微型材料力學試驗機設計與大學生科技創新訓練

顧愛軍 楊小令 梁金棟

摘要：針對材料力學實驗與理論教學難以同步的問題，設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知識密切相關，故將之作為材料力學課程的研究性學習內容，并以此為課題開展大學生科技創新訓練活動。學生在活動中進一步強化了所學力學知識，鍛煉了創新和動手能力。這種學生參與的課程教改模式對類似工科課程具有借鑒意義。

關鍵詞：材料力學實驗；試驗機；設計；科技創新

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

一、緒言

材料力學是工科專業中一門重要的專業基礎課，材料力學實驗作為其理論形成和發展的基礎是其不可或缺的部分。[1]萬能材料試驗機廣泛應用于材料力學性能試驗、科學研究及教學演示。在工科各專業的材料力學課程教學中，由于學生數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滯后的現象，造成實驗與理論教學脫節。為解決這一矛盾，需將材料力學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。

現有萬能材料試驗機根據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。用于材料力學課堂演示的小型試驗機往往為實現多功能而具有較大尺寸和重量，不利于攜帶。為此需設計一種更加便攜的微型試驗機。

微型試驗機的設計并不困難，但也絕非大型試驗機的簡單縮小，其整體及各部件需根據功能、尺寸與重量的限制以及操作便捷性等進行規劃和設計，其中用到很多力學知識，是很好的研究性學習和大學生科技創新素材。因此，在材料力學學習班級中開展了以此為基礎的研究性學習活動，并成立科創小組進行了科技創新訓練計劃的申報，獲得學校的支持。

二、微型萬能試驗機的總體構想

與傳統電子試驗機相比，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并不能簡單地反推出各部分尺寸，需要反復計算和調整。這一問題專門由一個小組進行研究，其中需要運用強度、剛度和穩定性等材料力學知識。計算確定了最大試驗荷載及加載量程之后，再以此參數為依據進行試件、夾具、加載裝置設計以及測量系統選擇等。整個試驗機的設計很好地體現了材料力學的設計思想，即從安全和經濟這一對矛盾的兩方面對構件進行設計，綜合考慮形狀、尺寸、材料等因素，最終達到具有預期功能的輕便、便宜的產品。其設計思路見圖1。此外，為便于課堂演示，在試件附近位置設計了一只攝像頭，使試件變化的細節部分能夠通過電腦和投影儀放大展示。

三、試驗機設計中的研究性問題

根據第一小組提供的思路及荷載、量程等參數，對各部分進行具體設計。首先根據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。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，并根據其破壞荷載計算相應尺寸，必要時可對試驗機尺寸進行修改。根據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，設計時不必考慮。

試件確定后可根據破壞荷載對加載架進行進一步驗算或優化，反之，若試件需要更大的荷載也可適當增加剛架尺寸，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，應根據需要的加載量，結合試件的尺寸和材料特性進行設計。在此之前，需要對種類繁多的各種試驗機夾具進行調研，并根據此處的需求進行設計，或對現有夾具進行合理的改進。

下一步是加載系統。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品，可作為設計參考。已有的加載系統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“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（圖2），可實現活動平臺的雙速升降。當需要快速升降平臺時轉動大齒輪，節省時間，需加載時轉動小齒輪，提高加載平穩度。這一設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、壓桿穩定等多種實驗功能。這一工作具有一定的創造性，對于學生的創新能力培養很有幫助。總體思路一是對部分構件采用易拆式安裝，二是通過上、下夾頭的簡單改造實現壓桿穩定實驗的固定端和鉸支端約束。

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

四、結語

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

參考文獻：

[1]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2009：1.

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