工程检测技术实验报告

上海工程技术大学 实验报告 第 1 页 1 1 实验名称实验名称 悬臂梁固有频率的测定试验悬臂梁固有频率的测定试验 2 2 专业名称专业名称 交通工程 班级代码班级代码 1014111 1014111 实验组长 何跃丞实验组长 何跃丞 实验日期实验日期 2014 2014 年年 11 月月 15 日日 3 3 实验目的 实验目的 1 学会加速度与力传感器的接线方法和调试 2 熟悉和了解悬臂梁振动的规律和特点 3 学会使用锤击法测量悬臂梁固有频率 4 4 实验设备实验设备 1 带力传感器的锤 锤子 3425 2 加速度传感器 356A02 力锤传感器 086D05 3 振动台 由支座 夹板和悬臂梁试件组成 4 悬臂梁长度 L 850mm 宽度 b 110mm 厚度 h 8mm 材料 Q304 5 8 通道的东华数据采集器 6 带东华动态振动分析系统的笔记本电脑 本实验使用的振动系统及仪器设备如图 4 1 4 2 所示 图图 4 14 1 悬臂梁振动实验系统实图悬臂梁振动实验系统实图 上海工程技术大学 实验报告 第 2 页 实验系统原理示意图如图 4 2 所示 5 5 实验原理 实验原理 1 悬臂梁的振动机理 悬臂梁的振动属于连续弹性体的振动 它具有无限多自由度及其相应的固有频率和主 振型 其振动可表示为无穷多个主振型的叠加 运用分离变量法 结合悬臂梁一端固定一端自由的边界条件 通过分析可求得均质 等截面悬臂梁的频率方程 5 1 1 L Lchcos 式中 L 悬臂梁的长度 梁各阶固有园频率为 5 2 A EI iin 2 对应 阶固有频率的主振型函数为i 5 3 3 2 1 sin sin cos cos i xxsh LLsh LLch xxchxX ii ii ii iii 对于 5 1 式中的 不能用解析法求解 用数值计算方法求得的一阶至四阶固有 园频率和主振型的结果列于表 5 1 各阶固有园频率之比 1 6 269 17 56 34 41 5 4 1 f 1 f 1 f 1 f y A B hx L b 数据采集器东华振动分析软 件 及计算机 加速度计 图图 4 24 2 悬臂梁振动实验系统示意图悬臂梁振动实验系统示意图 锤 力传感器 上海工程技术大学 实验报告 第 3 页 图 5 1 悬臂梁振动模型 表 5 1 给出了悬臂梁自由振动时 1 4 阶固有园频率及其相应主振型函数 除了i 悬臂梁固定端点边界位移始终为零外 对于二阶以上主振型而言 梁上还存在一些点在振 动过程中位移始终为零的振型节点 阶振型节点个数等于 1 即振型节点个数比其振型ii 的阶数小 1 本实验主要运用模态分析法测定悬臂梁一 二 三 四阶固有频率及其相应 的主振型 2 模态分析法 工程结构的振动是由随机振动源所引起的响应 如果单个样本在全部时间上所求得 的统计特性与在同一时刻对振动历程的全体所求得的统计特性相等 则称这种随机过程为 各态历经的 另外由于工程结构振动的主要特征与时间的起点选择关系不大 它在时刻 到这一段随机振动的统计信息与到这一段的统计信息是相关的 并且差 1 t 2 t 1 t 2 t 别不大 即具有相同的统计特性 因此 工程结构振动又是一种平稳随机过程 与一般振动问题相类似 随机振动问题也是讨论系统的输入 激励 输出 响应 以及系统的动态特性三者之间的关系 假设是振动源为输入的振动过程 结构本身称 tx 之为系统 当振动源作用于系统后 结构在外界激励下就产生响应 即结构的振动反应 称为输出的振动过程 这时系统的响应输出必然反映结构的特性 ty 在随机振动中 由于振动时间历程是明显的非周期函数 用傅里叶积分的方法可知 这种振动有连续的各种频率成份 且每种频率有它对应的功率或能量 把它们的关系用图 线表示 称为功率在频域内的函数 简称功率谱密度函数 在平稳随机过程中 功率谱密度函数给出了某一过程的 功率 在频域上的分布方 式 可用它来识别该过程中各种频率成份能量的强弱 以及对于动态结构的响应效果 所 以功率谱密度是描述随机振动的一个重要参数 也是在随机荷载作用下结构设计的一个重 要依据 在各态历经平稳随机过程的假定下 振动源的功率谱密度函数与结构反应 x S 功率谱密度函数之间存在着以下关系 y S 式中 传递系数 