結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（土木、力學(xué)等專業(yè)）上海大學(xué)力學(xué)系2009 - 3實(shí)驗(yàn)一 剛架（桁架）多點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹庇^地了解鋼架、桁架、多桿系、超靜定、裝配應(yīng)力模擬等系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況，掌握實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析的方法，提高工程應(yīng)用的能力，并能自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并實(shí)施實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到掌握力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本原理與基本操作方法，提高綜合分析問題與解決問題的能力。二、實(shí)驗(yàn)裝置及介紹1剛架（桁架）多功能組合試驗(yàn)臺(tái)（拱式和三角式，見圖1-1）。2dh3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、ggd-b載荷顯示器、計(jì)算機(jī)（參見圖1-2）。3電阻應(yīng)變計(jì)安裝用材料及工具。本實(shí)驗(yàn)裝置 “剛架（桁架）多功能組合試驗(yàn)臺(tái)”（拱式和三角式），設(shè)計(jì)成鋼架

2、和桁架二者可轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^地了解這二種結(jié)構(gòu)的差別和受力狀態(tài)的不同。利用本實(shí)驗(yàn)裝置可以進(jìn)行包括鋼架靜態(tài)應(yīng)力分析系統(tǒng)、桁架靜應(yīng)力分析系統(tǒng)、不同支撐的鋼架（桁架）應(yīng)力分析系統(tǒng)、多桿系應(yīng)力分析系統(tǒng)、超靜定系統(tǒng)、裝配應(yīng)力模擬系統(tǒng)等多個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目。數(shù)據(jù)處理部分采用國內(nèi)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)多點(diǎn)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。此實(shí)驗(yàn)裝置能根據(jù)學(xué)生的教學(xué)需要將各種實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成幾個(gè)相互獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，也可將其組合成多種受力狀態(tài)的綜合性實(shí)驗(yàn)。 (a) 拱式剛架 (b) 三角式剛架 圖1-1 剛架（桁架）多功能組合試驗(yàn)裝置圖1-2 多功能組合測(cè)試系統(tǒng)（a） (b) (c) (c) (b) （b）（c） 圖1-3 剛

3、架（桁架）的正視圖上部（a）、節(jié)點(diǎn)局部（b）和側(cè)視圖（c）三、實(shí)驗(yàn)原理剛架及桁架是工程上最常見的結(jié)構(gòu)之一，剛架及桁架模擬實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)形式如圖1-15-3（a）所示，其節(jié)點(diǎn)局部如圖1-15-3（b）所示，調(diào)節(jié)螺栓可以實(shí)現(xiàn)剛架和桁架結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。剛架（桁架）的側(cè)視圖如圖1-15-3（c）所示，調(diào)節(jié)下部的螺栓可以改變剛架（桁架）的支撐條件，同時(shí)側(cè)面結(jié)構(gòu)還具有超靜定系統(tǒng)、裝配應(yīng)力模擬等實(shí)驗(yàn)功能。四、實(shí)驗(yàn)方法及步驟1確定試驗(yàn)方案：根據(jù)需要確定要做的試驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)行剛架或桁架結(jié)構(gòu)的組合，并設(shè)置邊界條件。2選擇并確定需要測(cè)量的位置，測(cè)量尺寸和角度。3按照電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼工藝將電阻應(yīng)變計(jì)安裝在被測(cè)點(diǎn)上，選取合適

4、的橋路組合。4連接并調(diào)試電阻應(yīng)變儀：打開dh3818靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)控制軟件，軟件的操作界面如圖1-15-4所示，系統(tǒng)自動(dòng)由“手動(dòng)控制”狀態(tài)切換到“自動(dòng)控制”；查找機(jī)箱：選擇合適的串行口com1或com2。5平衡操作：輸入自定義文件名，單擊“平衡”按鈕。若需要顯示平衡結(jié)果，點(diǎn)擊“顯示平衡結(jié)果”選框；若存在不平衡點(diǎn)，在“未平衡測(cè)點(diǎn)數(shù)”下拉式列表框中顯示不平衡點(diǎn)，找出不平衡原因。6進(jìn)行參數(shù)設(shè)置（具體操作見儀器使用說明書），參數(shù)設(shè)置的彈出框如圖1-15-5所示；選擇采樣方式：?jiǎn)未尾蓸踊蚨〞r(shí)采樣。7打開ggd-b載荷顯示器，調(diào)零；轉(zhuǎn)動(dòng)手柄等差加載，應(yīng)變儀記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。8整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與有限元的計(jì)算結(jié)果進(jìn)

