（机械工程专业论文）高精度固体内耗仪的机械系统研究与实现.pdf

江苏大学工程项士学位论文 摘要 本文针对目前忽略对固体内耗仪机械系统的研究以及把固体内耗仪测控系 统的测量精度作为整个内耗仪内耗测量精度的观点，从理论和工程实践上，论述 了固体内耗仪机械系统中倒扭摆垂直精度对内耗测量的影响，揭示了固体内耗仪 诸多系统中机械系统是内耗测量中的根本和核心所在，其精度才是决定整个内耗 仪内耗测量精度的关键 本文主要探讨了以下几方面的内容： ( 1 ) 根据内耗的基本理论。提出了当前固体内耗仪利用低频扭摆测定内耗 常用的两种基本方法： a 、在内耗较小时，使用自由振动衰减方法，根据对数减缩量求出内耗： b 、在内耗较大时，使用强迫振动方法，直接测量应变落后于应力的相角， 从面求德内耗。 ( 2 ) 通过对固体内耗仪结构及性能的综合分析，指出了固体内耗仪的测量 精度主要取决于机械系统的精度。 ( 3 ) 在建立数学模型的基础上，通过非垂直摆的振动分析，探讨了非垂直 摆精度与内耗测量结果之间的相互影响规律，最后指出提高非垂直摆精度的几种 可行性措施及途径。 ( 4 ) 通过光、机、电系统的动态性能分析，提出要研究整个内耗测量系统 就必须重点研究其核心系统：倒扭摆机械系统，并且指出该二阶系统装置完全能 够满足内耗测量要求，且能够达到令人满意的测量效果。 当前还没有开发出操作简单、精度可靠的检铡设备去检测非垂直摆的垂直精 度，因此，非垂直摆的垂直精度对内耗测量结果的定量分析有待于进一步的研究。 关键词：固体内耗仪，机械系统，测量精度，非垂直摆 江苏大学工程硕士擘住论文 a b s t r a c t i na l l u s i o nt ot h eo v e r l o o ko fr e s e a r c hi nt h em e c h a n i c a ls y s t e mo ft h es o l i d i n t e r n a lf r i c t i o na p p a r a t u s ，a n dt oav i e w p o i n tt h a tr e g a r d st h em e a s u r i n gp r e c i s i o no f t h em e c h a n i c a ls y s t e mo f t h es o l i di 住t e m a lf r i c t i o na p p a r a t u s 豁t j l eo v e r a l l 矗让e r i i a l f r i c t i o no ft h ea p p a r a t u s , t h i sa r t i c l ed i s c u s s e s ，f i o mb o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l e n g i n e e r i n gp o i n lo fv i e w , t h ei m p a c to fv e r t i c a lp r e c i s i o no fa ni n v e r t e dt o m i o n p e n d u l u mo nt h ei n t e r n a lf r i c t i o nm e a s u r e m e n to f t h em e c h a n i c a ls y s t e mo f t h es o l i d i n t e r n a l f r i c t i o n a p p a r a t u s a n d r e v e a l st h em e c h a n i c a ls y s t e m 鹤t h ec o r eo f m e a s c r i n gp r e c i s i o na m o n gm a n ys o l i di n 饱- r n a lf i - i c f i o ns y s t e m s ，w h o s ep r e c i s i o nw i t l p l a yak e yr o l ei nd e c i d i n gt h em e a s u r i n gp r e c i s i o no fo v e r a l li n t e n ：i a lf r i c t i o no ft h e a p p a r a t u s t h ef o l l o w i n gp o i n t sa 糟d i s c u s s e di nt h i sa r t i c l e ： c 1 ) b a s e do nt h et h e o r yo fi n t c m a lf r i c t i o n , p u tf o r w a r dt w ob a s i cw a y st o l n e a s h l r ei n t e r n a lf r i c t i o nw i t hs o l i di n t e r n