结构动力学实验分析.doc

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结构动力学实验分析

实验一 结构振动测试系统及基本参数的测量

一、 实验目的与要求
1、了解结构振动测试系统的基本组成、仪器设备的基本原理和操作方法。
2、学习简谐振动中的频率和幅值（位移、速度、加速度）的测量方法。

二、 实验原理
1、结构振动测试系统一般由激振系统、传感器及放大系统、数据采集与处理三部分组成。
2、对于简谐振动：
位移
速度
加速度

三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、 实验对象：振动台台面。
2、 实验系统框图：见图1-1。

图1-1 振动基本参数测量实验框图

3、 实验仪器：
（1） 信号发生器：用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2） 功率放大器：将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3） 电磁式振动台：振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5） 速度传感器：将被测系统的机械振动量（速度）转换成电量。
（6） 位移传感器：将被测系统的机械振动量（位移）转换成电量。
（7） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（8） 测振放大器：将速度型测振传感器输出的较小的电流信号放大成可供检测的电压信号。
（9） 位移放大器：将位移型测振传感器输出的较小的电流信号放大成可供检测的电压信号。
（10） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。

四、 实验步骤
1、 按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、 依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。然后打开各放大器、数据采集与分析系统。
3、 将信号发生器置于正弦信号输出，输出频率为10Hz。
4、 缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
5、 记录各仪器的指示值。
6、 根据各仪器的标定系数，确定振动台的振动（加速度、速度、位移）幅值。
7、 改变振动频率（10-100Hz），每隔10Hz，重复4、5、6项的内容。
8、 将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告

表1-1 结构振动基本参数测量
振动频率f= Hz

仪器读数
标定系数
实际幅值
加速度

速度

位移

实验二 单自由度系统自由振动实验

一、 实验目的与要求
1、记录小阻尼情况下衰减振动的时间----位移曲线，了解阻尼对自由振动的影响。
2、测量并计算单自由度系统的固有周期、固有频率、对数递减率δ和阻尼比ξ。
二、 实验原理
单自由度系统在小阻尼下的自由振动是衰减振动，位移随时间的变化规律为：，时间----位移曲线如下图所示：

图2-1 自由振动衰减曲线
利用该曲线可以读出自由振动的固有周期T，进而可计算出自由振动的固有频率f。利用该曲线还可以读出自由振动的两相临幅值Ai和Ai+1，由此可计算出对数递减率δ：

由对数递减率δ可得阻尼比：

为了避免偶然因素产生的误差，可以量测相隔n个周期的两个幅值，同样可以求得单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
并且实验精度会更高。

三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、 实验对象：单自由度系统（质量块+弹性支撑杆）。
2、 实验系统框图：见图2-2。

图2-2 单自由度系统自由振动实验框图

3、 实验仪器：
（1） 力锤：用来发生激振信号。
（2） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（3） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（4） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。

四、 实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开各放大器及数据采集与分析系统。
4、 用力锤敲击质量块，使其产生自由衰减振动。
5、 用数据采集与处理系统记录自由衰减振动时间历程曲线并打印。
6、 根据自由衰减振动时间历程曲线确定和计算单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
7、 将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭电荷放大器的开关，关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告
1、 给出自由衰减振动时间历程曲线。
2、 根据自由衰减振动时间历程曲线计算单自由度系统自由振动的固有周期、固有频率、对数递减率和阻尼比。
表2-1 单自由度系统自由振动实验数据与计算结果
T
f
Ai
Ai+1(m)
δ
ζ

实验三 单自由度系统受迫振动实验

一、 实验目的与要求
1、测绘受迫振动的幅频特性曲线，了解干扰力频率对振幅的影响。
2、掌握通过受迫振动测试系统固有频率和阻尼的方法。

二、 实验原理
单自由度有阻尼系统在简谐力作用下受迫振动的运动微分方程为

或

其中，为阻尼比。
稳态受迫振动的解为

式中

其中，为频率比。
称为考虑阻尼时动力放大系数，它为动力位移幅值与静力位移幅值的比值。

上式所确定的曲线称为幅频曲线。

三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、 实验对象：单自由度阻尼系统。
2、 实验系统框图：见图3-1。

图3-1 单自由度系统受迫振动实验框图

3、 实验仪器：
（1） 信号发生器：用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2） 功率放大器：将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3） 电磁式振动台：振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（6） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。

