本實(shí)用新型屬于土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，涉及一種用于結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析教學(xué)的多功能教具。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)力學(xué)是高等院校土木工程專業(yè)的必修學(xué)科，理論教學(xué)一直以來是高等院校結(jié)構(gòu)力學(xué)的主要教學(xué)方法，但隨著高等教育對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重視，開展結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)也成為一種勢在必行的趨勢。

幾何組成分析作為結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的開篇章節(jié)，從幾何組成的角度討論結(jié)構(gòu)力學(xué)中的一個側(cè)面，但幾何組成分析與內(nèi)力分析之間又是密切相關(guān)的。

從幾何組成的角度來看，桿件體系可分為兩類：幾何可變體系、幾何不變體系；其中，幾何可變體系又可以分為幾何常變體系和幾何瞬變體系。在平面體系的幾何組成分析中，最基本的規(guī)律是鉸接兩剛片規(guī)則和三剛片規(guī)則。

學(xué)生僅僅通過書本上的學(xué)習(xí)，難以體會不同體系在荷載作用下的受力特性及位移特性，而由于現(xiàn)階段實(shí)驗(yàn)室條件，難以滿足所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。因此，作為結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中不可或缺的一部分，可靠、直觀、便捷的幾何組成分析教具成為了亟需考慮的問題。

本實(shí)用新型提供了一種用于結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析的多功能教具，通過結(jié)構(gòu)自身重力作為荷載，以目測的方法看出結(jié)構(gòu)的位移量變化，以桿件的失穩(wěn)變形量作為衡量桿件受力的指標(biāo)，通過不同剛片上不同位置節(jié)點(diǎn)、桿件的多種方式的組合連接，實(shí)現(xiàn)了上述三種體系的靈活轉(zhuǎn)換，為結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析教學(xué)的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為提高結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析教學(xué)內(nèi)容的直觀性，實(shí)用新型一種用于結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析的多功能教具，實(shí)現(xiàn)了上述三種體系的靈活轉(zhuǎn)換，為結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析教學(xué)的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：

一種用于結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析的多功能教具，該多功能教具包括兩剛片方案或三剛片方案；所述的多功能教具能夠?qū)崿F(xiàn)幾何可變體系、幾何常變體系和幾何瞬變體系在不同情況下的變換。

所述的兩剛片方案中，兩個剛片的板面位于同一垂直平面內(nèi)且相互平行，兩個剛片中心點(diǎn)的連線與剛片短邊相互平行，中心點(diǎn)的連線為350mm。

所述的兩剛片的多功能教具包括矩形A剛片、矩形B剛片和桿件時，以A剛片下方長邊中心為平面直角坐標(biāo)系中心，長邊作為x軸方向，建立單位為mm的平面直角坐標(biāo)系；所述的A采用鋁合金材料，長604mm，寬300mm，厚度為6mm，A剛片上有6個結(jié)點(diǎn)；A剛片四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-302,0)、(302,0)、(-302,150)、(302，150)，A剛片六個結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)A1(-252,75)A2(-202,75)A3(-202,21)A4(0,75)A5(202,75)A6(252,75)。所述的B剛片采用鋁合金材料，長604mm，寬300mm，厚度為6mm，B剛片上有5個結(jié)點(diǎn)；B剛片四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-302,350)、(302,350)、(-302,500)、(302，500)，厚度為6mm；B剛片結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)B1(-202,425)B2(-50,425)B3(0,425)B4(50,425)B5(202,425)。所述的桿件采用不銹鋼材料，厚度為2mm，所述的剛片與桿件之間采用鉸接的方式連接。