5、行比較，分析誤差原因。圖1-4 dh3818靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件的操作界面圖1-5 參數(shù)設(shè)置的彈出框五、主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1彈性支撐條件下的剛架、桁架應(yīng)力分析。2鋼架結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。3結(jié)構(gòu)裝配應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。4多桿系、復(fù)合材料桿系組合實(shí)驗(yàn)。5超靜定結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。6空間力系、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。7多點(diǎn)巡檢應(yīng)力測(cè)量。實(shí)驗(yàn)二 曲梁與拱的應(yīng)力實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)量曲梁與兩鉸拱結(jié)構(gòu)的軸向應(yīng)變與應(yīng)力。2由實(shí)驗(yàn)結(jié)果算出結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩，并與理論值比較，分析曲梁和拱結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 多功能壓桿試驗(yàn)臺(tái)、曲梁與拱裝置、應(yīng)變儀、游標(biāo)卡尺、直尺等圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖圖2-2 截面應(yīng)力分布三、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)

6、原理實(shí)驗(yàn)裝置如圖16-1所示。試件為彈簧鋼制成的矩形截面曲桿，圓心角為120o，拱頂有承壓座，兩側(cè)拱腰的30 o截面處對(duì)稱地貼有電阻應(yīng)變片，拱角兩端通過輥軸壓在兩個(gè)鉸支座上，可產(chǎn)生微小的轉(zhuǎn)動(dòng)。鉸支座置于方形鋼管制成的底梁上，其兩端裝有止推座，調(diào)整推力頂絲，可改變支座的約束形式。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，將本裝置置于壓桿試驗(yàn)臺(tái)的底版正中，裝上傳力挺桿，調(diào)整好桿長(zhǎng)，勻速、緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)施力旋鈕，并通過力傳感器即可進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn), 構(gòu)件的變形由電阻應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)得，并通過應(yīng)力分布規(guī)律導(dǎo)出橫截面上的軸力和彎矩。在實(shí)驗(yàn)中，通過改變拱址部分的約束條件，可分別完成簡(jiǎn)支曲梁、二鉸拱和無鉸拱的實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1二鉸拱實(shí)驗(yàn)（1）松

7、開蝶形螺母和鎖定螺絲，檢查支座安裝是否妥當(dāng)，推力頂絲是否頂緊。（2）安裝傳力頂桿，保證有足夠的行程，并調(diào)節(jié)好桿長(zhǎng)，使初始時(shí)頂桿與承載座和滾珠座之間有良好的接觸但又基本不受力。（3）電路連接。（4）應(yīng)變儀調(diào)整。（5）正式實(shí)驗(yàn)之前，先預(yù)壓幾次，觀察試件的變形形式并檢驗(yàn)儀器工作是否正常。（6）分級(jí)緩慢加載，并記錄各級(jí)荷載所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。2曲梁實(shí)驗(yàn) 拆除兩端的水平約束，在鉸支座下放好減摩墊片，實(shí)驗(yàn)程序同二鉸拱。五、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（1）記錄各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變值。（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，求出所測(cè)截面上的軸力和彎矩，并與理論值比較。（3）比較曲梁和拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和內(nèi)力，并分析其原因。實(shí)驗(yàn)三：變時(shí)基錘擊法

8、簡(jiǎn)支梁模態(tài)測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)模態(tài)分析原理；2學(xué)會(huì)模態(tài)測(cè)試方法；3學(xué)習(xí)變時(shí)基的原理和應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器安裝示意圖dasp軟件圖3-1 簡(jiǎn)支梁模態(tài)分析儀器連接示意圖三、實(shí)驗(yàn)原理1模態(tài)分析方法及其應(yīng)用模態(tài)分析方法是把復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成模態(tài)模型，來進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)識(shí)別（系統(tǒng)識(shí)別），從而大大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際響應(yīng)來尋示相應(yīng)的模型或調(diào)整預(yù)想的模型參數(shù)，使其成為實(shí)際結(jié)構(gòu)的最佳描述。主要應(yīng)用有:用于振動(dòng)測(cè)量和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。可測(cè)得比較精確的固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)阻尼、模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度?？捎媚B(tài)試驗(yàn)結(jié)果去指導(dǎo)有限元理論模型的修正，使計(jì)算模型更趨完善和合理。用來進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改、靈

9、敏度分析和反問題的計(jì)算。用來進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算和載荷識(shí)別。2模態(tài)分析基本原理工程實(shí)際中的振動(dòng)系統(tǒng)都是連續(xù)彈性體，其質(zhì)量與剛度具有分布的性質(zhì)，只有掌握無限多個(gè)點(diǎn)在每瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況，才能全面描述系統(tǒng)的振動(dòng)。因此，理論上它們都屬于無限多自由度的系統(tǒng)，需要用連續(xù)模型才能加以描述。但實(shí)際上不可能這樣做，通常采用簡(jiǎn)化的方法，歸結(jié)為有限個(gè)自由度的模型來進(jìn)行分析，即將系統(tǒng)抽象為由一些集中質(zhì)塊和彈性元件組成的模型。如果簡(jiǎn)化的系統(tǒng)模型中有個(gè)集中質(zhì)量，一般它便是一個(gè)自由度的系統(tǒng)，需要個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)來描述它們的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程是個(gè)二階互相耦合（聯(lián)立）的常微分方程。模態(tài)分析是在承認(rèn)實(shí)際結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用所謂“模態(tài)模型”來描述其動(dòng)態(tài)