iH 圆频率 由随机振动理论可知 2 xy SiHS 0 2 0 2 0 21 1 i iH 上海工程技术大学 实验报告 第 4 页 由以上关系可知 当已知输入输出时 即可得到传递函数 在测试工作中通过测振 传感器测量地面自由场的振动源和结构反应的振动信号的记录 将这些符合平稳 tx ty 随机过程的样本由专用信号处理机 频谱分析仪 通过使用具有传递函数功率谱程序进行 计算处理 即可得到结构的动力特性 频率 振幅 相位等 运算结果可以在处理机上直 接显示 也可用 x y 记录仪将结果绘制出来 下图 2 是利用专用计算机把时程曲线经过傅 里叶变换 由数据处理结果得到的频谱图 从频谱曲线上用峰值法很容易定出各阶频率 结构自振频率处必然出现突出的峰值 一般基频处非常突出 而在第二 第三频率处也有 相应明显的峰值 6 6 实验步骤实验步骤 1 振动测量的仪器连接 悬臂梁上加速度传感器与锤上力传感器与东华数据采集器相连 数据采集器再与带东华振动噪声分析系统的计算机相连接 加速度传感器设置在悬臂梁的 11 号测点 检查各仪器之间连线无误后 再开启电源 2 打开带振动分析系统的计算机 打开 Impact Testing 锤击的软件 3 在东华振动分析系统 channel setup 里进行设定动态数据采集器的采样通道 采样频率 和采样时间 准备采集振动信号 Electrical Unit 改为 MV 形式 如表 6 1 和图 6 2 所示 Direction 方向 Input Model Measured qualityActual Sensitivity 敏感度 通路 1负 Z 方向ICP 形式Force 状态2 248 mv N 通路 2负 Z 方向ICP 形式Acceleration 状态8 94 mv g 表 6 1 图 2 经数据处理得到的频谱图 上海工程技术大学 实验报告 第 5 页 4 对 Measure 测量 页面进行设定并正式进行测量 用一个锤子沿铅直方向敲击被测振动系统的适当部位 激起弯曲自由振动 记录下 三加速度计的自由振动信号 图 6 2 上海工程技术大学 实验报告 第 6 页 9 对记录下的三个自由振动信号进行频谱分析 根据频谱分析结果的频率和锤击力 频率与锤击力无关频率与锤击力无关 1010 加重质量的悬臂梁自震频率结果 加重质量的悬臂梁自震频率结果 上海工程技术大学 实验报告 第 7 页 1 1 实验名称实验名称 简支梁固有频率简支梁固有频率 2 2 专业名称专业名称 交通工程 班级代码班级代码 1014111 1014111 实验组长实验组长 何跃丞何跃丞 实验日期实验日期 2014 2014 年年 11 月月 15 日日 3 3 实验目的实验目的 1 使学生加深对简支梁的固有频率和主振型概念的理解 2 使学生掌握简支梁固有频率测量方法 3 使学生学会加速度与力传感器的接线方法和调试 4 熟悉振动分析系统的模态分析过程 4 4 实验设备实验设备 1 带力传感器的锤 锤子 3425 2 加速度传感器 356A02 力锤传感器 086D05 3 振动台 由支座 夹板和悬臂梁试件组成 4 悬臂梁长度 L 850mm 宽度 b 110mm 厚度 h 8mm 材料 Q304 5 8 通道的东华数据采集器 6 带东华动态振动分析系统的笔记本电脑 本实验使用的振动系统及仪器设备如图 4 1 4 2 所示 实验系统原理示意图如图 4 2 所示 图图 4 14 1 简支梁振动实验系统实图简支梁振动实验系统实图 上海工程技术大学 实验报告 第 8 页 5 5 实验原理实验原理 1 固有频率和主振型的实验测量原理 多自由度振动系统有几个自由度 就有几个固有频率 每个固有频率都有一个与之 对应的主振型 振动系统的固有频率和主振型可以用正弦扫描激励和冲击激励两种方法测 出 冲击激励包含很多激励频率 能够同时激起多自由度系统的若干阶自由振动 而振 动系统的自由振动是按固有频率振动的 所以 通过对冲击激励激起的自由振动进行频谱 分析 即可根据频率 振幅和相位信息确定系统的各阶固有频率和主振型 如果只需要测 量振动系统的固有频率 以上两种方法都只需要一个测振传感器即可 本实验主要运用模态分析法测定悬臂梁一 二 三 四阶固有频率及其相应的主振 