所述的三剛片的多功能教具包括矩形C剛片、矩形D剛片、矩形E剛片和桿件時，以C剛片下方長邊中心為平面直角坐標(biāo)系中心，長邊作為x軸方向，建立單位為mm的平面直角坐標(biāo)系。所述的C剛片采用鋁合金材料，厚度為6mm，其四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-325,0)、(325,0)、(-325,150)、(325，150)，其結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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剛片為矩形采用鋁合金材料，厚度為6mm，其四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-325,395)、(-25，395)、(-25,595)、(-325，595)，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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剛片采用鋁合金材料，厚度為6mm；其四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(325,395)、(25，395)、(25,595)、(325，595)，結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)E1(275,565)E2(175,565)E3(275,495)E4(175,495)E5(275,425)E6(209,425)E7(175,425)E8(50,425)。所述的剛片與桿件之間全部使用鉸接的方式連接。

所述的的三剛片方案中，三個剛片的板面位于同一垂直平面內(nèi)，所述的D剛片和E剛片均長300mm，寬200mm，位于多功能教具的一側(cè)；所述的C剛片長650mm，寬150mm，位于多功能教具的另一側(cè)。所述的三個剛片的中心點(diǎn)的連線形成三角形，E剛片和D剛片中心點(diǎn)的連線與E剛片長邊相互平行，中心點(diǎn)的連線為350mm；C剛片、D剛片中心距離455mm；C剛片、E剛片中心距離455mm。連接C剛片、D剛片的桿件與其他桿件不在同一平面內(nèi)，體系變形時，桿件相互不干擾。

本實(shí)用新型的有益效果為：通過不同剛片上不同位置節(jié)點(diǎn)與桿件的組合連接，實(shí)現(xiàn)不同情況下的各種體系，利用結(jié)構(gòu)自身重力作為荷載，以目測的方法看出結(jié)構(gòu)的位移量變化，以桿件的失穩(wěn)變形量作為衡量桿件受力的指標(biāo)，可直觀地表現(xiàn)出不同體系的受力特性及位移特性，同時本實(shí)用新型作為教具十分輕便，便于課堂上使用。

附圖說明

圖1為板面示意圖；

圖2為兩剛片的多功能教具節(jié)點(diǎn)位置示意圖；

圖3為兩剛片的多功能教具用于幾何常變體系情況1示意圖；

圖4為兩剛片的多功能教具用于幾何常變體系情況2示意圖；

圖5為兩剛片的多功能教具用于幾何瞬變體系情況1示意圖；

圖6為兩剛片的多功能教具用于幾何瞬變體系情況2示意圖；

圖7為兩剛片的多功能教具用于幾何不變體系示意圖；

圖8為三剛片的多功能教具節(jié)點(diǎn)位置示意圖；

圖9為三剛片的多功能教具用于三鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何瞬變體系示意圖；

圖10為三剛片的多功能教具用于三鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何常變體系示意圖；

圖11為三剛片的多功能教具用于兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何不變體系示意圖；

圖12為三剛片的多功能教具用于兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何瞬變體系示意圖；

圖13為三剛片的多功能教具用于兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何可變體系示意圖；

圖14為三剛片的多功能教具用于一鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何不變體系示意圖；

圖15為三剛片的多功能教具用于一鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何瞬變體系示意圖；

圖16為三剛片的多功能教具用于一鉸無窮遠(yuǎn)情況下幾何可變體系示意圖；

圖17為三剛片的多功能教具用于三鉸都不是無窮遠(yuǎn)鉸情況下幾何不變體系示意圖；

圖18為三剛片的多功能教具用于三鉸都不是無窮遠(yuǎn)鉸情況下幾何瞬變體系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種用于結(jié)構(gòu)力學(xué)幾何組成分析的多功能教具，該多功能教具包括兩剛片方案或三剛片方案；所述的多功能教具能夠?qū)崿F(xiàn)幾何可變體系、幾何常變體系和幾何瞬變體系在不同情況下的變換。

所述的兩剛片方案中，兩個剛片的板面位于同一垂直平面內(nèi)，且相互平行，兩個剛片中心點(diǎn)的連線與剛片短邊相互平行，中心點(diǎn)的連線為350mm，如圖2所示。

