實驗力學與方法復習資料

1、思考題· 應變的定義？式中： 應變 測區(qū)長度的變化量 測區(qū)的原始長度，稱之為標距· 應變測量橋路有哪幾種？橋路輸出應變的表達式？基本測量橋路：1/4橋、1/2橋、全橋 全橋測量法 半橋測量法 每臂雙片測量法 · 何謂電阻絲的應變效應？利用電阻絲的應變效應，所謂電阻絲的應變效應指的是電阻絲的電阻值隨其本身應變（伸長或縮短）而改變的一種物理性質(zhì)· 電橋的輸入端與輸出端指是什么？一般用什么符號表示？輸入端：與外接電源連接端，如圖中A、C輸出端：與所測試構件連接段，如圖B.D頂點：A B C D E+, U+, E-, U-· 斜拉

2、索索力測試方法有哪些？目前測量索力的方法主要有：壓力表測定法、壓力傳感器測定法（應變式或振弦式）、鋼索測力儀法、振動頻率法、磁通量法、電阻應變片測試法等· 斜拉索索力與哪些因素有關？利用理想弦的振動方程計算斜拉索索力有一定的誤差，主要是因為斜拉索索力不僅跟索的長度、線密度、振動頻率有關，還跟索的剛度及垂度有關。· 振動法測量斜拉索索力的原理是什么？ T是索的張力（N）；m是索的線密度（kg/m）； L是索的計算長度（m）；f為理想頻率段內(nèi)的各階頻率差的平均值· 索振動信號的頻譜圖有什么特點？弦振動的頻譜圖呈倍頻關系· 系統(tǒng)作自由衰減振動時，其振動頻率與系

3、統(tǒng)固有頻率有什么關系？· 解決工程振動問題有哪兩種方法？（理論分析法正過程，實驗方法逆過程）· 系統(tǒng)物理參數(shù)、模態(tài)參數(shù)、及響應參數(shù)有哪些？（物理參數(shù)：質(zhì)量、阻尼、剛度等；模態(tài)參數(shù)：模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼或阻尼比、模態(tài)剛度、頻率、模態(tài)矢量或振型；響應參數(shù)：位移響應、速度響應、加速度響應、應變響應等）· 系統(tǒng)動態(tài)特性的表述方法有哪些？（時間空間、頻率空間、模態(tài)空間）· 簡諧振動、周期振動、非周期振動的頻譜圖有什么特點（簡諧振動頻譜圖就一條直線；復雜周期振動頻譜圖是由若干條離散線組成，故稱離散譜；非周期函數(shù)的頻譜圖形是頻率的連續(xù)曲線，故稱為連續(xù)譜。· 振

4、動測量系統(tǒng)的組成？（四個部分：激勵部分、傳感部分、傳輸部分、分析或測量部分）· 環(huán)境激勵的優(yōu)點及缺點；（優(yōu)：無需激振設備，成本低。缺：信噪比低，由于環(huán)境激勵輸入無法測量，故無法得到頻響函數(shù)。）· 初位移法或突然卸荷法，系統(tǒng)按第一階固有頻率作自由衰減振動，因此該方法只能得到系統(tǒng)的第一階模態(tài)參數(shù)。 · 單位脈沖信號的頻譜圖是一條平直譜，包含0到的所有頻率成分。· 快速正弦掃描激振法與脈沖錘擊激振法，試驗時間很短，均屬于瞬態(tài)激振法，快速方便，能夠同時得到系統(tǒng)多階的模態(tài)參數(shù)，在模態(tài)實驗中經(jīng)常用到。· 目前結構自振特性測試時，環(huán)境激勵是一種應用最為廣泛的

