結(jié)構(gòu)動力學實驗分析

1、 結(jié)構(gòu)動力學實驗分析實驗一 結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)及基本參數(shù)的測量一、 實驗目的與要求1、了解結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)的基本組成、儀器設(shè)備的基本原理和操作方法。2、學習簡諧振動中的頻率和幅值（位移、速度、加速度）的測量方法。二、 實驗原理1、結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)一般由激振系統(tǒng)、傳感器及放大系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理三部分組成。2、對于簡諧振動：位移 速度 加速度 三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、 實驗對象：振動臺臺面。2、 實驗系統(tǒng)框圖：見圖1-1。圖1-1 振動基本參數(shù)測量實驗框圖3、 實驗儀器：（1） 信號發(fā)生器：用來發(fā)生正弦信號，其頻率和電壓幅值可調(diào)。（2） 功率放大器：將來自信號發(fā)生器的電壓信號進行

2、功率放大輸出，用以推動振動臺工作。（3） 電磁式振動臺：振動臺的臺面可以按照信號發(fā)生器輸出的信號的頻率和幅值振動。（4） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（5） 速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（速度）轉(zhuǎn)換成電量。（6） 位移傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（位移）轉(zhuǎn)換成電量。（7） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（8） 測振放大器：將速度型測振傳感器輸出的較小的電流信號放大成可供檢測的電壓信號。（9） 位移放大器：將位移型測振傳感器輸出的較小的電流信號放大成可供檢測的電壓信號。（10） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動

3、的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、 按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細檢查確認無誤。2、 依此打開信號發(fā)生器、功率放大器，預熱5分鐘。然后打開各放大器、數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。3、 將信號發(fā)生器置于正弦信號輸出，輸出頻率為10Hz。4、 緩慢調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的電壓，使振動臺產(chǎn)生振動，在數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中的示波器上觀察到一個較穩(wěn)定的正弦波形。5、 記錄各儀器的指示值。6、 根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定振動臺的振動（加速度、速度、位移）幅值。7、 改變振動頻率（10-100Hz），每隔10Hz，重復4、5、6項的內(nèi)容。8、 將各儀器設(shè)備的輸出旋扭恢復到零，依此關(guān)閉信號發(fā)生器、功率放大器、各個傳感器放大器的開關(guān)

4、，并關(guān)閉數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。整理好實驗現(xiàn)場。五、 整理實驗報告表1-1 結(jié)構(gòu)振動基本參數(shù)測量振動頻率f= Hz儀器讀數(shù)標定系數(shù)實際幅值加速度速度位移實驗二 單自由度系統(tǒng)自由振動實驗一、 實驗目的與要求1、記錄小阻尼情況下衰減振動的時間-位移曲線，了解阻尼對自由振動的影響。2、測量并計算單自由度系統(tǒng)的固有周期、固有頻率、對數(shù)遞減率和阻尼比。二、 實驗原理單自由度系統(tǒng)在小阻尼下的自由振動是衰減振動，位移隨時間的變化規(guī)律為：，時間-位移曲線如下圖所示：圖2-1 自由振動衰減曲線利用該曲線可以讀出自由振動的固有周期T，進而可計算出自由振動的固有頻率f。利用該曲線還可以讀出自由振動的兩相臨幅值A(chǔ)i和Ai

5、+1，由此可計算出對數(shù)遞減率：由對數(shù)遞減率可得阻尼比： 為了避免偶然因素產(chǎn)生的誤差，可以量測相隔n個周期的兩個幅值，同樣可以求得單自由度系統(tǒng)自由振動的固有周期、固有頻率、對數(shù)遞減率和阻尼比。并且實驗精度會更高。三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、 實驗對象：單自由度系統(tǒng)（質(zhì)量塊+彈性支撐桿）。2、 實驗系統(tǒng)框圖：見圖2-2。圖2-2 單自由度系統(tǒng)自由振動實驗框圖3、 實驗儀器：（1） 力錘：用來發(fā)生激振信號。（2） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（3） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（4） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分

6、析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細檢查確認無誤。2、依此打開各放大器及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。4、 用力錘敲擊質(zhì)量塊，使其產(chǎn)生自由衰減振動。5、 用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄自由衰減振動時間歷程曲線并打印。6、 根據(jù)自由衰減振動時間歷程曲線確定和計算單自由度系統(tǒng)自由振動的固有周期、固有頻率、對數(shù)遞減率和阻尼比。7、 將各儀器設(shè)備的輸出旋扭恢復到零，依此關(guān)閉電荷放大器的開關(guān)，關(guān)閉數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。整理好實驗現(xiàn)場。五、 整理實驗報告1、 給出自由衰減振動時間歷程曲線。2、 根據(jù)自由衰減振動時間歷程曲線計算單自由度系統(tǒng)自由振動的固有周期、固有頻率、對數(shù)遞減率和阻尼比。