所述的兩剛片的多功能教具包括A剛片、B剛片和桿件時，如圖2所示，建立平面直角坐標(biāo)系，平面直角坐標(biāo)系的單位為mm；所述的A剛片為矩形，采用鋁合金材料，長604mm，寬300mm，厚度為6mm，A剛片上有6個結(jié)點(diǎn)；四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-302,0)、(302,0)、(-302,150)、(302，150)，所述的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)A1(-252,75)A2(-202,75)A3(-202,21)A4(0,75)A5(202,75)A6(252,75)。所述的B剛片為矩形，采用鋁合金材料，長604mm，寬300mm，厚度為6mm，B剛片上有5個結(jié)點(diǎn)；四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-302,350)、(302,350)、(-302,500)、(302，500)，采用鋁合金材料，厚度為6mm；結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)B1(-202,425)B2(-50,425)B3(0,425)B4(50,425)B5(202,425)。所述的桿件采用不銹鋼材料，厚度為2mm，所述的剛片與桿件之間采用鉸接的方式連接。

所述的兩剛片的多功能教具用于幾何常變體系時，包括兩種結(jié)構(gòu)，具體為：

所述的A剛片和B剛片通過三根桿件連接，每根桿件的兩端均分別連接兩個剛片；所述的三根桿件的一端均連接于其中一個剛片上的一個點(diǎn)，三根桿件的另一端分別連接于另一個剛片上的不同位置的三個點(diǎn)。如圖3所示，A2、B3連接，A4、B3連接，A5、B3連接。

所述的A剛片和B剛片通過三根桿件連接，每一根桿件均一端連接一個剛片，另一端連接另一個剛片；所述的三根桿件相互平行且等長，如圖4所示，A2、B1連接，A4、B3連接，A5、B5連接。

所述的兩剛片的多功能教具用于幾何瞬變體系時，包括兩種結(jié)構(gòu)，具體為：

所述的兩個剛片通過三根桿件連接，每一根桿件均一端連接一個剛片，另一端連接另一個剛片；所述的三根桿件一端分別連接于其中一個剛片的不同位置的三個點(diǎn)，三根桿件的另一端分別連接于另一個剛片上的不同位置的三個點(diǎn)，但三根桿件的延長線交于一點(diǎn)；如圖5所示，A1、B2連接，A4、B3連接，A6、B4連接。

所述的兩個剛片通過三根桿件連接，每一根桿件均一端連接一個剛片，另一端連接另一個剛片，三根桿件相互平行但不等長；如圖6所示，A3、B1連接，A4、B3連接，A5、B5連接。

所述的兩剛片的多功能教具用于幾何不變體系時，具體為：

所述的兩個剛片通過三根桿件連接，每一根桿件均一端連接一個剛片，另一端連接另一個剛片；所述的三根桿件中的兩根桿件交于一點(diǎn)或兩根桿件的延長線交于一點(diǎn)，此交點(diǎn)并不在另一根桿件或另一根桿件的延長線上；如圖7所示，A1、B2連接，A4、B3連接，A5、B5連接。

所述的三剛片的多功能教具包括C剛片、D剛片、E剛片和桿件時，如圖8所示，建立平面直角坐標(biāo)系。所述的C剛片為矩形，四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-325,0)、(325,0)、(-325,150)、(325，150)，采用鋁合金材料，厚度為6mm；結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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剛片為矩形，四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(-325,395)、(-25，395)、(-25,595)、(-325，595)，采用鋁合金材料，厚度為6mm；結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)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剛片為矩形，四個角點(diǎn)坐標(biāo)為(325,395)、(25，395)、(25,595)、(325，595)，采用鋁合金材料，厚度為6mm；結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)E1(275,565)E2(175,565)E3(275,495)E4(175,495)E5(275,425)E6(209,425)E7(175,425)E8(50,425)。所述的剛片與桿件之間全部使用鉸接的方式連接。

