在各级压力或拉力下，对压杆作用一适当大小的横 向瞬态力，使二根压杆产生同步横向振动，并用振动位移测量系统或动应变测 量系统测定压杆在各级压力或拉力下的振动频率ω，然后用频率法确定压杆的 临界力Fcr。

5.根据权利要求1所述的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加 载方法，其特征在于所说的静态试验法是通过第二根压杆(2)上端对两根压杆 逐级施加轴向压力F，利用测量压力F与压杆挠度或弯曲应变关系曲线的方法 确定压杆的临界力Fcr。

说明书

技术领域

本发明涉及测定压杆临界力的实验方法，尤其是通过双杆对称加载测定一 端固定一端自由压杆临界力的实验方法，属工程力学测试技术领域。

背景技术

受压杆件的稳定性(压杆稳定)是决定机械、建筑等工程结构安全性的基本 因素之一，也是工程力学研究的基本问题之一，而实验是分析、解决压杆稳定问 题一个基本方法。压杆稳定实验方法可以分为静态和动态两种。静态方法是对压 杆施加轴向压力，测定压力与压杆挠曲变形的关系曲线，并由此曲线确定压杆的 临界力。静态方法对各种支座形式的压杆都适用，但是只能对杆件施加压力。动 态方法又称为振动法或频率法(《工程力学实验》，范钦珊等编著，高等教育出版 社，2006年5月)。其基本实验过程是对压杆施加轴向压力或拉力，并测定压杆 在若干级载荷下的振动频率，然后由力与频率平方的拟合曲线确定压杆的临界 力。振动法既可以对压杆件对施加压力，又可以对压杆件对施加拉力，而且测得 的临界力往往比静态方法测得的结果更接近于理论值。但是，对于一端固定、一 端自由的压杆，振动法却难以应用。因为现有实验技术采用的压力加载方式是加 载压头与压杆的自由端滑动接触，以保证对压杆施加轴向压力时，自由端能够作 横向位移，然而加载压头与压杆自由端的滑动接触特性使得压杆无法产生振动法 所要求的横向自由振动。如果采用拉力加载方式，则必然会使自由端的横向位移 受到加载连接部件的作用，这样自由端的约束性质就完全改变了，压杆不再是一 端固定、一端自由的压杆，振动法自然也就不能应用。

发明内容

本发明的目的，是为测定压杆临界力提供一种双杆对称加载实验方法，以 使振动法能够有效地用于测定一端固定一端自由压杆的临界力。
本发明的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加载方法，其特征 是采用两根材质、截面和长度相同的压杆，并使两根压杆处在共轴位置上，将 第一根压杆的一端固定在框架一侧的支座上，第二根压杆的一端安装在框架相 对一侧支座的滑动导轨中，使之能够沿压杆轴线方向移动，第一根压杆的另一 端和第二根压杆的另一端分别为自由端，将两根压杆的自由端用铰链结构联接， 通过第二根压杆对两根压杆施加轴向载荷，采用动态试验法或静态试验法测定 压杆的临界力。
上述的动态试验法是通过第二根压杆上端对两根压杆分级施加轴向压力或 拉力F，在各级压力或拉力下，对压杆作用一适当大小的横向瞬态力，使二根压 杆产生同步横向振动，并用振动位移测量系统或动应变测量系统测定压杆在各 级压力或拉力下的振动频率ω，然后用频率法确定压杆的临界力Fcr。
上述的静态试验法是静态试验法是通过第二根压杆上端对两根压杆逐级施 加轴向压力F，利用测量压力F与压杆挠度或弯曲应变关系曲线的方法确定压 杆的临界力Fcr。
本发明的测量原理是：因为两根压杆的几何形状、尺寸及材质完全相同， 所以二者具有相同的谐振频率；当通过上杆对两根压杆施加轴向载荷(压力或 拉力)时，两根压杆的自由端由于刚球或铰链的约束作用，不能相互分离，但 能够且只能够发生完全相同的横向位移；又因为压杆系统的结构和受力都是对 称的，所以自由端的这种同步横向位移等效于单根杆受到轴向载荷时发生的横 向自由位移；如果在轴向受力状态下对压杆另外作用一个瞬态横向干扰力，则 两根压杆必然产生协调一致的横向自由振动；测定压杆系统在若干不同轴向载 荷作用下的振动频率ω，就可以根据振动法测定压杆临界力的理论，用最小二 乘法作出载荷F与频率平方ω2的拟合曲线，并由拟合曲线确定压杆的临界力 Fcr(《工程力学实验》，范钦珊等编著，高等教育出版社，2006年5月)。
本发明的有益效果在于：
与现有的压杆稳定性实验技术相比，本发明的主要特点是：1、通过双杆对 称加载，使两根一端固定、另一端自由的压杆在同时承受轴向载荷的状态下， 其中每一根压杆不仅能够发生与单根压杆条件下等效的横向自由位移，而且能 够产生与单根压杆条件下等效的横向自由振动，从而为运用振动法测定一端固 定另一端自由压杆的临界力创造了充分条件。2、将振动法用于双杆对称加载结 构进行一端固定另一端自由压杆的稳定性实验，对压杆施加的轴向载荷既可以 是拉力，也可以是压力。因此，本发明使振动法能够有效地应用于一端固定另 一端自由压杆的稳定性实验。