7、表2-1 單自由度系統(tǒng)自由振動實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果TfAiAi+1(m)實驗三 單自由度系統(tǒng)受迫振動實驗一、 實驗目的與要求1、測繪受迫振動的幅頻特性曲線，了解干擾力頻率對振幅的影響。2、掌握通過受迫振動測試系統(tǒng)固有頻率和阻尼的方法。二、 實驗原理單自由度有阻尼系統(tǒng)在簡諧力作用下受迫振動的運動微分方程為或其中，為阻尼比。穩(wěn)態(tài)受迫振動的解為式中其中，為頻率比。稱為考慮阻尼時動力放大系數(shù)，它為動力位移幅值與靜力位移幅值的比值。上式所確定的曲線稱為幅頻曲線。三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、 實驗對象：單自由度阻尼系統(tǒng)。2、 實驗系統(tǒng)框圖：見圖3-1。圖3-1 單自由度系統(tǒng)受迫振動實驗框圖3、

8、 實驗儀器：（1） 信號發(fā)生器：用來發(fā)生正弦信號，其頻率和電壓幅值可調(diào)。（2） 功率放大器：將來自信號發(fā)生器的電壓信號進行功率放大輸出，用以推動振動臺工作。（3） 電磁式振動臺：振動臺的臺面可以按照信號發(fā)生器輸出的信號的頻率和幅值振動。（4） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（5） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（6） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、 按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細檢查確認無誤。2、 依此打開信號發(fā)生器、功率放大器，預熱5分鐘。然后打開各放大器及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。3、

9、將信號發(fā)生器置于正弦信號輸出，輸出頻率為1Hz。4、 緩慢調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的電壓，使振動臺產(chǎn)生振動，在數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中的示波器上觀察到一個較穩(wěn)定的正弦波形。5、 記錄各儀器的指示值。6、 根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定質(zhì)量塊振動幅值。7、 改變振動頻率（1-20Hz），每隔1Hz，重復4、5、6項的內(nèi)容。8、 將各儀器設(shè)備的輸出旋扭恢復到零，依此關(guān)閉信號發(fā)生器、功率放大器、各個傳感器放大器的開關(guān)，并關(guān)閉數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。整理好實驗現(xiàn)場。五、 整理實驗報告1、幅頻特性曲線實驗數(shù)據(jù)記錄激振頻率（Hz）振動幅值（mm）2、作出單自由度系統(tǒng)受迫振動幅頻曲線。并依此確定系統(tǒng)的自振頻率。3、根據(jù)半功率法確

10、定單自由度系統(tǒng)的阻尼比。實驗四 多自由度系統(tǒng)動力特性實驗一、 實驗目的與要求1、了解多自由度系統(tǒng)動力特性。2、掌握通過共振法測試多自由度系統(tǒng)固有頻率和振型的方法。3、觀察各階振型節(jié)點的個數(shù)及位置。二、 實驗原理多自由度系統(tǒng)振動的運動微分方程為上式的通解可以表示為各個特解之和，設(shè)其中一組特解的形式為由以上各式得對自由振動，有由上式可求得各階主頻率。然后代入前式可進一步解出相應的振型。 用共振法可較方便地測試出多自由度系統(tǒng)的各階主頻率及振型。三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、實驗對象：多自由度系統(tǒng)（三自由度系統(tǒng)）。2、實驗系統(tǒng)框圖：見圖4-1。圖4-1 多自由度系統(tǒng)振動實驗框圖3、 實驗儀

11、器：（1） 信號發(fā)生器：用來發(fā)生正弦信號，其頻率和電壓幅值可調(diào)。（2） 功率放大器：將來自信號發(fā)生器的電壓信號進行功率放大輸出，用以推動振動臺工作。（3） 電磁式振動臺：振動臺的臺面可以按照信號發(fā)生器輸出的信號的頻率和幅值振動。（4） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（5） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（6） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細檢查確認無誤。2、依此打開信號發(fā)生器、功率放大器，預熱5分鐘。然后打開各放大器及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。3、將信號發(fā)生器置

12、于正弦信號輸出，緩慢調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的電壓，使振動臺產(chǎn)生振動，在數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中的示波器上觀察到一個較穩(wěn)定的正弦波形。4、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的頻率，使多自由度系統(tǒng)在第一階主頻率處產(chǎn)生共振，記錄此時的頻率值，然后根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定對應的振型。5、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的頻率，使多自由度系統(tǒng)在第二階主頻率處產(chǎn)生共振，記錄此時的頻率值，然后根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定對應的振型。6、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的頻率，使多自由度系統(tǒng)在第三階主頻率處產(chǎn)生共振，記錄此時的頻率值，然后根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定對應的振型。7、 將各儀器設(shè)備的輸出旋扭恢復到零，依此關(guān)閉信號發(fā)生器、功率放大器、各個傳感器放大

