強度振動實驗報告(包含梁模態(tài)實驗和轉(zhuǎn)子動力學(xué)實驗)

精品文本精品文本精品文本結(jié)構(gòu)強度與振動實驗技術(shù)報告學(xué)院：能源與動力學(xué)院姓名：學(xué)號：SX1導(dǎo)師：指導(dǎo)教師：沈承同組人員：2015年6月

實驗一單自由度系統(tǒng)的動力吸振實驗一、實驗?zāi)康耐ㄟ^對單自由度系統(tǒng)施加動力吸振器，減小其振動量，觀察實驗現(xiàn)象，靈活掌握動力減振實驗方法。二、實驗內(nèi)容基于二自由度反共振原理設(shè)計動力吸振的基本理論，測試單自由度系統(tǒng)的固有頻率，了解動力吸振器的設(shè)計過程，采用動力吸振器后單自由度系統(tǒng)的減振效果。三、實驗原理所謂吸振就是將原系統(tǒng)的振動能量轉(zhuǎn)移到附加系統(tǒng)，從而使原系統(tǒng)的振動減小。動力吸振器利用聯(lián)結(jié)在振動系統(tǒng)上的附加質(zhì)量的動力來實現(xiàn)吸振，即將原振動系統(tǒng)的振動能量轉(zhuǎn)移到附加的彈簧質(zhì)量振動系統(tǒng)上了。單式動力吸振器是一個單自由度振動系統(tǒng)，與單自由度振動主系統(tǒng)一起構(gòu)成二自由度系統(tǒng)，力學(xué)模型如右圖所示。主系統(tǒng)質(zhì)量，剛度，位移。吸振器質(zhì)量，剛度，位移。激擾力為。系統(tǒng)的運動微分方程如下（無阻尼）：設(shè)其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為代入得到：令——主系統(tǒng)的固有角頻率；——動力吸振器的固有角頻率；——主系統(tǒng)的靜位移；——質(zhì)量比值；上式可以改變?yōu)闊o量綱形式：當單式動力吸振器的固有角頻率等于外力的角頻率時，外力正好等于動力吸振器的彈性恢復(fù)力，此時設(shè)備不振動，從而達到了減震的目的。因此，可以調(diào)節(jié)動力吸振器的質(zhì)量或剛度，使其起到減震的目的。設(shè)備安裝了動力吸振器后，整個系統(tǒng)變成了兩個自由度。共振峰對應(yīng)的整個系統(tǒng)的固有頻率，，當時，整個系統(tǒng)的固有頻率為：動力吸振器主要用在外力角頻率不變的場合，或者當外力角頻率改變時，能控制動力吸振器的固有角頻率隨外力角頻率成正比變化的場合。四、實驗儀器本次實驗主要采用江蘇聯(lián)能力學(xué)教學(xué)裝置、力錘、位移傳感器、YE6251數(shù)據(jù)采集儀、計算機、激振器等。五、實驗步驟1、將系統(tǒng)安裝成單自由度無阻尼系統(tǒng)，利用錘擊法，得到系統(tǒng)的大致固有頻率。2、將激振器對準單自由度系統(tǒng)，將信號源設(shè)置為輸出正弦信號。3、在固有頻率附近調(diào)節(jié)信號源的頻率，觀察輸出幅值為最大時的頻率為單自由度系統(tǒng)的共振頻率,同時記下加速度的幅度。4、將吸振塊安裝于第二個質(zhì)量塊上，用電渦流傳感器對準此質(zhì)量塊，打開一個FFT視圖，并調(diào)節(jié)附加質(zhì)量塊桿的長度使其與上面的單自由度系統(tǒng)的固有頻率一致。5、將吸振塊安裝于第一個質(zhì)量塊上，打開信號源讓其對第一質(zhì)量塊激振，這時記錄下加速度的幅度。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與整理（1）試件原固有頻率由圖1可知：42.6HZ圖SEQ圖\*ARABIC1(2)吸振器固有頻率由圖2可知：39.7HZ圖SEQ圖\*ARABIC2（3）無吸振器的試件原始響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)固有頻率時的響應(yīng)幅值圖SEQ圖\*ARABIC3（4）加上吸振器后的響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)固有頻率時的響應(yīng)幅值明顯降低。圖SEQ圖\*ARABIC4七、實驗分析單自由度系統(tǒng)在固有頻率下發(fā)生共振，產(chǎn)生較大的響應(yīng)幅值。接入吸振器后，系統(tǒng)成為二自由度振動系統(tǒng)，在原固有頻率正弦激勵信號下，可以發(fā)現(xiàn)原系統(tǒng)的振動幅值幾乎為零，達到吸振目的。理論上，當吸振器的固有頻率和單自由度系統(tǒng)的固有頻率相等時，原系統(tǒng)振幅為零。