5、測試方法，這種方法認為環(huán)境激勵輸入信號是純隨機信號（即白噪聲信號）。白噪聲信號的頻譜圖與單位脈沖信號一樣，也是一條平直線（平直譜），即輸入信號包含0到的所有頻率成分，因此可以得到橋梁多階的自振特性。· 利用力錘進行模態(tài)實驗時，對于同一實驗對象，力錘錘帽越硬，輸入信號的頻譜圖頻帶越寬，但能量越分散。反之，力錘錘帽越軟，輸入信號的頻譜圖頻帶越窄，但能量越集中。因此，試驗對象頻率較低，則應選擇軟的錘帽，試驗對象頻率較高，則應選擇硬的錘帽。· 振動傳感器又叫作換能器、拾振器、其作用將機械量接收下來，并轉換為與之成比例的電量。· 振動傳感器的分類（按所測的機械量可分為：位移

6、傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應變傳感器）· 壓電式傳感器沒有方向性，因此可應用于斜拉索索力測量；· 數(shù)字信號分析的基本過程？· 濾波器的作用？有哪幾種？在結構振動測試中，低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器及帶阻濾波器。應用較多的是低通濾波器，設置低通濾波器時，濾波器的上限頻率不能大于采樣頻率的一半。· 采樣頻率？采樣間隔？波形采樣是將連續(xù)信號通過采樣轉化為離散信號，相鄰兩個采樣點之間的時間間隔為采樣間隔t，其倒數(shù)為采樣頻率fs。· 采樣定理？采樣頻率fs必須大于被分析信號中最高頻率的兩倍以上，否則會產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，即高頻信號通

7、過采樣變成了低頻信號。· 快速離散傅里葉變換要求分析點數(shù)N應為2的n次方，如分析點數(shù)N應為、512、1024、2048、· 頻率分辨率的表達式？頻率分辨率： · 如何利用幅頻曲線測得衰減系數(shù)？由共振峰極值Hm求得半功率點幅值 Hp=0.707Hm,再由半功率點Hp的帶寬求得衰減系數(shù)近似值: · 畫出簡支梁前四階振型圖· 指出簡支梁前四階振型的模態(tài)節(jié)點的位置。注意參考點或錘擊點不能放在感興趣振型的模態(tài)節(jié)點上。錘擊點不能放在跨中。如果放在跨中，則無法激振出第二階模態(tài)，同理如果放在1/4處將無法激振出第四階模態(tài)· 簡述光測力學的內(nèi)容及光彈性

8、實驗的基本原理。答：光測力學是應用光學的基本原理，結合力學的理論，通過數(shù)學的推演，以實驗為手段，來測量物體中的應力、應變和位移等力學量，去研究和驗證物體的變形機理和固有的力學行為。光彈性實驗的基本原理是利用偏振光通過在受力變形下發(fā)生人工雙折射的透明模型，就能產(chǎn)生光學干涉條紋圖形，分析這些干涉條紋的圖形，可以計算出模型內(nèi)部的應力大小和方向，然后按照力學的相似關系換算為實際結構物的應力。· 簡述光彈性實驗的主要特點。 答：光彈性實驗是利用光的雙折射現(xiàn)象來可視化應力的一項實驗技術，是光測力學中三維實驗應力/應變分析的一種至今仍然十分有效的方法。主要特點是能直觀地通過光學圖案觀測到整個結構內(nèi)

9、部應力分布的全貌，尤其是能精確地觀測到應力集中區(qū)域應力連續(xù)變化的情況，這對比較各種設計方案，校核原定的設計都是十分有用的。它是一種全場性測量法，故用這種方法能了解到結構物內(nèi)應力(或位移)分布的全貌，能清晰地反映出應力集中現(xiàn)象，立即得到應力集中系數(shù)能容易地定出最大應力值及其所在位置，能方便地獲得結構物的邊界應力值。直觀性強。一目了然。可以逐點求出應力或位移，也可以求出任意位置處的應力或位移。其次，可以足夠精確地解決二維和三維模型的邊界應力和內(nèi)部任一截面的應力分布，尤其是解決內(nèi)部應力的特點，實為其它實驗方法所不能比擬的。光彈實驗還能圓滿地解決自重應力問題。· 簡述互補色的性質(zhì)。答：性質(zhì)1