附图说明

图1是用双杆对称加载法测定压杆临界力的基本实验装置的结构示意图， 其中图a表示两根压杆的自由端以第一种联接形式构成光滑铰接，图b表示两根 压杆的自由端以第二种联接形式构成光滑铰接；
图2是双杆对称加载方法使两根压杆产生同步横向自由振动的示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的测定一端固定一端自由压杆临界力的双杆对称加载方 法，采用两根材质、截面和长度相同的压杆1、2，并使两根压杆处在共轴位置 上；两根压杆可以处在垂直方位上，也可以处在水平方位上(以下按垂直方位 加以说明)；将第一根压杆1的下端固定在框架3的下支座6上，将第二根压杆 2的上端安装在框架3上支座7的滑动导轨中，使之能够沿压杆轴线方向移动； 第一根压杆1的上端和第二根压杆2的下端均为自由端，将两根压杆的自由端 用适当的形式配合，构成光滑铰接；通过第二根压杆2的上端对两根压杆施加 轴向载荷，采用动态试验法或静态试验法测定压杆的的临界力。
两根压杆自由端的联接有两种基本形式：
第一种形式是在两根压杆自由端的端面上各加工一圆锥形沉孔或各加工一 V形槽，在压杆1和压杆2的自由端之间放置一光滑刚性球(例如轴承钢珠)， 或光滑刚性圆柱体4(例如圆柱形轴承滚针)，利用压杆1和压杆2之间的压力 和光滑刚性球与圆锥形沉孔的配合或光滑刚性圆柱与V形槽的配合构成光滑铰 接，如图1a所示。
第二种配合形式是在两根压杆的自由端分别加工圆形销孔，利用轴销5与 压杆1和压杆2自由端的销孔配合，构成光滑铰接。轴销5可以采用圆柱形轴 承滚针，如图1b所示。
进行压杆稳定实验时，拉或压加载设备通过压杆2的上端对两根压杆施加 轴向载荷F，并且可以分别用动态试验法和静态试验法测定压杆的的临界力Fcr。
动态试验法，是通过压杆2的可动端对两根压杆分级施加轴向压力或拉力 F，在各级压力或拉力下，对压杆作用一适当大小的横向瞬态力，例如用力锤敲 击压杆，使压杆1和压杆2产生同步横向自由振动(如图2所示)，并用振动位移 测量传感器8及数据采集分析仪(图1中未画)测定压杆在各级压力或拉力下的振 动频率ω，然后用频率法确定压杆的临界力Fcr(《工程力学实验》，范钦珊等编 著，高等教育出版社，2006年5月)。位移传感器8通常可以采用分辨率为1微 米的电涡流传感器。也可以使用动态应变测量系统测量压杆的振动频率ω。
静态试验法，是通过压杆2的上端对两根压杆逐级施加轴向压力F，利用测 量压力F与压杆挠度或弯曲应变关系曲线的方法确定压杆的临界力Fcr。