a lf r i c t i o na p p a r a t u s , u s i n gl o w - 台e q u e n c y t o i o np e n d u l u m 乱u s ef r e ed e c a y i n gm e t h o dw o r ko u tt h ei n t e r n a lf r i c t i o na c c o r d i n gt o l o g a r i t h m i cd e c r e m e n tw h e ni n t e r n a lf r i c t i o ni sr e l a t i v e l yl i t t l e b w o r ko u tt l l ci n t e r n a lf r i c t i o nb yu s i n gf o r c e dv i b r a t i o nt om e a s u g et h ea n g l e i nw h i c ht h es 缸a i nl a g sb e h i n dt h es l z e s sd i r e c t l y ( 2 ) a f t e rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fs o l i d i n t e r n a l f r i c t i o na p p a r a t u s ，p o i mo u tt h a tm e a s u r i n gp r e c i s i o no ft h em e c h a n i c a l s y s t e mo f t h i sa p p a r a t u sd e p e n d sm a i n l yo nt h ep r e c i s i o no f t h em e c h a n i c a ls y s t e m ( 3 ) b a s e do ni t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h ea n a l y s i so fn o n - v e r t i c a lp e n d u l u m v i b r m i o n , p r o b ei n t ot h er u l eo fi n t e r a c t i o nb e t w e o nt h ep r e c i s i o no fn o n - v e r t i c a l p e n d u l u ma n dt h em e a s u r e m e n to fi n t e r n a lf r i c t i o n , t h e ni n d i c a t es e v e r a lf e a s i b l e w a y sa n dm e a s u r e st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no f n o n - v e r t i c a lp e n d u l u m ( 4 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h el i g h t , m e c h a n i ca n d e l e c t r i cs y s t e m , b r i n gf o r w a r dt h ei d e at h a tf fy o uw a r tt os t u d yt h eo v e r a l ls y s t e mo f i n l e m a lf r i c t i o n , y o um u s tf o c u so ni t sc o r es y s t e m - t h ei n v e r t e dt o r s i o np e n d u l u m m e c h a n i cs y s t e m ；a n dt h i st w o - s t e ps y s t e mc a nc o m p l e t e l ys a t i s f yt h er e q u i r e m e n tf o r m e a s u r i n gi n t e m a lf r i c t i o n a tp r e s e n t , n os i m p l ea n dr e l i a b l ed e v i c ef o rm e a s u r i n gt h ep r e c i s i o no f 江苏大擘工程硕士学位论文 | 一i i _ n o n - v e r t i c a lp e n d u l u mh a sb e e nd e v e l o p e d , s ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fr e s u l