振動測試(1) 緒-39

1、 課程名稱：固體力學實驗固體力學實驗( (二二) ) 課程原名：振動測試 院系：運載工程與力學學部/力學系 任課教師：孫國綜合實驗樓，622 版權(quán)所有, 2004 (c) 陸秋海 第1講 緒 論 測試的定義測試的定義 測試是 測量測量 與 試驗試驗（實驗）的簡稱。n試驗離不開測量，測試中最基本的是測量。n測量是利用各種裝置對可觀測量（或稱被測參）進行 定性定性 和 定量定量 的過程。n測試的目的測試的目的：獲取信息。信息、信號、測試的關(guān)系：信息、信號、測試的關(guān)系：1. 信號是傳遞信息的載體。2. 測試是得到被測參數(shù)信息的技術(shù)手段。 動態(tài)測試的定義動態(tài)測試的定義 動態(tài)測

2、試動態(tài)測試：在實際工程中，大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，動態(tài)測試泛指各類動態(tài)信號的測量。 本課程本課程：固體力學實驗（二），振動測試。振動測試的特點振動測試的特點振動力學量是時間的函數(shù)(周期性、隨機性、 瞬時）振動力學量大小與結(jié)構(gòu)固有特性有關(guān)。靜態(tài)：力幅不變應變、位移、應力不變動態(tài)：力幅不變不同頻率下響應不同動載下，力學量允許極限不同疲勞、斷裂許用應力明顯降低振動信號 X(t)頻率頻率相位幅度0-90-180結(jié)構(gòu)動特性建模方法結(jié)構(gòu)動特性建模方法理論建模理論建模：動力學仿真分析實驗建模實驗建模：實驗模態(tài)分析方法 有限元對實驗研究的指導作用主要表現(xiàn)在預先試驗分析：確定傳感器和激勵設(shè)備的配置方

3、案、傳感器類型、頻響、靈敏度、線性范圍、溫度特性等的要求。采用實驗建模的原因采用實驗建模的原因 實際結(jié)構(gòu)太復雜，難以采用理論簡化和進行精確的動力學仿真分析；組成部件多，連接關(guān)系復雜，甚至有剛體、柔性體及機構(gòu)耦合；包含間隙、摩擦等非線性；包含大位移和大變形等幾何非線性；結(jié)構(gòu)強度、構(gòu)形、邊界條件和受力條件時變；受復雜風載、運動載荷、熱環(huán)境條件等共同作用；如發(fā)電機組、大橋。 動力學仿真分析的結(jié)果需要得到實驗驗證。原型試驗/全尺寸模型試驗/縮尺動力學相似模型試驗/部件試驗(模型相似理論)實驗建模方法 實驗建模是通過系統(tǒng)的輸入信號和輸出響應之一或全部確定系統(tǒng)動特性模型的方法。因此又可稱為辨識過程，可分為

4、： 系統(tǒng)辨識：模型的形式、階次、參數(shù)均未知。 參數(shù)辨識：模型的形式已知，階次和參數(shù)待定；或僅參數(shù)待定。振動臺落錘沖擊空調(diào)風機通過實驗確定風機在工作狀態(tài)下是否可能共振導致高速旋轉(zhuǎn)的葉片與外壁發(fā)生刮蹭和碰撞空調(diào)風機模態(tài)試驗汽車動力學試驗采用激振器對整車或部件進行激勵，激振器端部安裝力傳感器，通過安裝在車架和車身上的傳感器測量車輛的動力響應。飛機動力學試驗飛機模態(tài)分析飛機模態(tài)分析振動臺試驗航空發(fā)動機齒輪破壞再現(xiàn)軍用飛機發(fā)動機齒輪在飛行過程中出現(xiàn)斷裂。經(jīng)過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)齒輪某一階工作頻率與發(fā)動機工作頻率非常接近。安裝在振動臺上以此頻率進行激勵，1小時以后齒輪出現(xiàn)與實際工作破壞相同的裂紋，表明是共振引起破

5、壞。解決方案：改變齒輪厚度。哈勃望遠鏡熱致振動q甩掉了裝在天文望遠鏡上用來定甩掉了裝在天文望遠鏡上用來定位觀測星體的傳感器。位觀測星體的傳感器。q嚴重影響了天文觀測。由于每次嚴重影響了天文觀測。由于每次振動需要振動需要3-6分鐘才能靜止，望遠分鐘才能靜止，望遠鏡的有效觀測時間被嚴重縮短。鏡的有效觀測時間被嚴重縮短。q帆板振動使直徑帆板振動使直徑2.4米的望遠鏡鏡米的望遠鏡鏡片扭曲，導致其不能精確聚焦，片扭曲，導致其不能精確聚焦，影響了圖片的拍攝質(zhì)量。影響了圖片的拍攝質(zhì)量。激光測振儀 非接觸式高精度測量激光測振儀喇叭的振動全場掃描式激光測振儀可以對全場進行非接觸式振動測量，安裝有CCD相機，可直

