【現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)課件】(1) 緒論

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版權(quán)所有 2004 c 陸秋海 第 1講 緒 論 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部 20101101 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué) 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué) 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種近代方法 是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用 模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性 每一個(gè)模態(tài) 具有特定的固有頻率 阻尼比和模態(tài)振型 模態(tài)分析最終目標(biāo)是在識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) 為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析 振動(dòng)故障診斷和 預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù) 模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面 1 評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 2 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估 和優(yōu)化設(shè)計(jì) 3 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障 4 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲 5 識(shí)別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷 振動(dòng)測試的特點(diǎn) 振動(dòng)力學(xué)量是時(shí)間的函數(shù) 周期性 隨機(jī)性 瞬時(shí) 沖擊 振動(dòng)力學(xué)量大小與結(jié)構(gòu)固有特性有關(guān) 靜態(tài) 力幅不變 應(yīng)變 位移 應(yīng)力不變 動(dòng)態(tài) 力幅不變 不同頻率下響應(yīng)不同 動(dòng)載下 力學(xué)量允許極限不同 疲勞 斷裂許用應(yīng)力明顯降低 工程振動(dòng)測試分析的任務(wù) 解決工程振動(dòng)問題 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)備運(yùn)行 產(chǎn)品試制 課題研究 工程質(zhì)量評定 結(jié) 構(gòu)故障診斷 最新進(jìn)展 電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) A D與 D A轉(zhuǎn)換 記錄存儲(chǔ)技術(shù) 傳感器技術(shù) 特殊環(huán)境 特殊振動(dòng) 1 工程振動(dòng)測試分析應(yīng)用領(lǐng)域 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)研究 運(yùn)行中的設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡 振動(dòng)與沖擊環(huán)境模擬試驗(yàn) 構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn) 隔振與減振技術(shù)研究 人體對振動(dòng)與沖擊的反應(yīng) 有關(guān)振動(dòng)利用的研究 第一類反問題 參數(shù)識(shí)別 系統(tǒng)識(shí)別 第二類反問題 載荷識(shí)別 人體振動(dòng)特性 選拔航天員的前期準(zhǔn)備工作 航天器振動(dòng)與人體共振頻率耦合威脅航天員的生命安全 POGO振動(dòng) 儀器 振動(dòng)臺(tái) 加速度傳感器 采用不同身高 體重的人體為樣本 利用 INSTRON1506 電磁振動(dòng)臺(tái) 測定坐姿人體在不同的隨機(jī)激勵(lì)下 頭 肩 和髂骨部位響應(yīng)對臺(tái)面的加速度傳遞率 其峰值頻率為共 振頻率 選用的振級為均方根加速度 0 5g 1 0g和 1 5g 通過神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)對測量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)得到身高 h 體重 w及振級 a與人體 共振頻率 f間的非線性規(guī)律 生物振動(dòng)模態(tài)試驗(yàn) 兔子 狗 汽車動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) 采用激振器對整車或部件進(jìn)行激勵(lì) 激振器端部安裝力傳感器 通過 安裝在車架和車身上的傳感器測量 車輛的動(dòng)力響應(yīng) 飛機(jī)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) 飛機(jī)模態(tài)分析 空調(diào)風(fēng)機(jī) 力錘 含力傳感器 電渦流傳感器 加速度傳感器 通過實(shí)驗(yàn)確定風(fēng)機(jī)在工作狀態(tài)下是否可能共振導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的葉片與外壁發(fā)生刮蹭和碰撞 空 調(diào) 風(fēng) 機(jī) 模 態(tài) 試 驗(yàn) 1998年 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪破壞再現(xiàn) 軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪在飛行 過程中出現(xiàn)斷裂 經(jīng)過模態(tài) 分析發(fā)現(xiàn)齒輪某一階工作頻 率與發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率非常接 近 安裝在振動(dòng)臺(tái)上以此頻 率進(jìn)行激勵(lì) 