10、響應(yīng)的條件下，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，尋求其“模態(tài)參數(shù)”，是一種參數(shù)識(shí)別的方法。模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)，是一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其目的在于把原在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的響應(yīng)向量，放到所謂“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來描述。這一坐標(biāo)系統(tǒng)的每一個(gè)基向量恰是振動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)特征向量。也就是說在這個(gè)坐標(biāo)下，振動(dòng)方程是一組互無耦合的方程，分別描述振動(dòng)系統(tǒng)的各階振動(dòng)形式，每個(gè)坐標(biāo)均可單獨(dú)求解，得到系統(tǒng)的某階結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)離散化處理后，一個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性可由n階矩陣微分方程描述： （1） 式中為n維激振力向量；、分別為n維位移、速度和加速度響應(yīng)向量；m、k、c分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，通常為實(shí)對(duì)稱n階矩陣。 設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，

11、對(duì)方程式（1）兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換，可以得到以復(fù)數(shù)s為變量的矩陣代數(shù)方程 （2） 式中的矩陣 （3）反映了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，稱為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)矩陣或廣義阻抗矩陣。其逆陣 （4）稱為廣義導(dǎo)納矩陣，也就是傳遞函數(shù)矩陣。由式（2）可知 （5）在上式中令，即可得到系統(tǒng)在頻域中輸出（響應(yīng)向量）和輸入（激振向量）的關(guān)系式 （6）式中為頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣。矩陣中第行第列的元素 （7）等于僅在坐標(biāo)激振（其余坐標(biāo)激振力為零）時(shí)，坐標(biāo)響應(yīng)與激振力之比。 在（3）式中令，可得阻抗矩陣 （8）利用實(shí)對(duì)稱矩陣的加權(quán)正交性，有 其中矩陣稱為振型矩陣，假設(shè)阻尼矩陣也滿足振型正交性關(guān)系 代入（8）式得到 （9）式中 因此 （10）上式中

12、，、分別稱為第r階模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度（又稱為廣義質(zhì)量和廣義剛度）。、和分別稱為第r階模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型。 不難發(fā)現(xiàn)，n自由度系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，等于n個(gè)單自由度系統(tǒng)頻率響應(yīng)的線形疊加。為了確定全部模態(tài)參數(shù)、和（r=1，2，n），實(shí)際上只需測(cè)量頻率響應(yīng)矩陣的一列（對(duì)應(yīng)一點(diǎn)激振，各點(diǎn)測(cè)量的）或一行（對(duì)應(yīng)依次各點(diǎn)激振，一點(diǎn)測(cè)量的）就夠了。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析或模態(tài)參數(shù)識(shí)別的任務(wù)就是由一定頻段內(nèi)的實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼比和振型，r=1，2，n（n為系統(tǒng)在測(cè)試頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù)）。3模態(tài)分析方法和測(cè)試過程（1）激勵(lì)方法為進(jìn)行模態(tài)分析，首先要測(cè)得激振力及相應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)行

13、傳遞函數(shù)分析。傳遞函數(shù)分析實(shí)質(zhì)上就是機(jī)械導(dǎo)納，和兩點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)表示在點(diǎn)作用單位力時(shí)，在點(diǎn)所引起的響應(yīng)。要得到和點(diǎn)之間的傳遞導(dǎo)納，只要在點(diǎn)加一個(gè)頻率為的正弦的力信號(hào)激振，而在點(diǎn)測(cè)量其引起的響應(yīng)，就可得到計(jì)算傳遞函數(shù)曲線上的一個(gè)點(diǎn)。如果是連續(xù)變化的，分別測(cè)得其相應(yīng)的響應(yīng)，就可以得到傳遞函數(shù)曲線。然后建立結(jié)構(gòu)模型，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行模態(tài)擬合，得到各階模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)的模態(tài)動(dòng)畫，形象地描述出系統(tǒng)的振動(dòng)型態(tài)。根據(jù)模態(tài)分析的原理，我們要測(cè)得傳遞函數(shù)矩陣中的任一行或任一列，由此可采用不同的測(cè)試方法。要得到矩陣中的任一行，要求采用各點(diǎn)輪流激勵(lì)，一點(diǎn)響應(yīng)的方法；要得到矩陣中任一列，采用一點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)測(cè)量響應(yīng)的