實驗二梁模態(tài)實驗一、實驗?zāi)康姆謩e利用多點激勵單點響應(yīng)方法、單點激勵多點響應(yīng)方法得到梁的模態(tài)參數(shù)，觀測實驗現(xiàn)象，理解兩種方法的理論依據(jù)，理解模態(tài)模型驗證的必要性。二、實驗內(nèi)容選取一端簡支一端固支結(jié)構(gòu)的梁，利用兩種模態(tài)測試方法對梁進行模態(tài)實驗，對比兩種方法的測試結(jié)果，利用模態(tài)理論分析實驗結(jié)果的差異。三、實驗原理當系統(tǒng)的所有阻尼均為比例阻尼或小阻尼時，阻尼矩陣為對稱實數(shù)矩陣，可經(jīng)模態(tài)坐標變換后解耦變成對角陣，系統(tǒng)頻響函數(shù)可按實模態(tài)展開。若在點激勵，在點測量，則對于粘性阻尼頻響函數(shù)可表示為：其中，為第階模態(tài)剛度，為第階主振型向量中第個元素，而為第階主振型向量中第個元素。當激勵頻率在系統(tǒng)某階固有頻率附近時，該階模態(tài)導(dǎo)納便起主導(dǎo)作用，其余各階模態(tài)導(dǎo)納的影響可忽略不計，即亦即：從而有：由響應(yīng)的幅頻曲線的峰值位置，便可近似確定階固有頻率。由兩側(cè)半功率帶寬，可以確定階模態(tài)阻尼比。本次實驗采用一端簡支一端固支梁，當采取多點激勵單點響應(yīng)方式時，將梁等分18份，測量中間的17個測點，進而獲得前四階模態(tài)參數(shù)。取第5點作為響應(yīng)點，依次敲擊1至17號測點，可以得到：……顯然可得，1階振型為：按照上述原理，可以依次測得2至4階振型向量。由于缺少響應(yīng)的相頻特性，故不能直接確定各分量的正負號，我們參照軟件自動繪制的振型圖，將各自分量的正負號確定出來。對于簡支梁的一點激勵多點響應(yīng)法，與上述原理相同，只是我們使用該方法，測得的是頻響函數(shù)矩陣的某一列，同樣可以得到近似的各階模態(tài)向量。四、實驗儀器本次實驗主要采用力錘、加速度傳感器、YE6251數(shù)據(jù)采集儀、計算機等。五、實驗步驟1、"在教學(xué)裝置選擇"中，選擇結(jié)構(gòu)類型為"一端簡支一端固支梁"，選擇等份數(shù)為18，測量17個測點。2、采用多點激勵單點響應(yīng)方式時，將拾振點放在第5點。采用單點激勵多點響應(yīng)方式時，對第5點進行錘擊激勵。3、將力通道的低通濾波器設(shè)置為1KHz,將拾振的加速度通道的低通濾波器設(shè)置為2KHz。4、用力錘對第1點激振，對應(yīng)的激勵為f1,響應(yīng)為1，平均3次，對應(yīng)的數(shù)據(jù)為第1批數(shù)據(jù)，以此類推，測量完全部測點。5、選擇"教學(xué)裝置模態(tài)分析和振型動畫顯示"，調(diào)入測量數(shù)據(jù)進行分析。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與整理（1）多點激勵單點響應(yīng)（此處選擇5號點響應(yīng)）頻響函數(shù)和相位圖，可以分析出前4階頻率：圖SEQ圖\*ARABIC5（2）多點激勵單點響應(yīng)（5號點）前4階振型：圖SEQ圖\*ARABIC6（3）單點激勵多點響應(yīng)（激勵5號點）頻響函數(shù)和相位圖，可以分析前4階頻率：圖SEQ圖\*ARABIC7（4）單點激勵多點響應(yīng)（激勵5號點）前4階振型：圖SEQ圖\*ARABIC8（5）兩種方法結(jié)果對比本次實驗中，試件梁的結(jié)構(gòu)尺寸：長,寬,厚度。材料參數(shù)：45＃鋼，彈性模量,密度橫截面積：截面慣性矩：。據(jù)此可求出一端固支一端簡支梁的理論固有頻率。下表為利用多點激勵單點響應(yīng)和單點激勵多點響應(yīng)兩種方式測得的實驗值和理論值的比較。表SEQ表\*ARABIC1兩種方式實驗值與理論值的比較固有頻率(Hz)一階二階三階四階理論值87.3283.2590.73998.57實驗值多激單響63.48205.48439.45729.98單激多響63.48207.52441.89715.33誤差多激單響27.3%27.44%25.6%26.89%單激多響27.3%26.7%25.2%28.36%七、實驗分析由上表可以看出，利用多點激勵單點響應(yīng)方法以及單點激勵多點響應(yīng)方法得到的梁模態(tài)參數(shù)差別不大，除了第四階相差稍多之外，其余階差別可以忽略。這說明，用兩種方法測模態(tài)在本質(zhì)上是一致的，都可以得到準確的試驗?zāi)B(tài)。從實驗測得的頻率與理論頻率對比，可以發(fā)現(xiàn)各階實驗值均比理論值小，原因可能是未考慮轉(zhuǎn)動慣量與剪切變形對頻率的影響。由于共振法略去了相鄰模態(tài)的影響，因此得到的模態(tài)不純，其精度較差，特別在識別模態(tài)阻尼比和振型時，可能引起很大的誤差。