型 2 模态分析法 工程结构的振动是由随机振动源所引起的响应 如果单个样本在全部时间上所求得 的统计特性与在同一时刻对振动历程的全体所求得的统计特性相等 则称这种随机过程为 各态历经的 另外由于工程结构振动的主要特征与时间的起点选择关系不大 它在时刻 到这一段随机振动的统计信息与到这一段的统计信息是相关的 并且差 1 t 2 t 1 t 2 t 别不大 即具有相同的统计特性 因此 工程结构振动又是一种平稳随机过程 与一般振动问题相类似 随机振动问题也是讨论系统的输入 激励 输出 响应 以及系统的动态特性三者之间的关系 假设是振动源为输入的振动过程 结构本身称 tx 之为系统 当振动源作用于系统后 结构在外界激励下就产生响应 即结构的振动反应 称为输出的振动过程 这时系统的响应输出必然反映结构的特性 ty 在随机振动中 由于振动时间历程是明显的非周期函数 用傅里叶积分的方法可知 这种振动有连续的各种频率成份 且每种频率有它对应的功率或能量 把它们的关系用图 数据采集器东华振动分析软 件 及计算机 加速度计 图图 4 24 2 悬臂梁振动实验系统示意图悬臂梁振动实验系统示意图 锤 力传感器 上海工程技术大学 实验报告 第 9 页 线表示 称为功率在频域内的函数 简称功率谱密度函数 在平稳随机过程中 功率谱密度函数给出了某一过程的 功率 在频域上的分布方 式 可用它来识别该过程中各种频率成份能量的强弱 以及对于动态结构的响应效果 所 以功率谱密度是描述随机振动的一个重要参数 也是在随机荷载作用下结构设计的一个重 要依据 在各态历经平稳随机过程的假定下 振动源的功率谱密度函数与结构反应 x S 功率谱密度函数之间存在着以下关系 y S 式中 传递系数 iH 圆频率 由随机振动理论可知 由以上关系可知 当已知输入输出时 即可得到传递函数 在测试工作中通过测振 传感器测量地面自由场的振动源和结构反应的振动信号的记录 将这些符合平稳 tx ty 随机过程的样本由专用信号处理机 频谱分析仪 通过使用具有传递函数功率谱程序进行 计算处理 即可得到结构的动力特性 频率 振幅 相位等 运算结果可以在处理机上直 接显示 也可用 x y 记录仪将结果绘制出来 下图 5 1 是利用专用计算机把时程曲线经过 傅里叶变换 由数据处理结果得到的频谱图 从频谱曲线上用峰值法很容易定出各阶频率 结构自振频率处必然出现突出的峰值 一般基频处非常突出 而在第二 第三频率处也有 相应明显的峰值 6 6 实验步骤实验步骤 图 5 1 经数据处理得到的频谱图 2 xy SiHS 0 2 0 2 0 21 1 i iH 上海工程技术大学 实验报告 第 10 页 1 振动测量的仪器连接 悬臂梁上加速度传感器与锤上力传感器与东华数据采集器相连 数据采集器再与带东华振动噪声分析系统的计算机相连接 加速度传感器设置在悬臂梁的 11 号测点 检查各仪器之间连线无误后 再开启电源 2 打开带振动分析系统的计算机 打开 Impact Testing 锤击的软件 3 在东华振动分析系统 channel setup 里进行设定动态数据采集器的采样通道 采样频率 和采样时间 准备采集振动信号 Electrical Unit 改为 MV 形式 如表 6 1 和图 6 2 所示 4 对 Measure 测量 页面进行设定并正式进行测量 用一个锤子沿铅直方向敲击被测振动系统的适当部位 激起弯曲自由振动 记录下 Direction 方向 Input Model Measured qualityActual Sensitivity 敏感度 通路 1负 Z 方向ICP 形式Force 状态2 248 mv N 通路 2负 Z 方向ICP 形式Acceleration 状态8 94 mv g 图 6 2 表 6 1 上海工程技术大学 实验报告 第 11 页 三加速度计的自由振动信号 9 对记录下的三个自由振动信号进行频谱分析 根据频谱分析结果的频率和锤击力 频率与锤击力无关频率与锤击力无关 1010 加重质量的悬臂梁自震频率结果 加重质量的悬臂梁自震频率结果 上海工程技术大学 实验报告 第 12 页 7 7 心得体会心得体会 这个实验看上去挺简单的 但是其实我们在做实验中出现了很多状况 因为是第一次接这个实验看上