14、方法。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，單點(diǎn)響應(yīng)法，常用錘擊法激振，用于結(jié)構(gòu)較為輕小，阻尼不大的情況。對(duì)于笨重、大型以及阻尼較大的系統(tǒng)，則常用固定點(diǎn)激振的方法，用激振器激勵(lì)，以提供足夠的能量。還有一種是多點(diǎn)激振法，當(dāng)結(jié)構(gòu)常因過于巨大和笨重，以至于采用單點(diǎn)激振時(shí)不能提供足夠的能量，把我們感興趣的模態(tài)激勵(lì)出來?；蛘呤墙Y(jié)構(gòu)在同一頻率時(shí)可能有多個(gè)模態(tài)，這樣單點(diǎn)激振就不能把它們分離出來，這時(shí)就要采用多點(diǎn)激勵(lì)的方法，采用兩個(gè)甚至更多的激勵(lì)來激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。（2）結(jié)構(gòu)安裝方式在測(cè)試中使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，是試驗(yàn)準(zhǔn)備工作的一個(gè)重要方面。一種是經(jīng)常采用的自由狀態(tài)。即使試驗(yàn)對(duì)象在任一座標(biāo)上都不與地面相連接，自由地懸浮在空中。如放在很

15、軟的泡沫塑料上；或用很長(zhǎng)的柔索將結(jié)構(gòu)吊起而在水平方向激振，可認(rèn)為在水平方面處于自由狀態(tài)。另一種是地面支承狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上有一點(diǎn)或若干選定點(diǎn)與地面固結(jié)。如果我們所關(guān)心的實(shí)際工況支承條件下的模態(tài)，這時(shí)，可在實(shí)際支承條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。但最好還是以自由支承為佳。因?yàn)樽杂蔂顟B(tài)具有更多的自由度。（3）變時(shí)基方法的應(yīng)用在進(jìn)行瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)采樣時(shí)，激勵(lì)與響應(yīng)之間，特征時(shí)間與特征頻率的差異太大，激勵(lì)是ms級(jí)的，響應(yīng)是幾百ms級(jí)到秒級(jí)。如果采用等時(shí)基傳遞函數(shù)做瞬態(tài)激勵(lì)傳函分析時(shí)，就存在頻率分辨力（采樣頻率越低，分辨力越高）和時(shí)域波形精度（采樣頻率越高，時(shí)域波形精度越高）這一對(duì)無法克服的矛盾。由于脈沖激勵(lì)信號(hào)作用

16、時(shí)間較短，為了確保頻率分辨力，采樣頻率不能太高，從而導(dǎo)致以下幾種情況：采到的激勵(lì)信號(hào)偏大；采到的激勵(lì)信號(hào)偏??；激勵(lì)信號(hào)沒有采上。計(jì)算出來的導(dǎo)納值重復(fù)性差，相位不準(zhǔn)。因此在變時(shí)基提出之前，大型結(jié)構(gòu)無法用錘擊法測(cè)出模態(tài)，只能使用火箭激勵(lì)，因?yàn)榛鸺?lì)時(shí)加長(zhǎng)了激勵(lì)時(shí)間，且它可以產(chǎn)生方波激勵(lì)信號(hào)。變時(shí)基的原理：用較高的頻率對(duì)力脈沖進(jìn)行采樣，用較低的頻率對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采樣，兩個(gè)采樣頻率的倍數(shù)就是變時(shí)倍數(shù)。采用變時(shí)基就可以解決以上問題。三、 實(shí)驗(yàn)步驟有一根梁如下圖所示，長(zhǎng)（x向）680mm，寬（y向）50mm，高（z向）8mm。欲使用多點(diǎn)敲擊、單點(diǎn)響應(yīng)方法做其z方向的振動(dòng)模態(tài)，可按以下步驟進(jìn)行。圖3-2

17、梁的結(jié)構(gòu)示意圖1. 測(cè)點(diǎn)的確定此梁在y、z方向尺寸和x方向（尺寸）相差較大，可以簡(jiǎn)化為桿件，所以只需在x方向順序布置若干敲擊點(diǎn)即可（本例采用多點(diǎn)移步敲擊、單點(diǎn)響應(yīng)方法），敲擊點(diǎn)的數(shù)目視要得到的模態(tài)的階數(shù)而定，敲擊點(diǎn)數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結(jié)果才可信。此例中在x方向把梁分成十六等份，即可以布十七個(gè)測(cè)點(diǎn)。選取拾振點(diǎn)時(shí)要盡量避免使拾振點(diǎn)在模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)上，此處取拾振點(diǎn)在第六個(gè)敲擊點(diǎn)處。151413121154321109876拾振點(diǎn)17圖3-3 梁的測(cè)點(diǎn)分布示意圖162. 儀器連接儀器連接如下圖所示，其中力錘上的力傳感器接zjy-601a振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀第一通道的電荷輸入端，壓電加速度傳