實驗三轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速測量實驗一、實驗?zāi)康?、觀察轉(zhuǎn)子在亞臨界、臨界及超臨界的工作狀況2、計算轉(zhuǎn)子的理論臨界轉(zhuǎn)速，并與實測值作比較3、分析研究在實驗中產(chǎn)生的各種物理現(xiàn)象，了解影響轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的各種因素。4、熟悉實驗設(shè)備及其操作方法；熟悉軟件應(yīng)用。二、實驗內(nèi)容通過對電動機轉(zhuǎn)速的無級變速，得到轉(zhuǎn)子的實際臨界轉(zhuǎn)速，并與理論計算值進行比較。三、實驗原理圖SEQ圖\*ARABIC9圖9為臨界轉(zhuǎn)速實驗裝置示意圖，其結(jié)構(gòu)為單盤轉(zhuǎn)子以簡支形式支承在滑動軸承上。實驗圓盤安裝在軸的跨度中間。整個轉(zhuǎn)子由變速電動機帶動旋轉(zhuǎn)，電動機的轉(zhuǎn)速通過調(diào)壓變壓器控制，可無級變速。轉(zhuǎn)速測量：本實驗系統(tǒng)采用的是光電轉(zhuǎn)速傳感器，在轉(zhuǎn)軸上貼有反光條，轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動一周光電轉(zhuǎn)速傳感器感應(yīng)一個脈沖。此脈沖就是鍵相位，反光條所在的位置就是振動相位零角度對應(yīng)的實際位置。同時，轉(zhuǎn)速脈沖信號輸入測量系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速輸入通道用于轉(zhuǎn)速測量。轉(zhuǎn)速的測量可以通過計數(shù)器測量單位時間內(nèi)鍵相位脈沖的個數(shù)得到（計數(shù)法），可以測量2個鍵相位脈沖之間的時間T得到（測周期法）。振動傳感器：旋轉(zhuǎn)機械的振動測量有多種傳感器，其中電渦流傳感器為非接觸式，用于直接測量旋轉(zhuǎn)軸的振動位移。振動測量模塊可以給電渦流振動位移傳感器提供工作電源、對反饋的振動信號進行測量、分析。等角度數(shù)據(jù)采集：不同于一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的是旋轉(zhuǎn)機械的振動數(shù)據(jù)采集必須保證等角度，即：在轉(zhuǎn)子的每個轉(zhuǎn)動周期T內(nèi)采集Kph個數(shù)據(jù)，稱之為等角度采樣或稱整周期采樣。軸心軌跡：旋轉(zhuǎn)機械振動實驗的一個突出特點。在旋轉(zhuǎn)軸的水平、垂直兩個方向分別安裝兩只互相垂直的位移傳感器，兩路信號分別輸入示波器的X、Y軸，可以合成顯示轉(zhuǎn)軸軸心的運轉(zhuǎn)軌跡。實驗中采用軟件中的重采樣時間波形，即可看到轉(zhuǎn)子軸心軌跡。四、實驗步驟1．測量參數(shù)設(shè)置分析模式：瞬態(tài)階次上限：64X階次分辨率：0.125X轉(zhuǎn)速控制：通過轉(zhuǎn)速控制數(shù)據(jù)采集的進行起始轉(zhuǎn)速：1000rpm結(jié)束轉(zhuǎn)速：6000rpm（應(yīng)大于臨界轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)速間隔：50rpm顯示階次：1X(顯示工頻振動)2.測量通道參數(shù)設(shè)置測量通道各參數(shù)見下圖圖SEQ圖\*ARABIC103.信號選擇對照圖11的信號選擇對話框，選擇需要顯示的信號類型圖SEQ圖\*ARABIC114.