结构动力学实验指导书.pdf

1结构动力学实验指导书，报告书（土木建筑学院工程力学专业）学号姓名班级中南大学土木建筑学院工程力学教研室黄方林 编2003 年 5 月2实验一实验一动力学实验系统的认识动力学实验系统的认识一、实验目的1了解现代动力学测试的仪器设备，以对动力学测试有一个整体概念；2熟悉 DH5937 动态应变测试系统、DH5938 振动测试系统的功能和基本操作；3了解 CA-YD 加速度传感器的工作原理及应用；4了解 LC 冲击力锤的工作原理。二、实验设备DH5937 动态应变测试系统1 台DH5938 振动测试系统1 台CA-YD 压电式加速度传感器3 个LC-03冲击力锤1 把悬臂梁试验件1 件三、实验内容1DH 动态信号测试分析系统简介DH 动态信号测试分析系统是基于 PC 机的高性能、便携式测量仪器，传感器信号放大后通过打印机接口送入计算机。根据被测物理量的类型分为应变、电荷、温度、电压等 4 个模块，DH5937 动态应变测试系统和 DH5938 振动测试系统是其中的两个模块。测量通道从 2 到 128 可任意配置（通常 8通道），每通道独立信号调理和 A/D 转换(14 位)。DH5937 调理为应变放大器，适用于应变及各种桥式传感器，DH5938 调理为电荷放大器，适用于压电式加速度传感器和压力传感器。2动力学测试系统框图图 1动力学测试系统框图激励传感器信号调理传输信号采集打印数据处理计算机放大33DH5938 的基本操作(1)接通 DH5938 及计算机电源，开机；(2)双击 DH5938 软件图标，进入主界面；(3)系统参数设置：选择工作通道范围（开始通道 1-1,结束通道 2-8）；从“设置(S)”下拉菜单“信号选择”中确定具体的通道；选择采样频率；选择采样方式；(4)通道参数设置；测量内容（均选“压电传感器”）；工程单位（选 N 或 ms-2）；转换因子（点击“压电传感器”修改）；(5)点击“绘图新建窗口”(可重复)；(6)将所有窗口进行“水平平铺”或“垂直平铺”；(7)点击“控制(C)”下拉菜单中“清除零点”；(8)进行采样;(9)结束采样，数据文件存储。4.CA-YD 压电式加速度传感器的基本原理CA-YD 压电式加速度传感器采用压电陶瓷材料，利用压电效应原理，即压电晶体材料在承受一定方向的外力作用时，其极化表面会产生相应的电荷，且Q=dF式中 Q 为电荷量，d 为材料压电常数，F 为作用力。这种压电传感器具有频响宽、灵敏度高、精度高、横向灵敏度小和抗外界干扰能力强的优点，目前广泛应用于航空航天、机械、土木、交通等各领域。本实验用加速度传感器由底座、质量块、敏感元件和外壳组成。常用安装方法有：螺钉安装（M5螺钉）；粘接安装（如用 502胶、环氧树脂等）；云母片（隔热、绝缘）；磁铁座注意事项注意事项：1）压电式加速度传感器是精密换能仪器，使用时防止跌落；2）为保证其高阻抗性，使用时防止插座部位污染；3）不得自行拆开5LC 冲击力锤的工作原理图 2 力脉冲信号图3力脉冲频谱LC 冲击力锤也是利用石英晶体的压电效应制作的，它具有灵敏度高、非线fP(f)tp(t)4性误差小、固有频率高，测量时所需设备简单、操作方便，不需激振器和功率放大器等特点，广泛用于机械阻抗的测量、模态分析和桩基检测。力脉冲及其频谱见图 2、图 3。本实验试件材料为 A3 钢，采用铝锤帽敲击。锤击力大小的选择：锤击力的大小取决于冲击锤的质量和敲击速度，对小试件用力不能过大，否则会引起结构的非线性而致使测试系统过载；对于小试件不能用力过小，否则不足以激起各阶模态。