所述的的三剛片方案中，三個剛片的板面位于同一垂直平面內(nèi)，所述的D剛片和E剛片均長300mm，寬200mm，位于多功能教具的一側(cè)；所述的C剛片長650mm，寬150mm，位于多功能教具的另一側(cè)。所述的三個剛片的中心點(diǎn)的連線形成三角形，E剛片和D剛片中心點(diǎn)的連線與E剛片長邊相互平行，中心點(diǎn)的連線為350mm；C剛片、D剛片中心距離455mm；C剛片、E剛片中心距離455mm。體系變形時，桿件相互不干擾。

所述的三剛片的多功能教具在三鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何瞬變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接，其中連接兩個剛片的桿件分別相互平行但不等長。如圖9所示，D2、E2連接，D3、E3連接，C1、D5連接，C7、D8連接，C8、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在三鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何常變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中存在兩組連接兩個剛片的兩根桿件分別相互平行且等長，另一組不做要求。如圖10所示，D2、E2連接，D4、E4連接，C1、D5連接，C3、D8連接，C4、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何不變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有兩組連接兩個剛片的兩根桿件分別相互平行，但兩組平行桿件相互不平行；第三組連接兩個剛片的桿件相互不平行。如圖11所示，D2、E2連接，D3、E3連接，C1、D5連接，C2、D8連接，C8、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何瞬變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有兩組連接兩個剛片的兩根桿件分別相互平行但不等長；第三組連接兩個剛片的桿件相互不平行。如圖12所示，D2、E2連接，D7、E4連接，C1、D5連接，C7、D8連接，C8、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在兩鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何常變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有兩組連接兩個剛片的兩根桿件分別相互平行且等長，有一組連接兩個剛片的兩根桿件相互不平行。如圖13所示，D2、E2連接，D7、E4連接，C1、D5連接，C3、D8連接，C4、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在一鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何不變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有一組連接兩個剛片的兩根桿件分別相互平行，有兩組連接兩個剛片的桿件相互不平行，不平行的兩組桿件的交點(diǎn)連線與另一組平行桿件相互不平行。如圖14所示，D4、E2連接，D7、E4連接，C1、D5連接，C2、D8連接，C5、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在一鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何瞬變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有一組連接兩個剛片的兩根桿件相互平行，有兩組連接兩個剛片的兩根桿件相互不平行，不平行的兩組桿件的交點(diǎn)連線與另一組平行桿件相互平行但不等長。如圖15所示，D2、E2連接，D3、E3連接，C1、D5連接，C2、D8連接，C5、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在一鉸無窮遠(yuǎn)情況下用于幾何可變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接；其中有一組連接兩個剛片的兩根桿件相互平行，有兩組連接兩個剛片的兩根桿件相互不平行，不平行的兩組桿件的交點(diǎn)連線與另一組平行桿件相互平行且等長。如圖16所示，D1、E1連接，D3、E3連接，C1、D5連接，C2、D8連接，C5、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在三鉸都不是無窮遠(yuǎn)鉸情況下用于幾何不變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接，其中三組連接兩個剛片的兩根桿件均相互不平行，三組桿件的交點(diǎn)連線不共線。如圖17所示，D2、E2連接，D7、E4連接；C1、D5連接，C2、D8連接；C5、E8連接，C6、E5連接。

所述的三剛片的多功能教具在三鉸都不是無窮遠(yuǎn)鉸情況下用于幾何瞬變體系時，所述的三個剛片中每兩個剛片均通過兩根桿件連接，其中三組連接兩個剛片的兩根桿件均相互不平行，三組桿件的交點(diǎn)連線共線。如圖18所示，D2、E2連接，D7、E4連接；C1、D5連接，C7、D6連接；C8、E6連接，C6、E5連接。

以上所述，僅為本實(shí)用新型較佳的具體實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于此。任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型闡述的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以同等替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之列。