强度振动实验报告.docx
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强度振动实验报告
.
结构强度与振动实验技术报告
学院:
能源与动力学院
姓名:
学号:
SX1
导师:
指导教师:
沈承
同组人员:
2015年6月
.
.
实验一单自由度系统的动力吸振实验
一、实验目的
通过对单自由度系统施加动力吸振器,减小其振动量,观察实验现象,灵活
掌握动力减振实验方法。
二、实验内容
基于二自由度反共振原理设计动力吸振的基本理论,测试单自由度系统的固
有频率,了解动力吸振器的设计过程,采用动力吸振器后单自由度系统的减振效
果。
三、实验原理
所谓吸振就是将原系统的振动能量转移到附加
系统,从而使原系统的振动减小。
动力吸振器利用联
结在振动系统上的附加质量的动力来实现吸振,即将
原振动系统的振动能量转移到附加的弹簧质量振动
系统上了。
单式动力吸振器是一个单自由度振动系统,
与单自由度振动主系统一起构成二自由度系统,力学
模型如右图所示。
主系统质量m1,刚度k1,位移y1。
吸振器质量m,刚度k,位移y。
激扰力为Fsint。
系统的运动微分方程如下(无阻尼):
m1y1k1
k2y1
k2y2
Fsint
m1y2
k2y2
y1
0
设其稳态响应为
y1
A1sin
t
y2
A2sin
t
.
.
代入得到:
F
k2
m2
2
A1
k2
m1
2
k2
m2
2
k22
k1
A2
Fk2
k2
m1
2
k2
m2
2
k22
k1
令1k1/m1——主系统的固有角频率;
2k2/m2——动力吸振器的固有角频率;
stF/k1——主系统的静位移;
m2/m1——质量比值;
上式可以改变为无量纲形式:
A1
1
/
2
2
1
/
2
/
2
/
st
2
1
2
1
A2
1
1
/
2
/
2
/
st
2
1
2
1
22
22/1
22
22/1
当单式动力吸振器的固有角频率2等于外力的角频率时,外力正好等于
动力吸振器的弹性恢复力k2A2,此时设备不振动,从而达到了减震的目的。
因此,
可以调节动力吸振器的质量m或刚度k,使其起到减震的目的。
设备安装了动力
吸振器后,整个系统变成了两个自由度。
共振峰对应的整个系统的固有频率a,
b,当1
2时,整个系统的固有频率
为:
2
2
a
1
2
4
2
2
2
b1
224
动力吸振器主要用在外力角频率不变的场合,或者当外力角频率改变时,能
控制动力吸振器的固有角频率随外力角频率成正比变化的场合。
.
.
四、实验仪器
本次实验主要采用江苏联能力学教学装置、力锤、位移传感器、YE6251数
据采集仪、计算机、激振器等。
五、实验步骤
1、将系统安装成单自由度无阻尼系统,利用锤击法,得到系统的大致固有
频率。
2、将激振器对准单自由度系统,将信号源设置为输出正弦信号。
3、在固有频率附近调节信号源的频率,观察输出幅值为最大时的频率为单
自由度系统的共振频率,同时记下加速度的幅度。
4、将吸振块安装于第二个质量块上,用电涡流传感器对准此质量块,打开
一个FFT视图,并调节附加质量块杆的长度使其与上面的单自由度系统的固有频
率一致。
5、将吸振块安装于第一个质量块上,打开信号源让其对第一质量块激振,
这时记录下加速度的幅度。
六、实验数据记录与整理
(1)试件原固有频率由图1可知:
42.6HZ
.
.
图1
(2)吸振器固有频率由图2可知:
39.7HZ
图2
.
.
(3)无吸振器的试件原始响应,可以发现固有频率时的响应幅值
图3
(4)加上吸振器后的响应,可以发现固有频率时的响应幅值明显降低。
.
.
图4
七、实验分析
单自由度系统在固有频率下发生共振,产生较大的响应幅值。
接入吸振器后,
系统成为二自由度振动系统,在原固有频率正弦激励信号下,可以发现原系统的
振动幅值几乎为零,达到吸振目的。
理论上,当吸振器的固有频率和单自由度系
统的固有频率相等时,原系统振幅为零。
.
.