10、：若互補二色相加，假如濃度相當，則混合成白色。性質(zhì)2：若互補二色中如有一色消失，則代替它而呈現(xiàn)的是另一互補色，該性質(zhì)稱為白光互補性質(zhì)。性質(zhì)3：相鄰兩色混合和結果是介于該二色之間的一種顏色。· 簡述顏色與色光的定義及其區(qū)別。 答：顏色與色光是兩個不同的物理概念。色光是指由光波頻率、波長所決定的光的顏色，如：紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫、七色。 顏色是指對七色光的吸收和反射的結果給人的視覺產(chǎn)生的效果。不能吸收或吸收較小，或反射的色光即為顏色，如紅花就是吸收綠的色光反射紅的色光給人的視覺產(chǎn)生紅色的效果。兩者的區(qū)別還表現(xiàn)在： 1兩者組合的效果不同如、七色光組合成白光，而七顏色組合成黑色； 2色

11、光是由波長決定，固定不變的。而顏色是不固定的。只是對不同光波有固定的吸收和反射的光學特征。如在紅光下綠色呈黑色。· 何謂“布魯斯特”定律。答：設光彈性模型為平面時，只要不超過模型材料的彈性極限，通過模型的光波按照模型材料的雙折射性質(zhì)將遵循下列兩條規(guī)律：（1）光波垂直通過平面受力模型內(nèi)任一點時，它只沿著這點的兩個主應力方向分解并震動，且只在主應力平面內(nèi)通過。（2）兩光波在兩主應力平面內(nèi)通過的速度不等，因而其折射率發(fā)生了改變，其變化量與主應力大小成線性關系。· 何謂等色線及等傾線。答：當用白光做光源時，這時干涉條紋是彩色帶組成的，凡是值相等的譜線，條紋的顏色相同，也就是某一種入

12、光波發(fā)生消光，則出現(xiàn)互補色，故稱干涉條紋為等色線，等色線的光學含義是光程差相等的等值線，力學含義是主應力差相等的等值線。由于，故等色線又表示最大剪應力等值線它是光彈性實驗方法中最基本的資料。等傾線的產(chǎn)生也可以從光學概念來理解，凡與主應力平面之一重合的起偏振振動平面上的光矢量，通過應力模型時，必不改變振動平面，但是這些點上的光線必為垂直正交的分析鏡所擋住，故這些消光的點連成等傾線。從物理意義來講，等傾線是擋光造成的暗線，因此習慣上稱為消光應改為擋光。等傾線也是光彈實驗中另一組最基本資料。· 何謂“凍結”現(xiàn)象，簡述其化學機理。 答： 環(huán)氧樹脂在110條件下，彈性模量很小，相應很小的力就可

13、以產(chǎn)生很大的變形，通過大量實驗發(fā)現(xiàn)在保持荷載的狀態(tài)下將溫度緩慢下降至室溫，然后卸去荷載，那么110條件下的應力狀態(tài)將固結在模型內(nèi)，這種現(xiàn)象稱為凍結。凍結的化學機理可粗略地理解為：環(huán)氧樹脂屬于高分子聚合物它存在不可熔和可熔的兩種分子鍵的網(wǎng)絡，而且，不可熔的分子鍵在材料中相互建成的網(wǎng)絡被可熔的分子鍵網(wǎng)絡所填滿。在室溫時，這兩種網(wǎng)絡都是固態(tài)的，所作用的荷載由兩種網(wǎng)絡共同承擔。所以彈性模量值很高，當溫度上升后，可熔網(wǎng)絡逐漸熔化而破壞，這時荷載主要是由不可熔的網(wǎng)絡承擔，由于全部荷載都由不可熔的網(wǎng)絡來承擔，所以彈性模量值很低。若這時開始降溫，則可熔網(wǎng)絡又自行固化，并約束著已經(jīng)變形的不可熔網(wǎng)絡，直至室溫。即