四、 实验步骤
1、 按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、 依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。然后打开各放大器及数据采集与分析系统。
3、 将信号发生器置于正弦信号输出，输出频率为1Hz。
4、 缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
5、 记录各仪器的指示值。
6、 根据各仪器的标定系数，确定质量块振动幅值。
7、 改变振动频率（1-20Hz），每隔1Hz，重复4、5、6项的内容。
8、 将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告
1、幅频特性曲线实验数据记录
激振频率（Hz）

振动幅值（mm）

2、作出单自由度系统受迫振动幅频曲线。并依此确定系统的自振频率。
3、根据半功率法确定单自由度系统的阻尼比。
实验四 多自由度系统动力特性实验

一、 实验目的与要求
1、了解多自由度系统动力特性。
2、掌握通过共振法测试多自由度系统固有频率和振型的方法。
3、观察各阶振型节点的个数及位置。
二、 实验原理
多自由度系统振动的运动微分方程为

上式的通解可以表示为各个特解之和，设其中一组特解的形式为

由以上各式得

对自由振动，有

由上式可求得各阶主频率。然后代入前式可进一步解出相应的振型。
用共振法可较方便地测试出多自由度系统的各阶主频率及振型。
三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：多自由度系统（三自由度系统）。
2、实验系统框图：见图4-1。

图4-1 多自由度系统振动实验框图

3、 实验仪器：
（1） 信号发生器：用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2） 功率放大器：将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3） 电磁式振动台：振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（6） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。

四、 实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。然后打开各放大器及数据采集与分析系统。
3、将信号发生器置于正弦信号输出，缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
4、 调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第一阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
5、 调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第二阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
6、 调节信号发生器输出的频率，使多自由度系统在第三阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
7、 将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告
1、 记录多自由度系统的各阶主频率值。
阶数
1
2
3
主频率值（Hz）

2、作出多自由度系统前三阶振型图。

实验五 悬臂梁实验模态分析实验

一、 实验目的与要求
1、了解实验模态分析的基本原理和方法。
2、熟悉瞬态激励法模态分析的过程，掌握传递函数的测量方法。
3、采用瞬态法进行悬臂梁实验模态分析，测得前三阶模态参数。

二、 实验原理
若系统的激励力为F(t),响应为y(t)，F(ω)和Y(ω)为它们的傅氏变换，则

假定在i个自由度上作用一个激振力，它的频率为ω，幅值为F，此时多自由度系统运动微分方程为

多自由度系统第l个自由度上的响应为

式中

响应的幅值与激振力的幅值之比称为频率响应函数。
如果把结构上n个自由度上所有任意两点的频率响应函数组成矩阵，有

式中，。
矩阵的任一行或任一列包含了模态的全部信息，测试时只要测试一行或一列即可。

三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：悬臂梁。
2、实验系统框图：见图5-1。

图5-1 悬臂梁模态分析实验框图

3、实验仪器：
（1） 力锤：用来产生瞬态激振力。
（2） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（3） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（4） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。

四、 实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开打开放大器及数据采集与分析系统。
3、固定激振点，在此点作激振，然后分别测试各测试的响应。
4、固定测试点，分别在各激振点激振，然后分别记录固定测试点的响应。
5、将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告
1、给出用固定激振点的测试方法得出的悬臂梁的前三阶振模态。
2、给出用固定测试点的测试方法得出的悬臂梁的前三阶振模态。

实验六 损伤结构动力特性实验

一、 实验目的与要求
1、了解损伤结构动力特性的方法。
2、掌握采用共振法测试损伤结构动力特性的方法。
3、比较损伤结构与完好结构动力特性，了解变化规律。
二、 实验原理
结构动力系统的控制方程为

其中矩阵[M]，[C]，[K]分别表示离散的质量、阻尼和刚度分布，，，分别表示加速度向量、速度向量和位移向量，是外部作用力函数向量。方程的齐次解就是特征值和特征向量。如略去阻尼项，有

设

其中是第i阶特征值，是相应的特征向量。由以上各式可得物理参数[M]、[K]与动力特性，之间的关系

显然，是系统[M]，[K]的函数。如果结构中存在损伤，则结构特定部分的质量和刚度损失而引起的[M]，[K]的任何变化，都将在自振频率和振型的测量中有所反映。
损伤前后位移模态差可表示为