調(diào)出Bode圖的相頻曲線（1）首先建立顯示Bode圖的幅頻曲線窗口；（2）在Bode圖窗口中點擊鼠標右鍵，選擇“圖形屬性”彈出右邊的對話框；（3）進入“坐標”，在右下“Y軸”選項下拉菜單中選擇“相頻”，如圖12圖SEQ圖\*ARABIC12（4）顯示轉(zhuǎn)速由主菜單“顯示”中選擇“轉(zhuǎn)速顯示”，調(diào)出轉(zhuǎn)速顯示框，顯示框大小、位置可調(diào)整。（5）測試由主菜單“控制”中選擇“啟動采樣”，進入數(shù)據(jù)采集。圖13所示的測試界面分別顯示了重采樣波形、階次譜、Bode相頻曲線、Bode幅頻曲線。圖SEQ圖\*ARABIC13五、相關(guān)材料數(shù)據(jù)及理論公式該實驗軸徑,跨度，質(zhì)量。1.無盤有重軸的臨界轉(zhuǎn)速式中：—截面的慣性矩，，其中為轉(zhuǎn)軸的直徑，；—彈性模量，210；—轉(zhuǎn)子材料密度：7800；—轉(zhuǎn)軸的截面積，,因此2.單盤無重軸的臨界轉(zhuǎn)速式中：—裝盤處的剛性系數(shù)，，；其中、、同前式；—盤的質(zhì)量，3.單盤均質(zhì)軸轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速式中:—理論計算臨界轉(zhuǎn)速，因此，即理論臨界轉(zhuǎn)速為5539.2rpm，由圖13可知，實測臨界轉(zhuǎn)速為4096rpm，實測值比理論值小。六、實驗數(shù)據(jù)記錄與整理表SEQ表\*ARABIC2實驗記錄數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速350040004500470049005000510053005500570059006000撓度16（um）20.819.419.517.316.614.910.97.2248.213.7圖SEQ圖\*ARABIC14實測轉(zhuǎn)速-撓度曲線軸心軌跡如圖15，圖SEQ圖\*ARABIC15軸心軌跡七、實驗中的異?，F(xiàn)象及誤差分析1、在轉(zhuǎn)速達到5700rpm時，撓度突然增大,初步分析為實驗設(shè)備的問題；2、理論臨界轉(zhuǎn)速比實測轉(zhuǎn)速大，是因為系統(tǒng)的阻尼較大，阻尼系數(shù)越大，則兩者相差越大；八、改進意見1、在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)實驗設(shè)備在多年的操作中，出現(xiàn)了損壞，導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)不準確，軟件系統(tǒng)存在一部分bug,因此建議更新設(shè)備及系統(tǒng)；2、通過數(shù)學(xué)力學(xué)分析，建立模型對理論值與實測值之間的差異進行修正，以便兩者更好的吻合。

實驗四材料疲勞實驗一、實驗?zāi)康耐ㄟ^材料試驗機對某一材料進行疲勞動強度測試，觀察實驗現(xiàn)象，掌握動強度實驗中試件設(shè)計和試驗設(shè)計的過程。二、實驗內(nèi)容對某一材料（金屬或復(fù)合材料）進行疲勞實驗的試件設(shè)計，說明試件設(shè)計的力學(xué)原理，對不同的試驗設(shè)計方法（如力、位移、應(yīng)變控制下的加載方式）進行分析，對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行分析。三、試件設(shè)計將2.5維機織復(fù)合材料板切割成試驗件所需的形狀和尺寸，靜載拉伸和拉-拉疲勞試件的幾何形狀和尺寸如圖16所示。加強片采用2mm厚的鋁片，使用AB膠將其與試件粘結(jié)。試件制作完成后，對每根試件按GB-1446進行外觀目視檢查，然后按國標GB/T16779-1997進行試件厚度和寬度初始尺寸的測定。圖SEQ圖\*ARABIC16四、實驗觀摩本次觀摩的實驗為疲勞裂紋預(yù)制實驗，掌握復(fù)合材料的裂紋擴展抗力，即斷裂韌度。只要滿足小范圍屈服和平面應(yīng)變條件，斷裂韌度就不再與試樣或結(jié)構(gòu)的幾何尺寸形狀有關(guān)，而僅為材料的常數(shù)。它表征材料所固有的平面應(yīng)變裂紋擴展抗力。由于它代表了實際結(jié)構(gòu)中最常見和最危險的裂紋頂端約束情況，所以平面應(yīng)變斷裂韌度在安全設(shè)計中有重要地位。五、實驗儀器及試樣圖SDS50型電液伺服動靜萬能實驗機圖SEQ圖\*ARABIC17實驗儀器及試樣六、實驗步驟打開計算機，運行“動態(tài)試驗機試驗軟件”。進入讀取條