14、使卸去荷載，這一變形仍留在材料中。即不可熔網(wǎng)絡的變形被“凍結”下來了。當適當控制切削加工溫度時，“凍結”狀態(tài)不受切削影響。· 理想的光彈性材料應滿足哪些要求？ 答： 1材料必須透明、均質(zhì)、色淺、透明度好，在未受力前是各向同性的，受力后具有暫時雙折射的效果；2材料的光學靈敏度高，即材料條紋值低，彈性模量大，也就是E/f質(zhì)量系數(shù)大，能形成清晰的條紋圖案；3初應力及殘余應力小，且易于消除；4力學蠕變和光學蠕變效應小，這在一定荷載作用下，條紋幾乎不隨時間而增加，時間、邊緣效應很小；5應力與應變，應力與條紋級數(shù)都有線性關系，且比例極限高；6制造過程簡易，易于機械加工成各種形狀，價格低廉；7盡可

15、能滿足各種實驗的要求，例如變彈模，耐高溫性能，光彈性特點，等等。· 簡述全息干涉法的特點。 答：普通透射光彈法中只能得到等色線和等傾線兩組資料，為求得全部應力分量，需要補充一個條件，如采用剪應力差法等，但需要進行繁瑣的計算工作，而全息照相與光彈性法相結合，即全息干涉法同時紀錄等色線和等厚線的全息光彈性法，再加上等傾線數(shù)據(jù)，便可求得全部應力分量；應用全息光彈性法，不僅計算簡單方便，而且所得的實驗結果具有較高的精度。· 簡述全息照相的原理及特點。 答：全息照相的原理是利用光的干涉原理，利用兩束光的干涉來記錄被攝物體的信息，它不僅記錄了物體光波的振幅，同時也記錄了它的位相，再利用

16、光的衍射現(xiàn)象，在一定條件下使物光再現(xiàn)，得到逼真的三維物像。 全息照相的特點：1.具有立體感；2.可分割性；3.可重疊記錄。· 結構抗震性能試驗有哪幾種型式，并試比較它們的異同點？答：擬靜力試驗、擬動力試驗和模擬地震振動臺試驗：相同點：都是研究建筑結構抗震性能的試驗方法。不同點： 試驗的目的 試驗的加載制度 荷載的類型 試件的尺寸 試驗的目的擬靜力試驗是對材料或結構的表現(xiàn)進行深入的了解，它可以最大限度的獲得試件的剛度、承載力、變形和耗能等信息，即揭示了結構抗震性能方面的基本規(guī)律，從而發(fā)展出抽象的、概括性的結構數(shù)學模型；擬動力試驗和模擬地震振動臺試驗則是將已經(jīng)存在的數(shù)學模型應用于構件或結

17、構，根據(jù)試驗對預期的響應進行驗證。 試驗的加載制度擬靜力試驗的加載制度是按照試驗要求人為設計的荷載形式，類似與普通靜載試驗的加載制度，所不同的就在于它是反復周期荷載，與確定的地震無直接關系；擬動力試驗和模擬地震振動臺試驗則是輸入已發(fā)生的地震波或者是人工合成的地震波。 荷載的類型擬靜力試驗和擬動力試驗均屬于靜載試驗；模擬振動臺試驗屬于動載試驗。利用靜載試驗的試驗數(shù)據(jù)來分析結構的動力響應，其結果是偏于保守，是可行的。這是由于加載速度越慢，結構反映出來的強度越低。 試件的尺寸擬靜力試驗和擬動力試驗多采用足尺或大比例的試件，模型比例一般在1：11：4之間；模擬振動臺試驗的試件一般為小尺寸的試件，由于小

18、尺寸試件的模型相似比很難滿足要求，特別是在彈塑性范圍，試驗結果很難推廣到原型結構上。 · 簡述地震模擬振動臺的基本原理？答：地震模擬振動臺是一項綜合有土建、機械、液壓、電子、計算機技術、控制技術和振動量測技術的系統(tǒng)工程，其基本原理是控制系統(tǒng)中給出地震波，經(jīng)過三參量發(fā)生器，與由臺面上的反饋控制位移、加速度傳感器經(jīng)歸一放大后的三參量反饋信號形成閉環(huán)控制、經(jīng)伺服放大、象限控制合成后形成各個激振器的控制信號，經(jīng)閥控器驅動電液伺服閥，在液壓源高壓液流的推動下，由激振器帶動地震模擬振動臺運動。· 簡述地震模擬振動臺的構成？答：地震模擬振動臺的基本構成由以下四部分組成：一、臺面及支承導向