实验二梁模态实验
一、实验目的
分别利用多点激励单点响应方法、单点激励多点响应方法得到梁的模态参数,
观测实验现象,理解两种方法的理论依据,理解模态模型验证的必要性。
二、实验内容
选取一端简支一端固支结构的梁,利用两种模态测试方法对梁进行模态实验,
对比两种方法的测试结果,利用模态理论分析实验结果的差异。
三、实验原理
当系统的所有阻尼均为比例阻尼或小阻尼时,阻尼矩阵为对称实数矩阵,可
经模态坐标变换后解耦变成对角阵,系统频响函数可按实模态展开。
若在p点激
励,在l点测量,则对于粘性阻尼频响函数可表示为:
n
1
lipi
Hlp()
ki
2
i1
2ji
1
i
i
其中,ki为第i阶模态刚度,li为第i阶主振型向量中第l个元素,而pi为
第i阶主振型向量中第p个元素。
当激励频率在系统某阶固有频率i附近时,该
阶模态导纳便起主导作用,其余各阶模态导纳的影响可忽略不计,即
Hlp(i)Hlpi(i)
亦即:
1lipi
Hlp(i)
ki2ji
从而有:
lipi
Hlp(i)
2kii
.
.
由响应的幅频曲线的峰值位置,便可近似确定i阶固有频率i。
由i两侧半
功率带宽,可以确定i阶模态阻尼比i/2r。
本次实验采用一端简支一端固支梁,当采取多点激励单点响应方式时,将梁
等分18份,测量中间的17个测点,进而获得前四阶模态参数。
取第5点作为响
应点,依次敲击1至17号测点,可以得到:
H51(
1)
51
11
2k1
1
H52(
1)
51
21
2k1
1
51
17,1
H5,17
(1)
2k1
1
显然可得,1阶振型为:
11
H51
(1)
21
H52
(1)
r
17,1
H5,17
(1)
按照上述原理,可以依次测得
2至4阶振型向量。
由于缺少响应的相频特性,故不能直接确定各分量的正负号,我们参照软件
自动绘制的振型图,将各自分量的正负号确定出来。
对于简支梁的一点激励多点响应法,与上述原理相同,只是我们使用该方法,
测得的是频响函数矩阵的某一列,同样可以得到近似的各阶模态向量。
四、实验仪器
本次实验主要采用力锤、加速度传感器、YE6251数据采集仪、计算机等。
五、实验步骤
1、"在教学装置选择"中,选择结构类型为"一端简支一端固支梁",选择等
份数为18,测量17个测点。
.
.
2、采用多点激励单点响应方式时,将拾振点放在第5点。
采用单点激励多
点响应方式时,对第5点进行锤击激励。
3、将力通道的低通滤波器设置为1KHz,将拾振的加速度通道的低通滤波器
设置为2KHz。
4、用力锤对第1点激振,对应的激励为f1,响应为1,平均3次,对应的数
据为第1批数据,以此类推,测量完全部测点。
5、选择"教学装置模态分析和振型动画显示",调入测量数据进行分析。
六、实验数据记录与整理
(1)多点激励单点响应(此处选择5号点响应)频响函数和相位图,可以分析出前4阶频率:
图5
(2)多点激励单点响应(5号点)前4阶振型:
.
.
图6
(3)单点激励多点响应(激励5号点)频响函数和相位图,可以分析前4阶频
率:
图7
(4)单点激励多点响应(激励5号点)前4阶振型:
.
.
图8
(5)两种方法结果对比
本次实验中,试件梁的结构尺寸:
长
l610mm,
宽b
49mm,
厚度
h8.8mm。
材料参数:
45#钢,弹性模量E
210GPa,
密度
7800Kgm3
横截面积:
A498.84.3210
4
2
49
8.8
3
10
9
4
。
m截面惯性矩:
I
12
2.8
m
据此可求出一端固支一端简支梁的理论固有频率。
下表为利用多点激励单点
响应和单点激励多点响应两种方式测得的实验值和理论值的比较。
表1两种方式实验值与理论值的比较
固有频率(Hz)
一阶
二阶
三阶
四阶
理论值
87.3
283.2
590.73
998.57
多激单响
63.48
205.48
439.45
729.98
实验值
单激多响
63.48
207.52
441.89
715.33
.
.