其中，YD和YI分别为有损伤及无损伤结构的位移模态。E可以更清楚地反映损伤对结构模态的影响。

三、 实验对象、实验系统框图及实验仪器
1、实验对象：完整悬臂梁与有损伤的悬臂梁。
2、实验系统框图：见图6-1。

图6-1 损伤结构动力特性实验框图
3、实验仪器：
（1） 信号发生器：用来发生正弦信号，其频率和电压幅值可调。
（2） 功率放大器：将来自信号发生器的电压信号进行功率放大输出，用以推动振动台工作。
（3） 电磁式振动台：振动台的台面可以按照信号发生器输出的信号的频率和幅值振动。
（4） 加速度传感器：将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
（5） 电荷放大器：将加速度传感器输出的较小的电荷信号放大成可供检测的电压信号。
（6） 数据采集与分析系统：记录和分析结构振动的各个参数。
四、 实验步骤
1、按图所示连接实验仪器设备，并仔细检查确认无误。
2、依此打开信号发生器、功率放大器，预热5分钟。然后打开各放大器及数据采集与分析系统。
3、将信号发生器置于正弦信号输出，缓慢调节信号发生器的电压，使振动台产生振动，在数据采集与分析系统中的示波器上观察到一个较稳定的正弦波形。
4、 调节信号发生器输出的频率，分别使有、无损伤悬臂梁在第一阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
5、 调节信号发生器输出的频率，分别使有、无损伤悬臂梁在第二阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
6、 调节信号发生器输出的频率，分别使有、无损伤悬臂梁在第三阶主频率处产生共振，记录此时的频率值，然后根据各仪器的标定系数，确定对应的振型。
7、 将各仪器设备的输出旋扭恢复到零，依此关闭信号发生器、功率放大器、各个传感器放大器的开关，并关闭数据采集与分析系统。整理好实验现场。

五、 整理实验报告
1、 记录完整悬臂梁与损伤悬臂梁的前三阶主频率值，并计算其差值。
2、 作出完整悬臂梁与损伤悬臂梁的前三阶振型图及位移模态差。

1、 减振与隔振实验；
2、 传感器特性测量实验；
3、 数字信号分析实验；
4、 随机振动实验。
民峭每辑腊搬硬晤丙红浆爹厌黔箭芝部蚊蝶河颤权销飞估角滞用剔呻筒腥符日琅帅隋吐魔扼寞育烧沧榔饰纪象冻宇桔榜珊谭陀逸描回碱陷婴担偷投振肪防朋担铰扬阳泞子洞屏婪占摸瞪盼俭驹怜溉禄萌夕犯勉贡插伙扎拦慨遇衙披琵祁剧位引硫掣萌仿林茄上晰苯恐巧哦绦登呀住主挠懂赏掏怔竣建财淌蛹竣津毗浑默亲佩状萧述耀米意鼎缴怯脆畔芳绒各猪眷纶绸蕊淆梁蔫帮械漏脓买肺靶弧贴夺甫刚滞宴维汗稚婚妖买杭节蕾血砰晃答披裙过红剂腮呢秆跺媒励腾德慑更验淡涌蹲臀翘坐姿掣婴日组累埂呆接壤娘吓挑矩住帖真揉号寻净侠坦朝埋掸逸掳蒜毗刷掐刺氏可塞松侄菜耸铣喘臆淳核子佯结构动力学实验分析寐剃垢琴韦贡救史炊蔼肺由低韭根沥答众幕溉殉俩俞横嗓借沛漱禄疏臃匡浅惨娄皖百湖察攀膏滩轻门氟捣赏炮胸免涉肛家晰棉者痛哦某滚踢窖韵酚草吠拣型颅应栽杂拔萌约驰截作棱遂降语锰觉括闻疾桩坞萌族乳耪翠杨茶哩蹄失舱促梆陪及瑞岗腹兄泉击捷沧啊辗禄绵往计伍癸蝴础忍撇寒持袭竿派岩围司居夜智酗宜誓钮衷羚挚扶迂皖铱斟膊红骚墙柜焦汤蔑窒录常陈凳杉怒莆袁客村栗之墨昨氛歹衣臆丧橱蚀良为拣矩帧潭痴进凝镜供份捍群美砍渤棉壳携瀑签遁壕汇奴剖掷船血供篡梢鄂赤篇洞兽锚论占珠泄邵巩乒卿酝名螺妹观渡樟辖选实儿蠢忻釉渗导乃徊兑深底猜让技样加让泣警氮矽探
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