19、系統(tǒng)；1固定試件的剛性振動臺臺面；2限定自由度數(shù)的導向裝置；3豎向支承導向裝置；4有垂直向振動時的靜荷平衡支承裝置；5機械安全保護裝置。二、激振系統(tǒng)；1雙出桿雙作用液壓激振器；2激振器與臺面和基礎之間的連接裝置；3電液伺服閥；4作為控制元件的位移傳感器；三、液壓源系統(tǒng)；1液壓泵站；2蓄能器組；3水冷卻系統(tǒng)；4高低壓管道系統(tǒng)；5向激振器供油的油路分配系統(tǒng)；6液壓源控制系統(tǒng)。四、控制系統(tǒng)。除了以上四個主體部分外，還有一系列的配套設施，包括：1安裝地震模擬振動臺主體的基礎；2放置地震模擬振動臺和基礎的試驗大廳；3試驗大廳中配備有安裝及運送試件的起重設備；4有控制室，放置地震模擬振動臺控制系統(tǒng)；5安裝

20、液壓源的油源室；6放置量測儀器和進行數(shù)據(jù)處理室；7強電配電室，主要供液壓源用強電；8供液壓源冷卻的水供應系統(tǒng)，包括供水池、冷卻塔等；9振動量測系統(tǒng)、動態(tài)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)；10試驗現(xiàn)場的監(jiān)視系統(tǒng)，通訊聯(lián)絡系統(tǒng)，試驗過程及試件破壞過程的錄制系統(tǒng)。· 簡述福州大學地震模擬振動臺臺陣系統(tǒng)主要技術特點？答：福州大學地震模擬振動臺臺陣系統(tǒng)主要技術特點是：福州大學地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)是福州大學土木工程學院的主要設備之一。該振動臺臺陣系統(tǒng)主要用于各種地震工程力學的基礎性理論研究、各類建筑結構、大跨懸索橋、斜拉橋、高架橋、立交橋、輕軌高架等公路及鐵路橋的整體抗震研究、城市管線結構以及能源管線的抗

21、震研究、地鐵、隧道結構抗震及高邊坡等的抗震試驗研究、運輸模擬研究等等，對研究模型進行振動荷載（包括F.G波、隨機波等）試驗，為原型結構和材料的動力特性研究和分析驗證提供試驗手段。包括三個振動臺，其中中間為固定的4m×4m水平雙向振動臺，兩邊為2.5m×2.5m可移動的水平雙向振動臺各一個，三個臺在10m30m的基坑內(nèi)呈一直線布置，三個臺面的頂平面與實驗室地坪相平，小臺與大臺的最小距離不應大于0.5m，小臺與大臺最大距離為10m12m。每個振動臺獨立工作模式（三個單臺分別控制）；三臺合成一體工作模式（三臺同步工作，相當于10.0m×2.5m單個大型振動臺）；任意兩個

22、振動臺做關聯(lián)運動的工作模式（任意兩個振動臺同步控制，輸入控制波形可以相同，也可以不同）；三個振動臺作關聯(lián)運動的臺陣工作模式（全部三個振動臺同步控制，輸入控制波形可以相同，也可以不同，即作為一套3×2自由度的振動臺臺陣系統(tǒng)）。· 模型配重計算：某鋼筋混凝土高層建筑，其結構構件總質(zhì)量mp為5.0×107kg，活載及非結構構件質(zhì)量mop為3.5×107kg，欲使用微粒鋼筋混凝土制作模型，選取幾何尺寸相似比系數(shù)lr0.05，彈性模型相似比系數(shù)Er0.2，其中，原型鋼筋混凝土質(zhì)量密度為2400kg/m3，模型微粒鋼筋混凝土模型質(zhì)量密度為2300kg/m3。請分別采

