变刚度杆轴向压缩力的实验研究

直径7 mm的大豆（圆形），长轴7 mm、短轴5 mm的豇豆（椭圆形），长轴5 mm、短轴4 mm的绿豆（椭圆形）。为了获得较大的刚度值，并减小初始值误差，实验中外包膜选用内部直径38 mm、厚度3 mm的硅胶管，制作长度200 mm的变刚度杆，变刚度杆塑性变形量范围为3～17 mm的实验区间，真空条件-39.99 kPa（即-300 mmHg）。在实验区间内，每隔2 mm保持5 s并记录对应的压缩位移和压力的数值。 根据实验数据，绘制不同形状散粒体颗粒的变刚度杆的位移与负载力关系的散点图，见图2。 从图2可以看出，圆形黄豆散粒体颗粒组成的变刚度杆在下压阶段和抬升阶段受到的负载力最小，椭圆形豇豆散粒体颗粒组成的变刚度杆受到的负载力最大。散粒体颗粒越小，变刚度杆的容积率越大，同时内部的散粒体颗粒接触面积越大。然而，对比豇豆实验组曲线和绿豆实验组曲线，可知并不是散粒体颗粒越小，变刚度杆承受的轴向压缩力就越大。 3组实验下压阶段的负载力与位移存在线性关系。由于内部的散粒体颗粒出现滑移，在15 mm位移时，黄豆实验组的负载力突然减小。 3组实验抬升阶段的曲线变化比较一致。在 3 mm位移时，变刚度杆受到的负载力都变为0，与下压阶段初始位置时受到的负载力相差很大，这是由变刚度杆在恢复塑性变形时硅胶外膜产生塑性形变而未能恢复引起的。 4 结论 笔者构建了散粒体颗粒阻塞变刚度杆，并基于散粒体阻塞技术的理论，对不同形状的散粒体颗粒对变刚度杆轴向压缩力的影响进行了实验探究。通过实验数据的对比分析，可以得到以下3个方面的结论。 1）在相同条件下，椭圆形散粒体颗粒组成的变刚度杆能够承受更大的轴向压缩力。 2）较小的散粒体颗粒能够提升变刚度杆轴向抗压缩力，但散粒体颗粒的尺寸并不是越小越好，在该实验中豇豆散粒体颗粒的尺寸为最优。 3）实验后变刚度杆不可恢复的塑性形变与硅胶外膜物理性能有关，减小外膜厚度和增大外膜弹性可以减小此类形变。