微型材料力學(xué)試驗機設(shè)計與大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練

顧愛軍 楊小令 梁金棟

摘要：針對材料力學(xué)實驗與理論教學(xué)難以同步的問題，設(shè)計一種微型可攜帶式試驗機進行課堂同步演示。因試驗機的研制過程與材料力學(xué)知識密切相關(guān)，故將之作為材料力學(xué)課程的研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容，并以此為課題開展大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練活動。學(xué)生在活動中進一步強化了所學(xué)力學(xué)知識，鍛煉了創(chuàng)新和動手能力。這種學(xué)生參與的課程教改模式對類似工科課程具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)實驗；試驗機；設(shè)計；科技創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）24-0263-02

一、緒言

材料力學(xué)是工科專業(yè)中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，材料力學(xué)實驗作為其理論形成和發(fā)展的基礎(chǔ)是其不可或缺的部分。[1]萬能材料試驗機廣泛應(yīng)用于材料力學(xué)性能試驗、科學(xué)研究及教學(xué)演示。在工科各專業(yè)的材料力學(xué)課程教學(xué)中，由于學(xué)生數(shù)量較多而試驗機資源較少，需分組實驗，普遍存在實驗相對理論教學(xué)滯后的現(xiàn)象，造成實驗與理論教學(xué)脫節(jié)。為解決這一矛盾，需將材料力學(xué)實驗帶進課堂進行隨堂演示。因此需要一種便攜式的萬能材料試驗機。

現(xiàn)有萬能材料試驗機根據(jù)測試對象的要求可分為不同噸位，其尺寸和重量也有較大差距。用于材料力學(xué)課堂演示的小型試驗機往往為實現(xiàn)多功能而具有較大尺寸和重量，不利于攜帶。為此需設(shè)計一種更加便攜的微型試驗機。

微型試驗機的設(shè)計并不困難，但也絕非大型試驗機的簡單縮小，其整體及各部件需根據(jù)功能、尺寸與重量的限制以及操作便捷性等進行規(guī)劃和設(shè)計，其中用到很多力學(xué)知識，是很好的研究性學(xué)習(xí)和大學(xué)生科技創(chuàng)新素材。因此，在材料力學(xué)學(xué)習(xí)班級中開展了以此為基礎(chǔ)的研究性學(xué)習(xí)活動，并成立科創(chuàng)小組進行了科技創(chuàng)新訓(xùn)練計劃的申報，獲得學(xué)校的支持。

二、微型萬能試驗機的總體構(gòu)想

與傳統(tǒng)電子試驗機相比，微型萬能試驗機的最大特點就是“微”，即把儀器的體積和重量縮小到可方便攜帶的地步，且體積的減小也降低了材料成本。其次，試驗機也要保證一定的精度，使之不但擁有課堂演示功能，也具有小量程的材料力學(xué)性能測試功能。

可見整體重量成為試驗機大小的決定因素。但僅靠重量這一參數(shù)并不能簡單地反推出各部分尺寸，需要反復(fù)計算和調(diào)整。這一問題專門由一個小組進行研究，其中需要運用強度、剛度和穩(wěn)定性等材料力學(xué)知識。計算確定了最大試驗荷載及加載量程之后，再以此參數(shù)為依據(jù)進行試件、夾具、加載裝置設(shè)計以及測量系統(tǒng)選擇等。整個試驗機的設(shè)計很好地體現(xiàn)了材料力學(xué)的設(shè)計思想，即從安全和經(jīng)濟這一對矛盾的兩方面對構(gòu)件進行設(shè)計，綜合考慮形狀、尺寸、材料等因素，最終達到具有預(yù)期功能的輕便、便宜的產(chǎn)品。其設(shè)計思路見圖1。此外，為便于課堂演示，在試件附近位置設(shè)計了一只攝像頭，使試件變化的細節(jié)部分能夠通過電腦和投影儀放大展示。

三、試驗機設(shè)計中的研究性問題

根據(jù)第一小組提供的思路及荷載、量程等參數(shù)，對各部分進行具體設(shè)計。首先根據(jù)量程及最大荷載確定塑性材料試件，使之能反映典型的塑性材料性質(zhì)。試件的選擇看似簡單，實際需要對各種常見材料進行研究，了解其機械性能，并根據(jù)其破壞荷載計算相應(yīng)尺寸，必要時可對試驗機尺寸進行修改。根據(jù)上述荷載和量程的限制，備選試件主要有細鋼絲、鉛絲等。為便于觀察試件的變形規(guī)律，最終選擇4mm鉛絲作為塑性材料試件。脆性材料所需荷載較小，設(shè)計時不必考慮。

試件確定后可根據(jù)破壞荷載對加載架進行進一步驗算或優(yōu)化，反之，若試件需要更大的荷載也可適當(dāng)增加剛架尺寸，使兩者的矛盾達到一個合理的平衡。這無疑是一個綜合性問題，可以鍛煉學(xué)生解決綜合問題的能力。

夾具是試驗機中的一個重要部件，應(yīng)根據(jù)需要的加載量，結(jié)合試件的尺寸和材料特性進行設(shè)計。在此之前，需要對種類繁多的各種試驗機夾具進行調(diào)研，并根據(jù)此處的需求進行設(shè)計，或?qū)ΜF(xiàn)有夾具進行合理的改進。

下一步是加載系統(tǒng)。既然是便攜式，則盡可能采用手動加載方式。手動加載試驗機已有部分產(chǎn)品，可作為設(shè)計參考。已有的加載系統(tǒng)均僅有一種傳動模式，在需要快速移動活動平臺時仍只能按照加載方式緩慢移動，無法實現(xiàn)“移動快速，加載慢速”的雙速要求。為此采用一種雙齒輪傳動機構(gòu)（圖2），可實現(xiàn)活動平臺的雙速升降。當(dāng)需要快速升降平臺時轉(zhuǎn)動大齒輪，節(jié)省時間，需加載時轉(zhuǎn)動小齒輪，提高加載平穩(wěn)度。這一設(shè)計成為本試驗機的一大特色。

接下來就是對初步形成的拉伸試驗機進行改進，使之具有壓縮、彎曲、壓桿穩(wěn)定等多種實驗功能。這一工作具有一定的創(chuàng)造性，對于學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)很有幫助?？傮w思路一是對部分構(gòu)件采用易拆式安裝，二是通過上、下夾頭的簡單改造實現(xiàn)壓桿穩(wěn)定實驗的固定端和鉸支端約束。

測量系統(tǒng)包括力、位移的測試和顯示。由于涉及到跨學(xué)科的電子、自動控制、傳感器等知識，未在本課程中作為研究性課題，而是直接選用現(xiàn)有產(chǎn)品。由于力與位移的測試方法很多，因此這一工作也由學(xué)生通過調(diào)研完成。

四、結(jié)語

在“雙一流”高校建設(shè)的新形勢下，努力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和工程意識，讓學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，將抽象的概念與多樣的實驗融會貫通成為課程建設(shè)的基本要求[2]，教師在教育改革的探索中應(yīng)因地制宜，讓學(xué)生積極參與到合適的研究中。實踐表明，無論是研究性學(xué)習(xí)還是科技創(chuàng)新訓(xùn)練，均對提高教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)和工程實踐能力起到了積極的推進作用。

參考文獻：

[1]孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009：1.

[2]金立強，李書卉，李達，等.基礎(chǔ)力學(xué)實驗教學(xué)體系的改革與探索[J].實驗室科學(xué)，2017，20（04）：143-146.