23、用人工質(zhì)量模型、忽略重力模型及欠人工質(zhì)量模型求其它物理量的相似比系數(shù)和臺面載荷（模型與配重的質(zhì)量）。解：（1）采用人工質(zhì)量模型（模型重）（結構構件配重）（非結構構件配重）臺面載荷為（6.0+19.0+17.5）×1000kg42500kg。其它物理量相似比為：、（2）采用忽略重力模型臺面載荷為（6.0+4.2）×1000kg10200kg。其它物理量相似比為：、（3）采用欠人工質(zhì)量模型臺面載荷為（6.0+17.5）×1000kg10200kg。其它物理量相似比為：、1.應變測試的主要方法：機測法、光測法、電測法 2.目前測量索力的方法主要有：壓力表測定法、壓力傳感

24、器測定法（應變式或振弦式）、鋼索測力儀法、振動頻率法、磁通量法、電阻應變片測試法等，顯然除了振動頻率法外其它方法均無法應用于成索的索力測試。 3.理想弦的振動方程T是索的張力（N）；m是索的線密度（kg/m）；L是索的計算長度（m）；fn是索的第n階振動頻率（Hz）；4.利用基頻（或頻差）計算弦的張力f為理想頻率段內(nèi)的各階頻率差的平均值 5.斜拉索索力實驗研究：壓電式傳感器6.通過應變測量可轉換為測力（軸力、彎矩、扭矩、剪力）、位移等；7.上式表明：橋路總輸出應變等于領臂應變相減，對臂應變相加。8.基本測量橋路：1/4橋、1/2橋、全橋¼橋適用于恒溫環(huán)境、導線電阻極??；½橋

25、應用較廣；全橋適用于條件相當惡劣 9.筒式壓力傳感器電阻應變原理的推廣10.電測位移計-電阻應變測試技術的應用11.動撓度或動應變與靜撓度或靜應變的比值稱為活荷載的沖擊系數(shù)。12.為了測定沖擊系數(shù)，應使車輛以不同速度駛過橋梁，并逐次記錄跨中撓度或關鍵截面應變的時程曲線。傳感器應變片或位移計13. 按沖擊系數(shù)的定義有： 式中：Ydmax最大動撓度值或最大動應變值；（Ydmax +Ydmin）/2最大靜撓度值或最大靜應變值； 應將實測的撓度或應變時程曲線計算出來的沖擊系數(shù)轉換為標準荷載作用下的沖擊系數(shù)。 14.標準荷載作用下的沖擊系數(shù)： 動力試驗荷載效率； 計算方法同靜載試驗效率15. 衰減系數(shù)n

26、： ；有阻尼振動頻率：16.1.實驗驗證是振動測試中的正問題2參數(shù)識別或系統(tǒng)識別是振動測試中的第一類反問題3載荷識別是振動測試中的第二類反問題4振動控制5結構健康監(jiān)測17. 系統(tǒng)動態(tài)特性的描述通常有三種：1.時間空間（時間域）時間模型它是以機械量的瞬時值為縱坐標，以時間為橫坐標，得到的振動記錄波形；超低頻橋梁（大跨徑斜拉橋、懸索橋）振動測試時，往往選擇位移傳感器2.頻率空間（頻率域）頻率模型振動測量系統(tǒng)的組成（四個部分）四個部分：激振、傳感、傳輸、測量或分析部分3.模態(tài)空間（模態(tài)域）模態(tài)模型18.振動傳感器的分類按機械接收原理分：相對式振動傳感器，絕對式（慣性式）振動傳感器；按機電變換原理分：電動式振動傳感器、壓電式、電容式、電阻式、電渦流式；按所測的機械量分：位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、力傳感器、應變傳感器。按頻帶分：高頻傳感器、低頻傳感器、超低頻傳感器 19. 通過結構動撓度時，所采用的相對式位移傳感器，應滿足頂桿的跟隨條件：Fm(頂桿的質(zhì)量)×a(被測系統(tǒng)的最大加速度)，否則位移計的頂桿與測點表面會發(fā)生撞擊，無法準確地記錄動撓度曲線。20.壓電式傳感器在斜拉索索力測量上應用由質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器構成的拾振器是具有方向性，只能測水平或豎向的振動信號。對于斜拉索由于索是傾斜的，所以不能用這種傳感器測斜拉索的振動頻率。但可以用于懸索橋吊桿