多激单响
27.3%
27.44%
25.6%
26.89%
误差
单激多响
27.3%
26.7%
25.2%
28.36%
七、实验分析
由上表可以看出,利用多点激励单点响应方法以及单点激励多点响应方法得
到的梁模态参数差别不大,除了第四阶相差稍多之外,其余阶差别可以忽略。
这
说明,用两种方法测模态在本质上是一致的,都可以得到准确的试验模态。
从实
验测得的频率与理论频率对比,可以发现各阶实验值均比理论值小,原因可能是
未考虑转动惯量与剪切变形对频率的影响。
由于共振法略去了相邻模态的影响,
因此得到的模态不纯,其精度较差,特别在识别模态阻尼比和振型时,可能引起
很大的误差。
.
.
实验三转子临界转速测量实验
一、实验目的
1、观察转子在亚临界、临界及超临界的工作状况
2、计算转子的理论临界转速,并与实测值作比较
3、分析研究在实验中产生的各种物理现象,了解影响转子临界转速的各种
因素。
4、熟悉实验设备及其操作方法;熟悉软件应用。
二、实验内容
通过对电动机转速的无级变速,得到转子的实际临界转速,并与理论计算值
进行比较。
三、实验原理
电涡流位移传感器
光电转速传感器
电动机
底座
支承盘
轴
支承
联轴器
图9
图9为临界转速实验装置示意图,其结构为单盘转子以简支形式支承在滑动
轴承上。
实验圆盘安装在轴的跨度中间。
整个转子由变速电动机带动旋转,电动
机的转速通过调压变压器控制,可无级变速。
转速测量:
本实验系统采用的是光电转速传感器,在转轴上贴有反光条,转
轴每转动一周光电转速传感器感应一个脉冲。
此脉冲就是键相位,反光条所在的
.
.
位置就是振动相位零角度对应的实际位置。
同时,转速脉冲信号输入测量系统的
转速输入通道用于转速测量。
转速的测量可以通过计数器测量单位时间内键相位
脉冲的个数得到(计数法),可以测量2个键相位脉冲之间的时间T得到(测周
期法)。
振动传感器:
旋转机械的振动测量有多种传感器,其中电涡流传感器为非接
触式,用于直接测量旋转轴的振动位移。
振动测量模块可以给电涡流振动位移传感器提供工作电源、对反馈的振动信
号进行测量、分析。
等角度数据采集:
不同于一般数据采集系统的是旋转机械的振动数据采集必
须保证等角度,即:
在转子的每个转动周期T内采集Kph个数据,称之为等角度
采样或称整周期采样。
轴心轨迹:
旋转机械振动实验的一个突出特点。
在旋转轴的水平、垂直两个
方向分别安装两只互相垂直
的位移传感器,两路信号分别
输入示波器的X、Y轴,可以
合成显示转轴轴心的运转轨
迹。
实验中采用软件中的重采
样时间波形,即可看到转子轴心轨迹。
四、实验步骤
1.测量参数设置
分析模式:
瞬态
阶次上限:
64X
.
.
阶次分辨率:
0.125X
转速控制:
通过转速控制数据采集的进行
起始转速:
1000rpm
结束转速:
6000rpm(应大于临界转速)
转速间隔:
50rpm
显示阶次:
1X(显示工频振动)
2.测量通道参数设置测量通道各参数见下图
图10
3.信号选择
对照图11的信号选择对话框,选择需要显示的信号类型
.
.
图11
4.调出Bode图的相频曲线
(1)首先建立显示Bode图的幅频曲线窗口;
(2)在Bode图窗口中点击鼠标右键,选择“图形属性”弹出右边的对话框;
(3)进入“坐标”,在右下“Y轴”选项下拉菜单中选择“相频”,如图12
.
.
图12
(4)显示转速
由主菜单“显示”中选择“转速显示”,调出转速显示框,显示框大小、位置可调整。
(5)测试
由主菜单“控制”中选择“启动采样”,进入数据采集。
图13所示的测试界面分别显示了重采样波形、阶次谱、Bode相频曲线、Bode幅频曲线。
图13
.
.