18、感器接zjy-601a振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀第二通道的電荷輸入端，zj-601a振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的輸入選擇相應(yīng)地?fù)艿綁弘娂铀俣纫欢?。zjy-601a振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的兩通道輸出分別接inv303/306采集儀上的第一、二通道。圖3-4 儀器連接及傳感器分布示意圖inv303/306采集系統(tǒng)dasp分析軟件壓電加速度傳感器拾振點(diǎn)1514131211543211098761716zjy-601a型振動(dòng)與控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀3. 結(jié)構(gòu)生成儀器連接好后，啟動(dòng)dasp2005標(biāo)準(zhǔn)版軟件，選擇模態(tài)分析按鈕，進(jìn)入模態(tài)分析教學(xué)系統(tǒng)界面。在左邊信息窗口中選擇結(jié)構(gòu)，選擇并設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)。選擇結(jié)構(gòu)置1，為簡(jiǎn)支梁（2為等截面懸臂梁，3為

19、等強(qiáng)度變截面懸臂梁，4為圓板，59是為了滿足實(shí)驗(yàn)的多樣性而擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)）。設(shè)置好參數(shù)后，可以在右面窗口中顯示出當(dāng)前簡(jiǎn)支梁的圖型和節(jié)點(diǎn)分布情況。根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布情況。然后把梁按圖示分布測(cè)點(diǎn)。圖3-5 梁的結(jié)點(diǎn)分布示意圖4. 參數(shù)設(shè)置與采樣在左邊信息窗口中選擇采樣，進(jìn)入采樣界面。在測(cè)量設(shè)置中設(shè)置傳感器類型、總測(cè)點(diǎn)數(shù)和原點(diǎn)導(dǎo)納位置，總測(cè)點(diǎn)數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)自動(dòng)讀取，不可更改。在多次觸發(fā)采樣設(shè)置中設(shè)置每個(gè)測(cè)點(diǎn)觸發(fā)采樣次數(shù)，變時(shí)基倍數(shù)為4等。用力錘敲擊各個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀察有無波形，如果有一個(gè)或兩個(gè)通道無波形或波形不正常，就要檢查儀器連接是否正確、導(dǎo)線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至示波波形正確為止。在設(shè)置中選

20、定采樣頻率（例如12000hz）和變時(shí)倍數(shù)（例如4倍），采樣長(zhǎng)度2k，程控倍數(shù)為1，使用適當(dāng)?shù)那脫袅η脫舾鳒y(cè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)或inv的程控倍數(shù)，直到力的波形和響應(yīng)的波形即不過載又不是太小。選定采樣時(shí)自動(dòng)增加測(cè)點(diǎn)號(hào)，準(zhǔn)備采樣。本例采樣文件名為：zjy；試驗(yàn)號(hào)默認(rèn)為：1；數(shù)據(jù)路徑：c:daspout。分析結(jié)果路徑和數(shù)據(jù)路徑相同，可按更改來設(shè)置文件名和采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑；采樣類型設(shè)為：變時(shí)基；單位類型設(shè)為：第一通道的工程單位設(shè)為：n（牛頓），第二通道的工程單位設(shè)為：m/ss（加速度）；其余通道本例不用。最后，輸入標(biāo)定值和工程單位。通過示波已經(jīng)定好了放大器的檔位，傳感器靈敏度為kch（pc/u）

21、（pc/u表示每個(gè)工程單位輸出多少pc的電荷，如是力，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓n，則此處為pc/n；如是加速度，而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2，則此處為pc/m/s2）；zjy-601a型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀輸出增益為ke；靈敏度適調(diào)為ksh（pc/u）；積分增益為kj（zjy-601a型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的一次積分和二次積分kj=1）；儀器標(biāo)稱值為kd（mv/u）zjy-601a型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的標(biāo)稱值：加速度（或力）峰值為200時(shí)輸出為滿量程5v，則；速度峰值為200時(shí)輸出為滿量程5v，則；位移峰值為2000時(shí)輸出為滿量程5v，則。則dasp參數(shù)設(shè)置表中的標(biāo)定值k為：參數(shù)設(shè)置完后，選擇自動(dòng)增加

22、測(cè)點(diǎn)號(hào)，按左窗下面的開始采樣按鈕，進(jìn)入觸發(fā)變時(shí)基采樣狀態(tài)，等待觸發(fā)，并提示當(dāng)前采樣的點(diǎn)號(hào)和觸發(fā)次數(shù)。根據(jù)提示從第一點(diǎn)按設(shè)定的觸發(fā)次數(shù)測(cè)試到最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)。自動(dòng)記錄下每次測(cè)試結(jié)果。測(cè)試過程中盡量避免連擊現(xiàn)象，如果有連擊現(xiàn)象，按中止采樣按鈕，改變測(cè)點(diǎn)號(hào)重新開始采樣，將覆蓋原來數(shù)據(jù)。5. 分析調(diào)采樣數(shù)據(jù)采樣完成后在中選擇分析，打開分析對(duì)話框，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傳函分析。首先選擇要調(diào)入的測(cè)點(diǎn)號(hào)，按調(diào)入波形按鈕，右面窗口中顯示該測(cè)點(diǎn)的波形。以每一通道的力信號(hào)加力窗，按鼠標(biāo)左鍵在力信號(hào)的左邊，按左窗口中的左邊按鈕，按鼠標(biāo)左鍵在力信號(hào)的右邊，按左窗口中的右邊按鈕，完成對(duì)力信號(hào)的力窗設(shè)置。對(duì)響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗，選擇系