13、器的開關(guān)，并關(guān)閉數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。整理好實驗現(xiàn)場。五、 整理實驗報告1、 記錄多自由度系統(tǒng)的各階主頻率值。階數(shù)123主頻率值（Hz）2、作出多自由度系統(tǒng)前三階振型圖。實驗五 懸臂梁實驗模態(tài)分析實驗一、 實驗目的與要求1、了解實驗模態(tài)分析的基本原理和方法。2、熟悉瞬態(tài)激勵法模態(tài)分析的過程，掌握傳遞函數(shù)的測量方法。3、采用瞬態(tài)法進行懸臂梁實驗模態(tài)分析，測得前三階模態(tài)參數(shù)。二、 實驗原理 若系統(tǒng)的激勵力為F(t),響應為y(t)，F(xiàn)()和Y()為它們的傅氏變換，則假定在i個自由度上作用一個激振力，它的頻率為，幅值為F，此時多自由度系統(tǒng)運動微分方程為多自由度系統(tǒng)第l個自由度上的響應為式中響應的幅值與

14、激振力的幅值之比稱為頻率響應函數(shù)。如果把結(jié)構(gòu)上n個自由度上所有任意兩點的頻率響應函數(shù)組成矩陣，有式中，。矩陣的任一行或任一列包含了模態(tài)的全部信息，測試時只要測試一行或一列即可。三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、實驗對象：懸臂梁。2、實驗系統(tǒng)框圖：見圖5-1。圖5-1 懸臂梁模態(tài)分析實驗框圖3、實驗儀器：（1） 力錘：用來產(chǎn)生瞬態(tài)激振力。（2） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（3） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（4） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細

15、檢查確認無誤。2、依此打開打開放大器及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。3、固定激振點，在此點作激振，然后分別測試各測試的響應。4、固定測試點，分別在各激振點激振，然后分別記錄固定測試點的響應。5、將各儀器設(shè)備的輸出旋扭恢復到零，依此關(guān)閉傳感器放大器的開關(guān)，并關(guān)閉數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。整理好實驗現(xiàn)場。五、 整理實驗報告1、給出用固定激振點的測試方法得出的懸臂梁的前三階振模態(tài)。2、給出用固定測試點的測試方法得出的懸臂梁的前三階振模態(tài)。實驗六 損傷結(jié)構(gòu)動力特性實驗一、 實驗目的與要求1、了解損傷結(jié)構(gòu)動力特性的方法。2、掌握采用共振法測試損傷結(jié)構(gòu)動力特性的方法。3、比較損傷結(jié)構(gòu)與完好結(jié)構(gòu)動力特性，了解變化規(guī)律。二、

16、 實驗原理 結(jié)構(gòu)動力系統(tǒng)的控制方程為其中矩陣M，C，K分別表示離散的質(zhì)量、阻尼和剛度分布，分別表示加速度向量、速度向量和位移向量，是外部作用力函數(shù)向量。方程的齊次解就是特征值和特征向量。如略去阻尼項，有設(shè)其中是第i階特征值，是相應的特征向量。由以上各式可得物理參數(shù)M、K與動力特性，之間的關(guān)系顯然，是系統(tǒng)M，K的函數(shù)。如果結(jié)構(gòu)中存在損傷，則結(jié)構(gòu)特定部分的質(zhì)量和剛度損失而引起的M，K的任何變化，都將在自振頻率和振型的測量中有所反映。損傷前后位移模態(tài)差可表示為其中，YD和YI分別為有損傷及無損傷結(jié)構(gòu)的位移模態(tài)。E可以更清楚地反映損傷對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。三、 實驗對象、實驗系統(tǒng)框圖及實驗儀器1、實驗對象

17、：完整懸臂梁與有損傷的懸臂梁。2、實驗系統(tǒng)框圖：見圖6-1。圖6-1 損傷結(jié)構(gòu)動力特性實驗框圖3、實驗儀器：（1） 信號發(fā)生器：用來發(fā)生正弦信號，其頻率和電壓幅值可調(diào)。（2） 功率放大器：將來自信號發(fā)生器的電壓信號進行功率放大輸出，用以推動振動臺工作。（3） 電磁式振動臺：振動臺的臺面可以按照信號發(fā)生器輸出的信號的頻率和幅值振動。（4） 加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機械振動量（加速度）轉(zhuǎn)換成電量。（5） 電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。（6） 數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。四、 實驗步驟1、按圖所示連接實驗儀器設(shè)備，并仔細檢查確認無誤。2、依此打開信號發(fā)生器、功率放大器，預熱5分鐘。然后打開各放大器及數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。3、將信號發(fā)生器置于正弦信號輸出，緩慢調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的電壓，使振動臺產(chǎn)生振動，在數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)中的示波器上觀察到一個較穩(wěn)定的正弦波形。4、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的頻率，分別使有、無損傷懸臂梁在第一階主頻率處產(chǎn)生共振，記錄此時的頻率值，然后根據(jù)各儀器的標定系數(shù)，確定對應的振型。5、 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出的頻率，分別使有、無損傷懸臂梁在第二階主頻率處產(chǎn)生共振，記錄此時的