to f i n t e r n a lf r i c t i o nt h r o u g hn o n - v e r t i c a lp e n d u l u mp r e c i s i o ns t i l ln e e d sf i l l t h e l r e s e a r c h k e yw o r d s ：t h es o l i di n t e r n a lf i c t i o na p p a r a t u s ，m e c h a n i c a ls y s t e m ， m e a s u r i n gp r e c i s i o n ，n o n - v e r t i c a lp e n d u l u m n i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：1 鸶功t 患 少r 年以叼日 燧始 指导教师签名：少。7 j j 弼年月7 日 江苏太擘工程项士学住论文 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 内耗的一般概念埘 振动着的固体，即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下去，这种 使机械振动能量不可逆地耗散为热能的现象，称为内耗，即由于内部原因而引起 的能量损耗。在英文文献中通用i n t e r n a lf r i c t i o n ，日文据此而译为内摩擦 这是不恰当的，因为内耗的本质是出现了非弹性形变而将振动能耗散为热能，并 不能归因为摩擦生热。这种不恰当的命名也沿袭为德文的l n n e rr e i b u n g ，法文 的f r o t t e m e n ti n t e r i e u r ，俄文的bj iytphc tpej iue 。另外，在工 程上用阻尼本领( d a m p i n gc a p a c i t y ) ，对于高频振动。有时称超声衰减 ( u l t r a s o n i ca t t e n u a t i o n ) ，其实都是内耗的同义语。不过其中有一个换算因数。 1 1 2 内耗理论产生及发展概况哪 ! 9 4 5 年后期，第二次世界大战结束，芝加哥大学决定建立金属研究所著 名物理冶金学家c y r i ls s m i t h 博士被任命为所长，著名理论物理学家c l a r e n c e m z e n e r 教授( 滞弹性内耗的创始人) 被任命为物理组组长。 1 9 4 5 年1 1 月，已经获得物理学博士学位的葛庭燧应邀到芝加哥大学金属研 究所从事基础研究，并于1 9 4 7 年创造性地发明了被国际科学界誉称为“葛氏摆” 的金属内耗测试装置，并首次发现了晶粒问界内耗峰( 葛氏峰) 他的一系列研 究成果奠定了“滞弹性”这一新理论的实验基础，成为世界金属内耗研究领域创 始入之一 1 9 4 8 年，c l a r e n c em z e n e r 教授出版了经典名著金属的弹性和滞弹性， 提出了滞弹性的概念，其实验基础是葛庭燧在1 9 4 7 年所发表的一系列工作在 这本仅有1 6 3 页的著作中。引证了葛庭燧的工作1 5 次，6 个图，1 个表。从这种 意义上来说。葛庭燧的工作奠定了滞弹性内耗的理论基础。1 9 5 4 年，苏联翁索斯 基院士主持翻译的金属的弹性和滞弹性一书中，用俄文翻译的1 6 篇论文， 其中儿篇是葛庭燧单独发表的论文1 9 5 7 年苏联的金属物理与金属学杂志 又把葛庭燧等在中国物理学报和中国科学上发表的关于“碳在面心立方金属中的 江苏大擘工程硕士学位论文 扩散”、“内吸附”、“氢分子在高铬镍合金中的扩散”等三篇文章译成俄文发表， 葛庭燧的研究成果曾被国际同行大量引证1 9 7 6 年2 月日本金属学会会报第1 5 卷第2 号刊登t 4 岩昌一( m k o i w a ) 的文章中说：“内耗研究创始期曾进行晶 乔内耗先驱性研究工作，在扭振子装置留下了“葛型”及其名字的t s k e ( 葛庭 燧) ，现在他还健在中国科学院金属研究所( 沈阳) 由于他的影响，中国在内耗 方面做了许多工作” 1 9 4 9 年，葛庭燧回国，受聘清华大学。1 9 5 2 年，他响应建设东北重工业基 地的号召。前往沈阳参加建国后中国科学院新建的第一个研究所( 金属研究所) 的筹建工作；1 9 8 0 年，葛庭燧院士又奉调合肥参加合肥科研基地和合肥分院的 建设，并负责筹建固体物理研究所他在合肥西郊董铺岛上与青年科技人员一道 从无到有地以“摸打滚爬”的精神，亲手创建了固体物理研究所和内耗与固体缺 陷开放研究实验室。十几年来，他和其研究集体在晶界弛豫、位错阻尼和非线性 滞弹性内耗方面取得了大量令人瞩目的开创性成果，获得了国家和中国科学院的 多次奖励。使开放室成为国际上知名的内耗与固体缺陷研究中心之一。他本人也 因其杰出的学术成就先后获得内耗与超声衰减最高国际奖一甄纳奖( 1 9 8 9 ) ，桥 口隆吉材料科学奖( 1 9 9 6 ) ，何梁何利科技进步奖物理奖( 1 9 9 6 ) ，t m s 学术最 高奖一梅尔奖( 1 9 9 9 ) 。