23、數(shù)。當(dāng)系數(shù)為0時(shí)為不加指數(shù)窗。如圖6所示。 圖3-6 調(diào)入選定測(cè)點(diǎn)波形圖圖3-7 傳遞函數(shù)分析結(jié)果傳函分析設(shè)置完成后按進(jìn)行傳函計(jì)算，完成選定點(diǎn)的傳函分析，顯示分析結(jié)果。如圖7所示。按自動(dòng)計(jì)算全部傳函按鈕，可以分析完全部采樣點(diǎn)的傳函分析，計(jì)算完后提示：所有測(cè)點(diǎn)的傳函計(jì)算完畢！ 模態(tài)擬合該軟件的采用集總平均的方法進(jìn)行模態(tài)定階，按開始模態(tài)定階，顯示集總平均后的結(jié)果，用鼠標(biāo)分別點(diǎn)峰值點(diǎn)，收取該階頻率，依次收取各階峰值，按保存按鈕存盤。如果收取有誤可按清除按鈕清除當(dāng)前結(jié)果。如圖8所示。 圖3-8 確定模態(tài)階數(shù)圖3-9 模態(tài)擬合結(jié)果模態(tài)擬合采用復(fù)模態(tài)單自由度擬合方法，按開始模態(tài)擬合得到擬合，得到擬合結(jié)果。

24、如圖9所示。振型編輯質(zhì)量歸一和振型歸一兩種方式隨各自需要任選，本例選擇質(zhì)量歸一，完成后顯示：模態(tài)振型編輯完畢！至此，模態(tài)分析已經(jīng)完成，以后可以觀察、打印和保存分析結(jié)果，也可以觀察模態(tài)振型的動(dòng)畫顯示。動(dòng)畫顯示按進(jìn)入動(dòng)畫顯示對(duì)話框，根據(jù)每個(gè)對(duì)話框中的相應(yīng)按鈕可以動(dòng)畫進(jìn)行控制，如更換顯示階數(shù)、顯示軌跡；在視圖選擇中選取顯示方式：?jiǎn)我晥D、多模態(tài)和三視圖；改變顯示色彩方式；振幅、速度和大小，以及幾何位置。對(duì)于當(dāng)前動(dòng)畫可輸出avi格式的動(dòng)畫文檔，可直接用媒體播放器播放。按模態(tài)輸出為avi文件，彈出保存文件名對(duì)話框，模態(tài)動(dòng)畫視頻壓縮對(duì)話中的壓縮程序選擇microsoft video 1.0方式，確定后即可生

25、成動(dòng)畫文件。在保存的目錄下調(diào)用文件，顯示動(dòng)畫。模態(tài)分析完后，可對(duì)所有數(shù)據(jù)和圖形進(jìn)行存盤和保存，相應(yīng)的按鈕為另外，由于本軟件采樣時(shí)采用的是默認(rèn)路徑：c: program filescoinvdaspstdzjymdata，如果要保存到自定義的路徑，可通過來完成采樣數(shù)據(jù)和分析結(jié)果的存盤和調(diào)用。該軟件在安裝過程中已經(jīng)有一部分樣例數(shù)據(jù)，分別保存在c:program filescoinvdaspstd zjymdata目錄中，用戶在采樣和分析時(shí)會(huì)覆蓋c: program filescoinvdaspstd zjymdata中的數(shù)據(jù)。 圖3-10 簡(jiǎn)支梁的前四階模態(tài)振型圖圖3-11 簡(jiǎn)支梁的第三階模態(tài)振型

26、圖五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析記錄模態(tài)參數(shù)模態(tài)參數(shù)第一階第二階第三階第四階第五階頻率質(zhì)量剛度阻尼2、打印出各階模態(tài)振型投影圖。實(shí)驗(yàn)四：工程訓(xùn)練一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)工程結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)方法；2結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)信號(hào)在線采集；3數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和特性。二、實(shí)驗(yàn)儀器1941b超低頻加速度拾振器；2inv-3016高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；3vm-53a超低頻測(cè)振儀。 圖4-1 941b超低頻加速度拾振器圖4-2 inv-306高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖4-3 vm-53a超低頻測(cè)振儀三、實(shí)驗(yàn)原理在實(shí)際工作中，工程結(jié)構(gòu)常常要承受各種動(dòng)荷載作用。為了了解結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的工作性能，一般要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載試驗(yàn)，而動(dòng)