注意事项注意事项：1）冲击力锤电缆联接后，不可任意拉动，以免接线端点断脱；2）严禁用手触摸电缆线的插头；3）切忌超过适用范围的冲击力、撞击力。思考题：1）电荷信号怎样送入计算机采样?2）加速度传感器对结构固有频率测试有影响吗？若有，如何修正？3）本实验采用尼龙锤帽合适吗？4）每次锤击时，力的大小不可能完全一致，那么，实验得到的结构模态参数可靠吗？为减少误差，可采取什么办法？5实验二实验二悬臂梁自由振动响应、锤击激励响应的测量悬臂梁自由振动响应、锤击激励响应的测量一、实验目的1.进一步学习和掌握现代测试仪器设备的使用；2.熟悉结构自由振动响应的测量；3.了解不同初始条件下自由振动响应特性；4.掌握结构锤击激励下响应的测量。二、实验设备DH5937 动态应变测试系统1 台DH5938 振动测试系统1 台CA-YD 压电式加速度传感器3 个LC-03冲击力锤1 把悬臂梁试验件1 件三、实验内容1悬臂梁试件理论固有频率、振型及自由振动响应本试验件如下图所示，材料为 A3 钢，且 L=800mm,b=75mm,t=4mm。图 4悬臂梁试件悬臂梁横向自由振动方程为0)(uAuEI 其特征方程为01cosLLch前三阶解分别是8548.7 ,6941.4 ,8751.1321LLL前三阶固有频率理论值AEILAEILAEILnnn23222169.61 ,03.22 ,516.3第i阶理论振型)sin(shcosch)(xxkxxCxuiiiiiii式中，Ci为任意常数。试件自由振动理论解为LLLLkiiiiisinshcosch)cos()(),(iniiitxuAtxu将悬臂梁试件前三阶理论固有频率、振型分别填入表 1 及图 5 中（同学们自Lu(x,t)b6行完成）。表 1悬臂梁试件前三阶理论固有频率（Hz）第一阶振型第二阶振型第三阶振型2加速度传感器测点的布置和锤击点的位置加速度传感器测点应避开前几阶振型的节点，锤击点也应避开前几阶振型的节点，锤击力大小及锤帽的选择见实验一。3自由振动响应测量(1)布置传感器；(2)传感器、力锤与 DH5938 及 DH5938 与计算机的联线；(3)接通 DH5938 及计算机电源，开机；(4)同“实验一”“3.DH5938 的基本操作”中(3)(9)；(5)在悬臂梁自由端分别加一 5mm,10mm,15mm,20mm的初始位移后，自由振动响应信号的采集与数据文件的存贮；(6)启动“C:DongHua DHSAS 频谱分析”；(7)从“设置(S)”下拉菜单中“信号选择”中确定频谱分析通道，对自由振动响应进行数据进行频谱分析；(8)启动“C:DongHua DHSTT 统计分析”；(9)对自由振动响应进行数据进行统计分析（由“设置(S)”下拉菜单中“图形属性”也可实现）；(10)完成下面的表 2 及绘出 10mm，15mm 初始位移响应曲线。表 2不同初始位移下自由振动响应特性比较一阶二阶三阶固有频率初始位移频谱（Hz）最大值均方值峰峰值一阶二阶三阶5mm10mm15mm20mm710mm 初始位移响应曲线15mm 初始位移响应曲线（8）绘出两次不同锤击力激励下的响应曲线锤击激励响应曲线锤击激励响应曲线（9）绘出两次不同锤击力曲线8实验三实验三悬臂梁的动特性测定（悬臂梁的动特性测定（1 1 11）一、实验目的1掌握结构频率响应函数的测量方法；2了解由频率响应函数识别结构模态参数的方法；3认识频率响应函数的重要性。