[NI技术]库柏联盟学院的学生借助LabVIEW和NICompactDAQ学习机械振动.doc

NI技术库柏联盟学院的学生 借助LabVIEW 和NI CompactDAQ 学习机械振动LabVIEW软 件和NI CompactDAQ 为库柏联盟学院的学 生进行实验室和现场 振动测试提供了小 型、简便且价位适中 的系统- Melody Baglione, The Cooper Union for the Advancement of Science and ArtThe Challenge:寻找多功能且价格合 理的便携式仪器，以 便机械工程系的本科 生和高级机械振动课 程的学生在实验室和 真实环境中为各种项 目做动手测量The Solution:借助NI LabVIEW软件 和NI声音与振动测 量套件，并结合具有 加速度计信号调理功 能的NI USB动 态信号分析仪 (DSA)，学生可 以通过从典型悬臂梁 分析至地铁振动研究 等机械振动和模态分 析相关的真实项目学 习结构的动态特 性。学生研究质量阻尼器 对建筑结构模型受迫 响应的影响。Author (s):Melody Baglione - The Cooper Union for the Advancement of Science and Art地铁振动项目学生使用NI USB-9234 DSA并通过笔记本 电脑上安装的 LabVIEW控制 PCB三轴加速度 计，测量了纽约市地 铁6号线不同位置的 加速度，以观察地铁 振动对人体的影响。 峰值振幅发生在约 0.6 Hz和 21 Hz。学生通 过文献了解到，大约 2 Hz到 8 Hz之间的振动频率 会对人的身体和神经 系统造成直接和长期 的危害，因此 0.6 Hz的峰值 频率可能会对乘客造 成伤害。学生发现发 生在0.6 Hz和 21 Hz的平均稳 态级大约为 0.01 g，而文 献中引用的对人体有 害的值为0.2 g。因此，学生得出的结 论是：地铁振动不太 可能会对乘客产生不 利影响。基于其初步 发现，他们还测量了 地铁车厢中哪些位置 乘客不会或极少会感 觉到振动。该项目为 学生学习数字信号处 理提供了很好的平 台，并能够让学生了 解随机振动数据采集 的意义，同时他们也 有机会与NYC 地 铁交通管理局 (MTA)的工程师 交流来证实他们的研 究结果。图1：学生测量纽约市地铁 6号线不同位置的加 速度。两个20英寸的 Zildjian Ride镲冲击模态 分析项目学生对两个20英寸 镲进行冲击模态分析 以便更好地了解镲的 固有振动频率。他们 在分析中采用了两种 不同的支撑结构- 带松紧带的PVC结 构和传统的镲支架。 学生通过所采集的数 据得到四个频率响应 函数行，每一个函数 行对应一种镲和支架 组合。通过一个带有硬塑料 头的 PCB 086C03 冲击锤生成和跟踪输 入脉冲；通过 PCB A352C65压电 式加速度计测量输出 加速度信号。学生们 使用LabVIEW 软件进行数据采集和 分析，其中数据是通 过NI 9234 DSA模块和NI USB-9162高 速USB外壳进行采 集的。实验结果表 明， K Ride 和K Constantinople 镲的基频分别是 31 Hz和28 Hz。学生研究了每 个支撑结构之间的响 应差异，并分析每个 镲300Hz以内的 频谱成分。1/6图2：两个20英寸 ZILDJIAN Ride镲冲击模态 分析项目质量阻尼器对结构模 型受迫响应影响项目学生研究了质量阻尼 器对结构模型受迫响 应的影响。学生构建了一个三层 结构比例模型，并使 用Modal Shop电动振动器 和由NI CompactDAQ 机箱中模拟量输出模 块NI 9263所 产生的信号来激励模 型做简谐运动。他们通过连接至每一 层的加速度计及同一 机箱中的USB- 9234动态信号采 集模块来测量模型的 响应。在不使用阻尼 器的情况下从1 Hz到20 Hz激 励该模型，然后以 1Hz的间隔采集位 移数据。对实验数据 进行分析后，学生发 现调谐质量阻尼器可 能仅仅增加了一个非 均匀分布质量，从而 来改变一些固有频 率。图3：质量阻尼器对结构模 型受迫响应影响项目SAE方程式赛车碳 纤维车尾面板模态分 析项目学生对SAE方程式 赛车的碳纤维/ Kevlar纤维复 合材料车身面板进行 模态测试，以确定各 向异性材料在模态试 验中的反应。该试验 还增加了铝悬臂梁和 有机玻璃片分析。在 试验过程，学生观察 了各向异性复合材料 的性质以及与振动和 模态属性（尤其是相 互作用和非线性)相 关的安装方法。2/6图4：SAE方程式赛车碳 纤维车尾面板模态分 析项目悬臂梁模态振动器测 试项目学生对铝悬臂梁进行 模态测试，以确定模 态频率和模态振型。 Modal Shop模态振动器 用于激励结构。学生 使用了不同的激励信 号和并对结果进行了 比较，以确定最佳的 激励。所使用的激励 包括：周期随机、正 弦扫频、突发随机和 突发正弦扫频（突发 啁啾）。图5：悬臂梁模态振动器测 试项目铝制和木制棒球棒模 态分析项目3/6学生们分别对木制 和铝制球棒进行模态 分析，以确定它们之 间的性能差异。他们 将两根相同长度的棒 球棒置于可自由安装 的支架上，并对棒球 棒上的三个点进行模 态分析。他们使用一个加 速度计和一个带 有硬塑料头附加装置 的冲击锤并结合 LabVIEW来获 得棒球棒的频率响应 函数(FRF)矩 阵。学生一边采集数 据，一边开发关键的 实验技术，以获得清 晰明了的结果。结果 表明了棒球棒的线性 特性，而FRF矩阵 的虚数部分则显示了 模态的形状。他们还 使用了模态分析软件 包对数据进行后处 理，实现了一阶和二 阶弯曲模态的可视 化。图6. 铝制棒球棒 的冲击测试图7：木制棒球棒 FRF具有相干叠加总而言之， LabVIEW软件 和NI CompactDAQ 为库柏联盟学院的学 生进行实验室和现场 振动测试提供了小 型、简便且价位适中 的系统。Author Information:Melody BaglioneThe Cooper Union for the Advancement of Science and Art 41 C