27、力荷載試驗(yàn)中最基本和常見的一種就是結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)。例如，橋梁在列車通過時(shí)引起的振動(dòng)；建筑在地震作用或爆炸作用下的動(dòng)力反應(yīng)等。結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)通常包含如下幾個(gè)方面：1. 結(jié)構(gòu)特定部位動(dòng)參數(shù)測(cè)定測(cè)定結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下特定部位的動(dòng)參數(shù)，如：振幅、頻率、速度、加速度、動(dòng)變形等。需在要結(jié)構(gòu)待測(cè)的部位布置適當(dāng)?shù)臏y(cè)試儀器（位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器或電阻應(yīng)變計(jì)等），記錄下結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的相關(guān)參數(shù)即可。測(cè)點(diǎn)選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)試目的而定。例如：為校核結(jié)構(gòu)承載力就應(yīng)將測(cè)點(diǎn)不知在最危險(xiǎn)的部位即控制斷面上；如測(cè)定基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)精密儀器的影響，測(cè)點(diǎn)一般應(yīng)選在精密儀器的基座處。圖4-4為測(cè)定某振源（如機(jī)床干擾

28、）引起房屋振動(dòng)及傳播的測(cè)點(diǎn)布置圖。振源為動(dòng)力機(jī)床，將振源處所測(cè)得的振幅值作為1，其余各點(diǎn)的振幅與振源處的振幅之比就稱為該點(diǎn)的傳布系數(shù)，把各點(diǎn)的傳布系數(shù)標(biāo)在圖上就可明顯地看出該振源產(chǎn)生的振動(dòng)以及在建筑內(nèi)傳布和衰減情況。 圖4-4 房屋振動(dòng)傳布圖2. 測(cè)定結(jié)構(gòu)振動(dòng)變位圖為了確定結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)狀態(tài)及動(dòng)應(yīng)力分布，往往需要測(cè)定結(jié)構(gòu)在一定動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)變位圖。圖4-5表示了振動(dòng)變位圖的測(cè)量方法，將各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)圖用記錄儀器同時(shí)記錄下來，并根據(jù)相位關(guān)系確定變位的正負(fù)號(hào)，再按振幅大小以一定的比例畫在變位圖上，最后連結(jié)而成的圖形即為結(jié)構(gòu)在某種特定動(dòng)荷載作用下的變位圖。 圖4-5 結(jié)構(gòu)振動(dòng)變位圖利用變

29、位圖，就可按照結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論近似地確定結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)內(nèi)力。設(shè)振動(dòng)彈性曲線方程為：于是便得到動(dòng)內(nèi)力 ， 如此得到的內(nèi)力還可與直接通過應(yīng)變測(cè)定的內(nèi)力相比較。3. 測(cè)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力系數(shù)承受移動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)如吊車梁、橋梁等，常常要確定其動(dòng)力系數(shù)，以判定結(jié)構(gòu)的工作情況。移動(dòng)荷載所產(chǎn)生的動(dòng)撓度往往比靜荷載所產(chǎn)生的撓度大，因此，動(dòng)撓度與靜撓度的比值就稱為動(dòng)力系數(shù)。 圖4-6 動(dòng)力系數(shù)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力系數(shù)一般用試驗(yàn)方法測(cè)定。為了求得動(dòng)力系數(shù)，先使移動(dòng)荷載以最慢的速度駛過，測(cè)得撓度圖如圖4-6（a）所示，然后使移動(dòng)荷載按某種速度駛過，這時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生最大撓度，如圖4-6（b），即可求得動(dòng)力系數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)方法與

30、注意事項(xiàng)（1） 對(duì)于大樓和橋梁結(jié)構(gòu)，固有頻率一般較低，因此要選用低頻性能好的位移或速度傳感器，如哈爾濱工力所的891-或951-b型速度傳感器。傳感器分水平和豎直兩種，應(yīng)根據(jù)所測(cè)信號(hào)的方向選擇不同的傳感器和不同的安裝方式。（2） 根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的不同，可選用不同的布點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)點(diǎn)可由1-32個(gè)。作為工程訓(xùn)練并考慮現(xiàn)有儀器容量，建議測(cè)量通道最多不超過8個(gè)。（3） 使用vm-53a超低頻測(cè)振儀可將三維探頭平穩(wěn)地直接放置在測(cè)點(diǎn)，操縱儀器面板上的各鍵即可記錄下測(cè)點(diǎn)在水平、橫向和豎直三個(gè)不同方向上的速度和位移信號(hào)，測(cè)量結(jié)果可直接由熒屏顯示出，同時(shí)保存在存儲(chǔ)卡中供以后作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析。圖4-7 vm-

