组合网架模型综合性实验设计研究

房亮 王文勇 蒋明

(苏州科技学院土木工程学院，江苏 苏州 215011)

组合网架模型综合性实验设计研究

房亮 王文勇 蒋明

(苏州科技学院土木工程学院，江苏 苏州 215011)

为了培养土木工程、工程力学等专业学生综合分析和解决问题的能力，设计了组合网架模型的综合性实验。该实验要求学生综合运用电测、光测和有限元计算等多种手段，自行设计实验方案，对网架挠度、杆件内力、材料性能等进行测量。通过该综合性实验，使学生将实验力学原理与材料力学、结构力学、计算力学等相关学科知识交叉渗透，培养了学生思维的灵活性及综合分析问题的能力和动手能力，同时也反映了组合网架模型适用于教学实验的特色。

网架模型;综合性实验;电测;光测

0 引言

力学实验教学是使学生通过实验的方法掌握一些力学基本理论的研究方法和途径。而传统的力学实验教学通常只涉及到某个原理的验证，客观上形成了一定的教学缺陷，导致学生的学习兴趣与主动性不够，因此难以取得应有的教学效果。现代学科发展呈现出多学科综合和交叉的特点，传统的力学实验已经不适于学生综合能力的提高，开设综合性实验是培养学生综合素质及创新能力的重要手段之一[1-3]。为启发学生多向思维和培养学生的综合能力，针对土木工程、工程力学等专业设计了组合式网架模型的综合性实验。该实验的目的是通过学生综合应用现代光学测试技术和电测方法等多种实验手段，自行设计实验方案，对网架挠度、杆件内力、材料性能等进行测量，使学生综合运用知识的能力、动手能力和科研能力等得到有效的锻炼和提高。

1 模型制作

本文所用到的网架模型采用实心铝材制作，弹性模量 E=71.7 GPa，泊松比 μ=0.33，密度ρ=2 700 kg/m3。节点由6 cm×6 cm×6 cm的铝块经锯角钻孔形成，杆件为直径1.5 cm、长度40 cm的铝杆。整个网架模型的尺寸为:跨度2.0 m、高度0.283 m，如图1所示。

图1 网架整体结构图

2 实验原理

2.1 电测法测量杆件轴力

在网架各杆件的中间位置粘贴电阻应变片，采用半桥接线法，使用YJ-4501A/SZ静态数字电阻应变仪进行测量，如图2所示。在网架上层各个节点上放置砝码，分40 N，80 N二级加载。对网架采用四周支撑和四点支撑方式分别进行测量，其中四点支撑方式时的支撑点选用下层节点中间一环的4个角点。

图2 杆件轴力测试

2.2 光测法测量节点位移

网架位移测量是采用基于数字图像处理技术的数字图像相关方法，其基本原理是匹配物体表面不同状态下的数字化散斑图像上的几何点，跟踪点的运动，从而获得物体表面的变形信息[4]。再比较变形前后的图像，即可实现位移的计算。相关搜索示意图如图3所示。

图3 相关搜索示意图

给定物体变形前的图像f(x，y)和变形后的图像g(x，y)，要求在变形后的图像中识别出对应于变形前的图像场中某一图像子区的那个图像子区。由于散斑分布的随机性，散斑场上的每一点周围的一个小区域中的散斑分布与其他点是不同的，这样的小区域通常称为子集，散斑场上以某一点为中心的子集可作为该点位移的信息载体，通过分析和搜索该子集的移动和变化，便可以获得该点的位移。识别的依据是2幅图像子区之间的相似程度，一般用以下的相关公式来衡量:

在变形后的图像上移动图像子区，即改变u，v的值，可以得到不同的C值。而使C取最大值的u，v，即是子区域中心的位移。

图4为由CCD采集到的节点受力变形前后的图像。比较变形前后的图像，运用数字图像相关方法实现位移计算。文中的图像相关计算精度为0.01 pixel，实际的位移测量精度可以达到 0.2 μm。

图4 节点变形前后图像

3 实验测试

3.1 杆件轴力测量

对网架采用图2的加载方式，分别在四周支撑和四点支撑方式下进行加载，对网架一角的30根杆件进行轴力测量。同时用ANSYS进行建模计算，得到2组对比曲线，如图5所示。其中方点为测量值，圆点为计算值，对比得出的测量最大误差为4.37%。

图5 杆件轴力的测量值与计算值对比图

3.2 节点位移测量

用光测方法测量网架节点位移需要用到的实验仪器主要是CCD及计算机图像采集系统和分析系统。由于四周支撑时网架下层最外围的节点位移均为0，因此在2种支撑方式下，均对网架第二排的上下2层节点进行测量，节点号为7～12和42～46，共计11个节点。其中7～12为下层节点，42～46为上层节点。同时用ANSYS进行计算，得到2组对比曲线如图6所示。其中方点为测量值，圆点为计算值，对比得出的测量最大误差为3.58%。

图6 节点位移的测量值与计算值对比图

4 结语

组合网架结构是日常建筑物中常见的结构形式，通过该综合性实验，使学生对结构整体的受力特征有了完整的认识。电测、光测、有限元计算等多种实验手段的运用，使学生将实验力学的原理与材料力学、结构力学、计算力学等相关学科知识交叉渗透，培养了学生综合分析问题和解决问题的能力。同时由于光学测量及计算机图像处理等新的实验手段的引入，激发了学生对本专业的兴趣，培养了学生的创新意识。

组合网架模型由实心铝材制作，可在材料的线弹性范围内多次重复测试，因此适用于教学实验。同时由于模型是通过杆件和节点组合而成，因此学生可以发挥主观能动性，自主设计网架结构、加载方式以及支撑方式，为增加学生的知识面和拓展学生的思维方式提供了方便的途径。

[1]蒋明.斜拉桥模型综合性实验设计研究[J].力学与实践，2008，30(6):88 - 90.

[2]谢灵，朱艳峰.二层刚架动静态综合性实验设计研究[J].力学与实践，2006，28(6):83 - 85.

[3]吴新如，王习术.激发大学生材料力学实验动手与分析的能动性[J].力学与实践，2006，28(6):81 -83.

[4]Schreier Hubert W.Investigation of Two and Three-dimensional Image Correlation Techniques with Applications in Experimental Mechanics[D].Columbia:University of South Carolina，2003.

Design and Research on Comprehensive Experiment of Composite Grids Structure

FANG Liang WANG Wen-yong JIANG Ming

(School of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011)

A comprehensive experiment of pyramid grids structure is designed for students training of civil engineering and engineering mechanics.This experiment requires students to design the experimental program themselves，and use straining electrometric method and digital image correlation method and finite element method to test the displacement and axial force and material properties of pyramid grids.Through this experiment，the students may master the principles of experimental mechanics with material mechanics and structural mechanics and computational mechanics and other related subjects，and their capabilities of comprehensive analysis and independent innovation may improved.

pyramid grids;comprehensive experiment;straining electrometric method;digital image correlation method(DICM)

TU32.03

B

1671-0436(2011)03/04-0046-04

2011-05-18

房亮(1983— )，男，硕士，助理实验师。

责任编辑:张秀兰