二、实验设备DH5937 动态应变测试系统1 台DH5938 振动测试系统1 台CA-YD 压电式加速度传感器4 个LC-03冲击力锤1 把悬臂梁试验件1 件三、实验内容1实验步骤(1)布置传感器；(2)传感器、力锤与 DH5938 及 DH5938 与计算机的联线；(3)接通 DH5938 及计算机电源，开机；(4)双击 DH5938 软件图标；(5)同“实验一”“3.DH5938 的基本操作”中(3)(9)；(6)启动“C:DongHua DHTRF 传函分析”；(7)从“设置(S)”下拉菜单中“信号选择”中确定频率响应函数分析（即DH5938 中的传函分析）通道，进行频率响应函数分析；(8)由频率响应函数识别悬臂梁模态参数。2.结构频率响应函数的测量方法测量结构频率响应函数的方法很多，通常按照激励的方法不同可分为：稳态正弦测试；随机测试；瞬态测试。稳态正弦测试是在一定的激励力频率下，精确地测出激励力的大小及相位、各点（坐标或自由度）响应的大小及相位，从而求得某一频率下各点的频率响应函数。其特点是：激振力频率和幅值能精确控制，频率分辨力高，测试精度高。但费时，所需设备复杂。随机测试的随机信号由外部的模拟（或数字）发生器产生，通过功率放大器将放大了的信号输给激振器，由激振器激励试件，使其振动。目前常用的瞬态测试方法有：快速正弦扫描；脉冲锤击；阶跃松弛。脉冲锤击是用脉冲锤对试件进行敲击，使试件振动。这种脉冲激励是一种宽带激励，因为脉冲函数具有宽带频谱，能在很宽频率范围内激出各阶模态。图 59是脉冲锤击方法的框图。图 5脉冲锤击方法框图用脉冲锤敲击试件后，脉冲力信号及响应信号经 DH5938 振动测试系统的电荷放大器放大并转变成电压信号后，送入计算机采样，A/D 变换，谱分析，获取频率响应函数。在没有噪声干扰的理想情况下，输入信号与输出信号之间存在)(fP)(fU着关系)()()(fPfHfU为减少噪声干扰，常用下式来求其值)()()(fSfSfHppup式中为激励力信号与响应的互功率谱密度函数，为激励力信号的自)(fSup)(fSpp功率谱密度函数。脉冲锤是锤击法的基本设备，由力传感器、附加质量、锤头及手柄组成，锤头的材料及其尺寸（高度）对脉冲频带的宽度影响较大。材料硬度大、尺寸小则脉冲宽度窄，其频带宽度大。采用不同材料及尺寸的锤头，可获得不同的频带宽度。激振力的大小，可由附加质量和敲击加速度来调节。3绘出两次不同锤击力激励下的响应频谱曲线锤击激励响应频谱曲线锤击激励响应频谱曲线脉冲激励方法的优点是：激励频带宽；测试方便、迅速、设备少，成本低；激振元件对试件的附加约束最小。缺点是激励能量分散在很宽的频带内，故各频率下的能量小，信噪比低，对大型结构的应用受到限制。力传感器脉冲锤加速度传感器DH5938计算机打印10就锤击法而言，对于小阻尼系统，由于衰减慢，用矩形窗函数截断时会引起较大的泄漏，而汉宁（Hanning）窗又会破坏信号的起始部分，故以加指数窗为好。但应注意，指数窗增大了原信号的阻尼系数，在计算真实的阻尼系数时应予修正。4绘出两次不同锤击力频谱曲线锤击力频谱曲线锤击力频谱曲线5绘出悬臂梁频率响应函数的幅频特性曲线6由频率响应函数幅频特性曲线识别悬臂梁模态参数由频率响应函数识别结构模态参数的方法有：峰值幅值法（直接法）；导纳圆法；分量法（图解法）；附加质量法和附加刚度法；单模态迭代法；多模态迭代法；RFP 法等。后几种方法适合于硕士、博士研究生的实验教学。图 6幅频特性曲线本实验采用峰值幅值法。实测的频率响应函数幅频特性曲线幅值最大处的ba20A20A)(H111频率为加速度共振频率（因响应测量传感器为加速度传感器），且a，为系统固有频率。