1 9 9 7 年被评为全国优秀科技工作者 1 1 3 固体内耗测量的意义 因为内耗的机制或其物理起因，一般可以说，都是一种在应力作用下的内部 原子重新排列的结果，所以利用对内耗机制的探索来研究材料内部的微观变化过 程已成为其他研究手段无法取代的重要手段。 由于滞弹性效应是来源予在完全弹性并与时间无关的形交之外附加有与时 间有关但却是可回复的形变，所以滞弹性效应的测量提供了一种研究金属中的晶 粒问界的力学行为的有力工具。 自我国著名金属物理学家葛庭燧院士( 1 9 1 3 5 3 2 0 0 0 4 2 9 ，世界金属内 耗研究领域创始人之一) 1 9 4 7 年发明葛氏摆以来，扭摆内耗仪历经五十多年的 改进和实验技术的发展，仍然是研究内耗的主要设备嘲随着电子技术与计算机 的发展，人们不断地用新技术来武装扭摆内耗仪现代的扭摆仪已成为一种高度 自动化的精密仪器，是研究固体物理的机械振动吸收的必备设备，在固体缺陷、 2 江苏大学工程硕士学住论文 晶界，相变和阻尼乃至子超导等前沿研究中发挥着重要作用，推动着物理学、材 料科学、冶金学等学科的发展因此。实验工作者将不断地研制新颖的扭摆仪， 为更高层次的研究创造条件。 1 ，2 国内外研究概况 1 。2 1 内耗领域的研究概况 目前，国内外在内耗领域的研究集中于以下几方面的课题： a 、固体缺陷的研究 b 、高阻尼材料的开发 c 、液态金属的结构研究 d 、软物质的结构研究 e 、f e - m n 、m n c u 合金的内耗研究 f 、固体、液态形状记忆合金的研究 1 。2 ，2 内耗测量方法介绍”1 0 目前己能够测量内耗的频率谱范围是从1 0 咕h z 到约i o o g h z 。在研究原子的 迁动过程和点缺陷位错的交互作用所引起的内耗时，多采用l ( h z 以下的频率另 外一方面，关于位错本身以及电子和声子的研究，由于弛豫时间较短所以多采用 较高的频率( i m h z ) 、 内耗测量常见方法有如下四种。 1 静力实验方法( q u a s i - s t a t i cm e t h o d s ) 使用该种方法可测定三种曲线： a 、恒应变下的应力弛豫曲线( 见图2 2 c ) ； b 、恒应力下的应变弛豫曲线( 见图2 2 b ) ； c 、弹性后效曲线( 见图2 2 b ) 。 基本模式是图1 1 所示静力弛豫仪( k e ，1 9 4 7 ) ，也可叫做圈镜式检流计 ( c r i t i c a ld a m p i n gm o v i n gc o i lm i r r o rg a l v a n o m e t e r ) 加到试样上的扭力 和通过线圈的电流成正比，阻尼片使试样的扭转振动成为临界阻尼状态，也可以 通过磁强计原理，用转动磁铁装置，使一块磁铁在一对h e l m h o l t z 线圈的磁场中 转动。 3 江苏大荦工程顽士学位论文 刻度尺 ifl | | |iiif ii 田1 1 静力弛摩仪 2 次共振法( s u b r e s o n a n c em e t h o d s ) 设测量系统( 包括试样及附加的惯性元件) 共振频率为，丙如到试样上 使它做强迫振动的频率为，如果2 ”- - - - 6 o e ( 州 其中蜘禹 一般因为内耗很小p 1 m 故q - i = t g 例= 蔫专 田 实际固体的应力与应交关秉图 的两部分分 ( 2 4 ) 江苏大孕工程硕士学住论文 2 定义复模量( c o m p l e xm o d u l u s ) 厨= 詈= 雨( t om 翕南* 南= 肘 实数部分m 动力模量( 即实测的弹性模量) 肘2 丽c r o 虚数部分与实数部分的比值便是内耗 由于i 占1 ，q 口： 铂 的改进设计 倒扭摆( 非垂直摆) 的改进一方面在于检测，另一方面在于控制，前者是基 础，后者是目的 所谓的检测是指采用一定的方法与手段去测量非垂直摆误差锥( 图4 3 ) 中 的厶的存在及大小，从而为矗的控制甚至消除提供有效途径。由于目前大部分科 研人员及机构没有对固体内耗仪机械系统的研究及其测控引起足够重视，因此对 固体内耗仪机械系统的检测手段还处于空白阶段。但是，检测手段必须具备和科 学，只有这样，固体内耗仪的内耗检测才具有坚实基础与可靠性 例如：在试样的上、下夹头作好标记( 刻线) ，用读数显微镜跟踪测量，铡 量精度可达0 0 0 5 m , 所谓的控制是指采用一定的措施及方案去最大限度地减小非垂直摆误差 的大小。从而尽可能地达到理想的垂直摆状态常见的措施及途径不外乎如下几 方面： 在机械加工方面，应严格控制倒扭摆中竖摆杆、摆杆等零件的形位公差 ( 例如：直线度一般应控制在0 0 2 m 内) ；在装配加工方面，整个倒扭摆中试样 上部分结构( 图4 i 及图4 2 ) 处于自由垂直状态时，其旋转偏差应控制在0 0 4 m 内。 倒扭摆的上、下夹头加工要有高精度，夹持试样后必须使试样处于两夹 头的圆心处，中心偏移量不得大于0 o l m m 。 吊丝悬挂整个竖摆杆、