31、53a測(cè)振儀測(cè)試（4） 使用inv-306高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對(duì)結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行多測(cè)點(diǎn)采集，其連接方式為：傳感器 inv lf-8放大濾波器 inv采集系統(tǒng)接口盒 計(jì)算機(jī)dasp軟件分析處理系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)便可進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)力分析、頻譜分析甚至模態(tài)分析，從而獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)和動(dòng)力特性。圖4-8 inv-306高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試（5） 由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)變位圖求內(nèi)力時(shí)，彈性曲線方程可假定為某一函數(shù)或曲線，只要這一函數(shù)的形態(tài)與振動(dòng)變位圖相似且最大變位與實(shí)測(cè)值相等，由此所確定的內(nèi)力一般就不會(huì)有過大的誤差。（6） 該動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)方法僅適于一些有軌動(dòng)荷載。對(duì)慢速行駛結(jié)構(gòu)的最大靜撓度不便測(cè)量和確定的情況，可以

32、采取只試驗(yàn)一次用高速通過的方法，記錄下結(jié)構(gòu)振動(dòng)圖形如圖4-6（c）所示，取曲線的最大值為，同時(shí)繪出曲線的中線，相應(yīng)于處中線的縱坐標(biāo)即為，利用上面的公式即可求得系數(shù)。（7） 類似樓房、大橋這樣的結(jié)構(gòu)，設(shè)備激勵(lì)一般比較困難，在確定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性時(shí)還可采用環(huán)境激勵(lì)的方法，以天然脈沖作為激勵(lì)信號(hào)。這種方法要求測(cè)試時(shí)間一般較長(zhǎng)，測(cè)試時(shí)要盡量保持安靜，以減少干擾的影響。實(shí)驗(yàn)五：振動(dòng)傳感器的標(biāo)定傳感器是一種測(cè)量裝置，用來把有關(guān)的物理量轉(zhuǎn)變成具有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出，以滿足對(duì)于信息的記錄、顯示、傳輸、存儲(chǔ)、處理以及控制的要求。傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量與控制的第一個(gè)環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著十分重

33、要的作用。傳感器的種類有很多。按測(cè)量參數(shù)有：位移、速度、加速度傳感器、壓力、力、溫度傳感器等；按其構(gòu)造原理可分為：磁電式、壓電式、電感式和應(yīng)變式；按使用角度又可分為：絕對(duì)式（慣性式）和相對(duì)式，接觸式和非接觸式等。這里主要討論壓電式加速度傳感器。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解壓電式傳感器的原理、構(gòu)造和用途以及傳感器的標(biāo)定方法；2應(yīng)用比較標(biāo)法標(biāo)定傳感器的靈敏系數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器1標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器；2振動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)或激振器；3. 高精度電荷放大器；4電壓表；5. 待標(biāo)定傳感器。三、實(shí)驗(yàn)原理比較標(biāo)定法也稱相對(duì)標(biāo)定法，是工程中最常用的標(biāo)定方法。該方法是將被標(biāo)定的傳感器與已知的標(biāo)準(zhǔn)傳感器背靠背地安裝在振動(dòng)臺(tái)上，如圖5-1所

34、示。其中標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏系數(shù)、頻響特性和其它參數(shù)是已經(jīng)知道的。若標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度為，被標(biāo)定傳感器的靈敏度為，當(dāng)振動(dòng)臺(tái)以某一恒定頻率振動(dòng)時(shí)，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出電壓為，被標(biāo)定傳感器的輸出電壓為，則有： , （5-1）由此便可求出被標(biāo)定傳感器的靈敏度為： （5-2）比較標(biāo)定法不僅能標(biāo)定傳感器的靈敏度，而且還能標(biāo)定傳感器的幅頻特性及其它參數(shù)。圖5-2為比較法標(biāo)定加速度計(jì)電荷靈敏度的接線圖。圖5-1 背靠背安裝方式圖5-2 比較標(biāo)定法接線示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 按背對(duì)背方式將標(biāo)準(zhǔn)傳感器和待標(biāo)定傳感器安裝在振動(dòng)臺(tái)上；2. 連接標(biāo)準(zhǔn)傳感器和電荷放大器與電壓表；3. 將電荷放大器的靈敏度適調(diào)開關(guān)調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度數(shù)值，調(diào)節(jié)振動(dòng)臺(tái)或激振器給傳感器施加一固定頻率的激勵(lì)，由電壓表讀出標(biāo)準(zhǔn)傳感器的電壓讀數(shù)；4. 接通待標(biāo)定傳感器和電荷放大器與電壓表，在同樣頻率的振動(dòng)激勵(lì)下，由電壓表讀出要標(biāo)定傳感器的電壓讀數(shù)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)，由公