五、相关材料数据及理论公式
该实验轴径d9.5mm,跨度l
24cm,质量m800g。
1.无盘有重轴的临界转速
cr轴
2
EJ
cr轴
2
A
l
式中:
J—截面的惯性矩,J
d4,其中d为转轴的直径,m;
64
E—弹性模量,210Gpa;
—转子材料密度:
7800kg/m3
;
A—转轴的截面积,A
d2
4,m2
2
EJ
2
210
109
9.5
103
4
因此
cr轴
2
2
2
64
2
2109
A24
2410
10
9.510
l
3
7800
4
2.单盘无重轴的临界转速
cr盘
48
210
9
3.14
9.5
10
3
4
10
64
48EJ
3
24102
cr盘
c
l3
603
m盘
m盘
800103
式中:
c—装盘处的刚性系数,c
48EJ
,Nm2;其中E、J、l同前式;
l3
m盘—盘的质量,kg
3.单盘均质轴转子的临界转速cr
111
222
crcr轴cr盘
30
ncrcr
式中:
ncr—理论计算临界转速,rpm
.
.
wcr轴
wcr盘
=
2109
603
=579.77
因此,wcr
2
2
603
2
+2109
2
wcr盘
+wcr轴
ncr30579.77=5539.2rpm
即理论临界转速为5539.2rpm,由图13可知,实测临界转速为4096rpm,实测值
比理论值小。
六、实验数据记录与整理
表2实验记录数据
转
350040004500470049005000510053005500570059006000
速
挠
16(um)20.819.419.517.316.614.910.97.2248.213.7
度
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4000
4500
5000
5500
6000
3500
图14实测转速-挠度曲线
轴心轨迹如图15,
.
.
图15轴心轨迹
七、实验中的异常现象及误差分析
1、在转速达到5700rpm时,挠度突然增大,初步分析为实验设备的问题;
2、理论临界转速比实测转速大,是因为系统的阻尼较大,阻尼系数越大,则两
者相差越大;
八、改进意见
1、在实验过程中,发现实验设备在多年的操作中,出现了损坏,导致实验数据
不准确,软件系统存在一部分bug,因此建议更新设备及系统;
2、通过数学力学分析,建立模型对理论值与实测值之间的差异进行修正,以便
两者更好的吻合。
.
.
实验四材料疲劳实验
一、实验目的
通过材料试验机对某一材料进行疲劳动强度测试,观察实验现象,掌握动强
度实验中试件设计和试验设计的过程。
二、实验内容
对某一材料(金属或复合材料)进行疲劳实验的试件设计,说明试件设计的
力学原理,对不同的试验设计方法(如力、位移、应变控制下的加载方式)进行
分析,对实验现象和实验结果进行分析。
三、试件设计
将2.5维机织复合材料板切割成试验件所需的形状和尺寸,静载拉伸和拉-
拉疲劳试件的几何形状和尺寸如图16所示。
加强片采用2mm厚的铝片,使用AB
胶将其与试件粘结。
试件制作完成后,对每根试件按GB-1446进行外观目视检查,
然后按国标GB/T16779-1997进行试件厚度和宽度初始尺寸的测定。
图16
四、实验观摩
本次观摩的实验为疲劳裂纹预制实验,掌握复合材料的裂纹扩展抗力,即断
裂韧度。
只要满足小范围屈服和平面应变条件,断裂韧度就不再与试样或结构的
几何尺寸形状有关,而仅为材料的常数。
它表征材料所固有的平面应变裂纹扩展
.
.
抗力。
由于它代表了实际结构中最常见和最危险的裂纹顶端约束情况,所以平面
应变断裂韧度在安全设计中有重要地位。
五、实验仪器及试样图
SDS50型电液伺服动静万能实验机
图17实验仪器及试样
六、实验步骤
1.打开计算机,运行“动态试验机试验软件”。
进入读取条件模块,选择试验方式(静拉伸试验选择静态,疲劳试验选择动态)。
2.将控制方式选择为“位移”,状态(拉、保持、压)选择为“保持”。
3.将应变仪电源打开并运行DHDAS.exe软件。
4.打开滤油器,然后开启油泵和冷却装置,将SDS50横梁调至适当位置(根据试件装夹要求)。
5.在DHDAS软件中选择应变片的通道(本实验选择了1、2、5、6四个通道),将
测量类型选为“应变”,应变片连接方式选为“方式2”(半桥连接)。
进入“图
形设计区”模块,打开4个记录仪,分别对应4个应变片的输出。
6.在“动态试验机试验软件”中通过拉压按钮调节,使得位移回到“0”,然后选
.
.
择“保持”状态,切换到“负荷”调零,再切回“位移”控制。
7.装夹试件,先位移控制夹试件的上端,将应变片连接到应变仪(记得接补偿片)。
再负荷控制夹试件下端,最后在调回“位移”控制。
8.为了
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- 强度 振动 实验 报告