强度振动实验报告材料

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m，刚度k，位移y。111吸振器质量m，刚度k，位移y。激扰力为F sinw t。my +(k + k )y -k y1 2 1 2 2=F sin w t-y1 )=0系统的运动微分方程如下（无阻尼）：设其稳态响应为y = A sin w t11y = A sin w t22代入得到：F (k - m w 2)1 (k + k - m w2 )(k 2- m w2)- k 21 2 1 2 2 2-k 21 2 1 2 2 2令& = k /m主系统的固有角频率；1 1 1w = k / m 动力吸振器的固有角频率；2 2 26 = F / k主系统的静位移；st 1p = m / m 质量比值；21上式可以改变为无量纲形式：Ast1-(w /w )221 + p(w / w)2 -(w / w)2 1 -(w / w)2 |-p(w / w)2212 L2 21/w2121A6 二st1 + p (w / w21'w、alw丿2'w )=1+号+"+罟 )2 _(w / w)21 _(w / w)2 |-p(w / w)22 L2 21当单式动力吸振器的固有角频率w等于外力的角频率w时，外力正好等于2动力吸振器的弹性恢复力 k A ，此时设备不振动，从而达到了减震的目的。因此，22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wa，w，当w = w时，整个系统的固有频率w为:b 1 2<w2丿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w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嗣万式|斂 3 p三IIIKiiiit |T、-t -M :-7. :L-i I < |=：'- "|H i i.： IJtf) ia矗I阳慮I要口中堂宜叹他風0FI好術MSt电平阪lldti£& |庾冈YL Wt f -削團c e|c|屮|干比竝乐棚已上p" sw弧F 存瞪垢径胳时问建飛1IE卜乎噩曲直质昱快的朋晏I询为I.非吐曲扳9KC动力收tf 5H的喷星ZKS.T JT驚碇 10图 1(2)吸振器固有频率由图2可知：39.7HZst电平|T干比竝乐棚已上I皋耳万式I示谀二IIKiiilt粹?紳严工JSW弧p ?EI&4±|i：U«3CC9U-S试吐自矗厂 就号i3再3W嗣斶廉时朗口 z WftW：加-I鱼目也Blml输|:dOS叹i好術XSilM|kolite 1Kfl 34OJ1201ICCO旳gm4£0 itMAT胡 tSt?1=0. IHi43 ditrtritlceiniiEZ.:®1=D.EJC<I 汕血2filS-2C0- VO Oiul ievi iTn j?ci io 五 0£?J卫£30华斃歯直质昱块的JSMI迪为ms曲SB眦匕动力股tfSB的喷送旳加EKj.HT驚血 10图 23）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TEt?!TlCKtrJj*«*KX'. W 云应晦1色1 gjgHjiaaMMi 创*采耳寒曲T:H：£采阡万冠|杀迷Sfffcnr pH蛾甌1Jh蛾册i上斑J惟电平J眦個1J干均;她1J去削g J定时祠瞎区£存盘常楼二J0®EE=l«.834£F=0 1359rtiIWIMl«I叵区(-18 SHj E=M.单目曲5不狡I-IFTTlr-IAlx-曲-一4）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。宜时冋蕉 記IS径|1:L«3：E3M-S 试吐占悴丘 越号i3阳 gsfjWmdK工圈*息0EE利曰Itnl总一i &:«iw：rvxI3：（l_l£iMKfl-KJ-4OT _如匚叵区匸问冈滋一竺垒1*1 X一!&也ItKdiJt拨爭性MSt电平拨加童蛊rt阀述童£=5.Ga 仁沁Q68E-SOO-is as 号W号iW-nfilZJSTdWSafi*：i|11-.» A1+ZZK ¥1t33KmA1f1耳-'T55104E6w|1D-7TXFs£"-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:li piH ） = £ -lpki=1i其中，k为第i阶模态刚度，申为第i阶主振型向量中第l个元素，而申为ilipi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附近时，该 i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H （）沁H（）lp ilpi i亦即:H（w ）lp ii ee沁 li pik 2 jii从而有:I p pH (w )ip i I 2k gii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w。由w两侧半ii功率带宽，可以确定i阶模态阻尼比g =Aw/2w。ir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：9 951_U2k g11H 52巴）卜9 92k g11H 5，")卜赞11显然可得，1 阶振型为：9 = vr911921511土H 5,17(7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：曲&曲冃 |d .TToKe-F 昭号fl £ 壓画| 氓人丘导： JfH 三 trtfas Id= | « »fiEre#rtis Si丽3 砖却|怕二11_kJipt堆通总i+置去如审谨acx=d tnx E 0T?0隔曲L "环也販却忑吗A2曲迹推S4MfflZfta|widl|ff* *« i 1所拯型功画2阶振型时画Hizeac硼| MX iHjIF-R3 18&如1孟ctavn TMlW I =«u>+ I” Fku£亍常H.F-20&.OS 阳足比 DN.球FIJP. 3 MX IHjI r-dl8.®D-3.73新如 MX lH>l 时為.旳 珈比 D-I.3OG；牧取力曲r自議由事爲 幵歯只无亦 慢帶霍睛苗果I眄.i阶按型动iS图 63）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 74）单点激励多点响应（激励 5 号点）前 4 阶振型：凄徹孚拿蛋世臺肺樹写按鬼动武55示圄画|动 IBiU规图删*屈诵 三 肋药|丽| |m I- ii* 1阶撮塑动画3断乘塑功画2阶孫型动画«s5SfWE iHdF=6H6 阴尼比D-3L3ra!f» fHdF-207.E 阴尼比 jU 衆<1阶据型功画几闫直slflieff IT也!