6、接在計算機上選定需要專門測量的點。可顯示結(jié)構(gòu)全場穩(wěn)態(tài)響應的振型、選定點的頻譜和頻響函數(shù)等。 大型實際工程結(jié)構(gòu)如大型橋梁、大型廠房、海洋平臺等在交通、能源、軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義。確定結(jié)構(gòu)是否存在損傷以及損傷的位置和程度已經(jīng)成為這類結(jié)構(gòu)安全保障的重要途徑。局部試驗方法：（外觀檢查，聲或超聲波，磁場探測，射線成像，溫度場測試等）全局方法：（利用結(jié)構(gòu)的振動特性對整個結(jié)構(gòu)進行損傷診斷識別）基于振動特性的結(jié)構(gòu)損傷識別基于振動特性的結(jié)構(gòu)損傷識別鋼筋混凝土梁損傷識別損傷基頻（Hz）二階頻率（Hz）健康209.0965487.20245 對孔202.8800484.63517 對孔202.90

7、68483.358710 對孔208.3078481.8861 IASC-ASCE 基準結(jié)構(gòu)模型試驗研究該基準模型實際結(jié)構(gòu)為如下圖所示的一個該基準模型實際結(jié)構(gòu)為如下圖所示的一個3維維4層鋼結(jié)構(gòu)模型，層鋼結(jié)構(gòu)模型，長寬各為長寬各為2.5米，高米，高3.6米。米。圖圖 基準結(jié)構(gòu)基準結(jié)構(gòu) 圖圖 每一層構(gòu)件編號每一層構(gòu)件編號 圖圖每一層的測點位置及方向每一層的測點位置及方向 納米管的振動特性 納米管的1階(A)、2階(B)、3階(C)振動的振型。與懸臂梁振型相同納米管的截面尺度約1納米。99年Science雜志納米管傳感器 納米管的端部為1個基因，相當于單自由度系統(tǒng)，可通過測量系統(tǒng)的頻率計算出基因的質(zhì)

8、量。99年Science雜志 International Space Station(ISS)發(fā)射過程：發(fā)射過程：火箭各位置的推進加速度、振動速度和位移。載人載人/生物航天器：生物航天器：對推進加速度限制。入軌后姿態(tài)控制：入軌后姿態(tài)控制：姿態(tài)敏感器、推進器的噴氣量、步進電機調(diào)整角度和力矩、反作用輪調(diào)整角度等入軌后振動控制：入軌后振動控制：各位置的加速度；控制力和力矩問題：負載限制、發(fā)射過程的高g值和入軌后小振動對傳感器測量系統(tǒng)的要求地面與太空大溫差、太空中向陽和被陽面大溫差、出入地球陰影的大溫差對傳感器測量系統(tǒng)的要求；微重力環(huán)境條件對傳感器測量系統(tǒng)的影響；長時間工作對測量系統(tǒng)可靠性和安全性的要

9、求；低頻密集模態(tài)的測量困難。10Hz以下數(shù)百階模態(tài)。 汽車工程汽車平順性：汽車平順性：載人平順性和運輸平順性。懸掛系統(tǒng)的減振特性：懸掛系統(tǒng)的減振特性：減震器特性，懸架特性，座椅減振特性，發(fā)動機減振器。汽車運行安全性：汽車運行安全性：汽車的主要頻率特性，各部件的振動與車速和路面激勵的關(guān)系，車架、軸、傳動軸及其連接等重要部件的動態(tài)應力評估。碰撞安全性：碰撞安全性：人體各關(guān)鍵部件的耐沖擊特性（最大加速度、沖擊時間、相對位移等），安全帶的減振特性，碰撞變形特性，安全氣囊的觸發(fā)條件。課程的主要內(nèi)容（實驗建模） 振動信號傳感器 振動特性參數(shù)的測量方法 信號分析和信號處理技術(shù) 機械阻抗法與頻響分析 結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗分析課程學習目標 掌握常見傳感器的原理及應用技術(shù) 掌握基本的動力學測試的方法 掌握基本的信號采集和分析的方法 掌握基本的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的理論和方法 完成6個實驗訓練培養(yǎng)對結(jié)構(gòu)進行綜合動力學測試分析的基本理論和實驗能力參考書目 (1) 李德葆,陸秋海.工程振動試驗分析.清華大學出版社,2004 方之楚,楊長俊,余征躍.動態(tài)測試與分析技術(shù)