在小阻尼时可以直接用加速度共振频率221nan来近似代替系统固有频率。an模态阻尼比可从实测的加速度频率响应函数幅频特性曲线估计得到。在共振峰的半功率点（或3dB 点）做一水平线，交幅频特性曲线（见图 6）与 a、b 两点，它们对应的频率分别为、。阻尼比的估计值则为12n2127将悬臂梁固有频率理论值及识别得到的固有频率和模态阻尼比填于下表中第一阶第二阶第三阶固有频率（Hz）理论值实测值模态阻尼比12实验四实验四悬臂梁的动特性测定（悬臂梁的动特性测定（2 2 22）一、实验目的1掌握结构自由振动响应的测量；2了解由自由振动响应获取结构模态参数的方法；3掌握对数衰减率等方法识别悬臂梁模态参数。二、实验设备DH5937 动态应变测试系统1 台DH5938 振动测试系统1 台CA-YD 压电式加速度传感器3 个LC-03冲击力锤1 把悬臂梁试验件1 件三、实验内容1实验步骤(1)布置传感器；(2)传感器与 DH5938 及 DH5938 与计算机的联线；(3)接通 DH5938 及计算机电源，开机；(4)双击 DH5938 软件图标；(5)同“实验一”“3.DH5938 的基本操作”中(3)(9)；(6)采样响应信号并保存在计算机上；(7)响应信号数字滤波；(8)由滤波后的自由振动响应识别悬臂梁模态参数。2由自由振动响应识别结构模态参数的方法由自由振动响应识别结构模态参数的方法主要有：对数衰减率法；半幅值法；面积法；ITD；STD；ERA；随机减量法等。前三种方法适合于本科学生的实验教学，后几种适合于硕士、博士研究生的实验教学。（1）对数衰减率法考虑一单自由度线性系统022xxxnn 自由衰减振动响应)sin()(tAetxdtn式中阻尼比系数，无阻尼固有频率，有阻尼固有频率，n21nd由初始条件确定的常数，且,Acossin)0(,sin)0(dnAAxAx13对数衰减率法为211/2lnlnnnTAeAeAAdnTttnndinin1t2t3t4t5t6t)(txtAsinA01S2S3S4S5S6S图 7自由振动响应曲线由上式可求出阻尼比。（2）面积法如图 7 所示，设该响应曲线与时间 轴分别交于点，与 轴所t1221,Ntttt围的面积的绝对值分别为（以下的面积均指绝对值），则2N21S,SSdttteAedtttxdttxSdnnddTddttTTtt20 120 12 1)sin()()(111dttteeAedtTttxdttxSdndnndddTddtTtTdTtTt20 1220 12 2)sin()2()(111可求得阻尼比系数。式中，即个奇数面积211EkkSSE212/lnN之和与个偶数面积之和之比的自然对数，可自由确定。也可用NN212212122121nnTnTNNNNNNeeeSSSSSSSSSSSSdndn解得阻尼比系数2211En式中，即前个面积之和与后个面积之和之比的自然对数。NkkSSE/lnNN3.单模态自由振动响应的获取悬臂梁自由振动响应由各阶模态叠加组成，而对数衰减率法、半幅值法、面积法只适用于单自由度系统，因而需将单模态自由振动响应从悬臂梁自由振动响14应中分离出来。可行的办法是采用数字滤波技术，数字滤波程序由教师提供。4绘出悬臂梁滤波后的自由振动响应及其频谱曲线滤波后的自由振动响应频谱曲线5将悬臂梁固有频率理论值及由自由振动响应识别得到的固有频率和模态阻尼比填于下表中第一阶第二阶第三阶固有频率（Hz）理论值实测值模态阻尼比