*厂 啪时I首 FWST-卿:恤 F-?15.Jj5）两种方法结果对比本次实验中，试件梁的结构尺寸：长l = 610mm ,宽b = 49mm ,厚度h = 8.8mm。材料参数:45#钢，弹性模量E = 210GPa,密度p = 7800Kg m349 乂 8 83横截面积：A=49x8.8=4.32<104m 截面惯性矩：I = 2.8x 10-9m4。12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87.3283.2590.73998.57实验值多激单响63.48205.48439.45729.98单激多响63.48207.52441.89715.33、口 ¥ 误差多激单响27.3%27.44%25.6%26.89%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。底座-支承 盘- 轴_支承_联轴器一nA via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-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 103. 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1W号选择已选信号,_脳狂團可选信号w-ls-=ls-=ls-=ls-=lE-I&倍号类型 吋间減形FFT实时谱璋重采祥时间波戒阶次谱X转速團Bode 團Uh I-ch X三维谱 坎贝尔图忖普通绘图方式肘丫记录方式帮助图 114. 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圉形属性颤芭字怀选项坐标®默认刻度自动刻度固定刻度固定刻康的Y轴最值-£轴第丿卜值|10CS. 35M轴垠犬值|4M0. 04丫轴绘小值Fi丽Y轴毘大恒I価数据小数点后有蝕位X轴坐标轴显示类型X轴I其他 信号类型时间轴加权相频线性幅值 对数幅值 曲幅值厂毎条曲线具有曲立的丫方向刻縻厂应用于同类型窗口取消 I 应用®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。亘EI右Gpiiff -J,! 匕妥科 £2m<&*£：.-r -z；：'>3' w 1 <5? 钊Mqp|pDHTiAS ICi Mdm LThimi wiRrW jR, ,nmv4 Lff-4 d4 > M|£ q Atlw j rqx pi'4 r 型w B r|"| X |13MCVYAdBilin.L>t EU.- D . M |3IJ±R1j*kernjiKi宁翔直対I-D u» 口 D 口 口 S noF?JXi*HpF厶:r ：a DMJrti K>h :fl145-QB肋CbflB 112BK9¥連理仙P此:込叶沖I IWIEMPB F°Hf AI4HK塁! fcs WJDwuavntv w4 3o>4tmq vdBLdaial rf r-D- - . =E3 丄XJ1 -1 1V如 N：>iI:、皿和号|ifl嗚爭* |迥a宁直鈕|图 13五、相关材料数据及理论公式该实验轴径d二9.5mm，跨度l二24cm，质量m = 800g 。1. 无盘有重轴的临界转速wcr轴2) =cr轴2 丫 Ap式中： J 截面的惯性矩，兀J二 d4，其中d为转轴的直径，m ；64E 弹性模量， 210Gpa ；P 转子材料密度:7800 kg / m3；A 转轴的截面积，4 ， m 2A “12 Ap24 x 24 x10-2 x10-2210x109 x x(9.5x10一3彳曲U= 21099.5 x10-3 丿x 78002.单盘无重轴的临界转速w48 x 210x109 x 晋x(9.5 x!03(24 x；0-2)800 xl0-3=603式中: c 装盘处的刚性系数，48EJc 二13,N m2 ;其中E、J、l同前式;m 盘的质量， kg盘3.单盘均质轴转子的临界转速wcrllW 2crl+w 2 w 2cr轴cr盘ncr30二 w兀 cr式中 : n 理论计算临界转速， rpm cr因此，wcrw wcr轴 cr w 2+w 2cr盘cr轴2109 x 603"6032+21092=579.77n = x 579.77=5539.2 rpm cr n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 速350040004500470049005000510053005500570059006000挠 度16(um)20.819.419.517.316.614.910.97.2248.213.7图 14 实测转速 -挠度曲线轴心轨迹如图 15，百声艮I® ME 立去-CWil二1也宣 ra.1 15HJ(E V-SW口也 I MHJiQ?3QJ1*£tR皿玩A*?g屮!4工口 w IjKsiaa! |priOT、盯町冃町宁対叫 I- XSlJU也3!厂mxi*H pXrfiiHt： iii任-Si茹厶:r ：a dmi/%3 JCjh. ：35B 工帖Im*5*IElAIB 师ITELM.-r as5£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/T 16779-1997 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为了试验安全，一定要设置“限定条件”（位移、负荷、变形）。9调节应变记录仪，先平衡（F1）,再清零（F2）,点击“采集”。10在“动态试验机试验软件”中点击“开始画线”，选择“拉”，开始试验。11试件断后，“位移”控制，状态选为“保持”，关闭采集。拆卸试件，关闭油 源，关闭计算机。七、实验结果疲劳试验件为 2.5 维机织并带有预制孔，经过对实验数据的处理，可以得到 相关图。由于此次实验是观摩实验，时间很短，对于疲劳实验，时间不够，故没 有得到完整的实验数据，因而无法做出图像，也无法做出相应的实验分析。査申的班若一*3. H3 Jlr 湘 g Hit13-3 45 Ifxf£9.® Hait- lA5i JIflUffi动.百 卿他議2）多点激励单点响应（5 号点）前 4 阶振型：翌It学臓置椚茅*瑪片#空劭鼻乐口固举