1小時(shí)以后齒輪出現(xiàn)與實(shí) 際工作破壞相同的裂紋 表明是共振引 起破壞 解決方案 改變齒輪厚度 振動(dòng)測量 空間柔性結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制前端 太陽帆板的彈性振顫 影響星體的工作質(zhì)量 將太陽帆板系統(tǒng)歸結(jié)為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題有一定的 局限性 82年美國 陸地衛(wèi)星 4 的觀測儀的旋轉(zhuǎn)部分受到柔性 太陽帆板驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的干擾而產(chǎn)生振動(dòng) 從而降低了圖像 的質(zhì)量 Hubble望遠(yuǎn)鏡太陽帆板間隙引起的沖擊振動(dòng)及出入地球 陰影時(shí)的巨大溫差引發(fā)長達(dá) 5分鐘的衰減振動(dòng) 我國東風(fēng) 3號衛(wèi)星帆板間隙引起的沖擊影響了工作性能 哈勃望遠(yuǎn)鏡熱致振動(dòng)原理 甩掉了裝在天文望遠(yuǎn)鏡上用來定 位觀測星體的傳感器 嚴(yán)重影響了天文觀測 由于每次 振動(dòng)需要 3 6分鐘才能靜止 望 遠(yuǎn)鏡的有效觀測時(shí)間被嚴(yán)重縮短 帆板振動(dòng)使直徑 2 4米的望遠(yuǎn)鏡鏡 片扭曲 導(dǎo)致其不能精確聚焦 影響了圖片的拍攝質(zhì)量 故障的成因分析 如何引入適當(dāng)?shù)淖枘峄蛑鲃?dòng)環(huán)節(jié)抑 制帆板的熱致振動(dòng) 國際號空間站 組裝完畢的國際號空間站 1Hz以下的模態(tài)將有 366個(gè) 3000 到 4000個(gè)模態(tài)在 20Hz以下 Pappa R S 1990 由于實(shí)際條件的限 制 安裝在國際號空間站上的傳 感器數(shù)將限制在 200個(gè)以下 然 而 預(yù)示表明 10Hz以下有幾百個(gè) 模態(tài) 且主要是并非最重要的附 件振動(dòng) 如果只在主要結(jié)構(gòu)上安 裝傳感器 那么其中的許多局部 模態(tài)將具有相同的模態(tài)振型 需 要對附件進(jìn)一步測量才能惟一確 定相應(yīng)的模態(tài) Schenk A and Pappa R S 1992 國際號空間 站的在軌試驗(yàn)將只有能用安裝在 桁架上的 2個(gè) RCS Reaction Control System 推進(jìn)器提供激勵(lì) Blelloch P Engelhardt C and Huht D L 1990 響應(yīng)點(diǎn)分布將 很稀疏 對附件測量只能限制在 端部和根部位置 而且許多附件 上根本不裝備儀器 Schenk A and Pappa R S 1992 如何用最少的傳感 器獲得設(shè)計(jì)和控制所需 要的動(dòng)力學(xué)信息 如何用最少的作動(dòng) 器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)主動(dòng) 控制 Galileo號宇宙飛船 采用有限元分析的結(jié)果是 50Hz以下有 45個(gè)模態(tài) 其中最低的大約 13 Hz 許多模態(tài)對發(fā)射的動(dòng)載荷的貢獻(xiàn) 很小 貢獻(xiàn)較大的僅有 15個(gè)模態(tài) 1983年夏在美國噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 Jet Propulsion Laboratory 進(jìn)行加里略航天器帶天線的主要結(jié)構(gòu)部件的 綜合模態(tài)測試 試件的總重量約 2400kg 識(shí)別采用自由 響應(yīng)數(shù)據(jù) Free Response Data 將 7個(gè)滿量程為 110N的 電動(dòng)激振器柔性懸掛在起重機(jī)上 采用寬帶隨機(jī)激勵(lì)信 號激勵(lì) 時(shí)間大約五秒 用分布于航天器的 162個(gè)加速度 計(jì)測量響應(yīng) 共獲得兩組數(shù)據(jù) 一組水平激勵(lì) 另一組垂 直激勵(lì) 頻帶 10 45 Hz 從激勵(lì)終止開始記錄 5秒的自 由響應(yīng)數(shù)據(jù) 響應(yīng)以每秒 102 4個(gè)樣本的速率數(shù)字化 因 此每一測試中大約有 500個(gè)自由響應(yīng)點(diǎn) 每組數(shù)據(jù)大約識(shí) 別出 30階模態(tài) 其中一半左右具有較高識(shí)別精度 MAC 值 Modal Amplitude Coherence Juang J N and Pappa R S 1985 水平激勵(lì)組數(shù)據(jù)識(shí)別出 34階模態(tài) 其 中 MAC指標(biāo)在 95 以上的有 14個(gè) 占 41 2 ARECIBO OBSERVATORY1960 63 目前世界上 最大的射電天文 望遠(yuǎn)鏡 位于美 國加勒比海的波 多黎各 Puerto Rico 的 Arecibo 鎮(zhèn) 南部 直徑 305米 我國目 前正與世界各國 科學(xué)家合作在云 南的 Karst地貌 上建造世界最大 的天文望遠(yuǎn)鏡 直徑 500米 康奈爾大學(xué)設(shè)計(jì) 德國公司制造 大射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)變饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn) 直徑 500m 懸掛高度約 150m 要求運(yùn)行振動(dòng) 4mm 難題 大范圍高精度動(dòng)態(tài)跟蹤測量 高精度的振動(dòng)主動(dòng)控制方案的機(jī)電一體化實(shí)現(xiàn) 激光測振儀 非接觸式高精度測量 德國 POLYTECH公司 全場掃描式激光測振儀 可以對全場進(jìn)行非接觸式振動(dòng)測量 安裝有 CCD相機(jī) 可直接在計(jì)算 機(jī)上選定需要專門測量的點(diǎn) 可顯示結(jié)構(gòu)全場穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的振型 選定 點(diǎn)的頻譜和頻響函數(shù)等 英國 Ometron公司 激光測振儀 英國 Ometron公司 喇叭的振動(dòng) 大型實(shí)際工程結(jié)構(gòu)如大型橋梁 大型廠房 海洋平臺(tái)等在交通 能源 軍事和社會(huì)生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義 確定結(jié)構(gòu)是否 存在損傷以及損傷的位置和程度已經(jīng)成為這類結(jié)構(gòu)安全保障的重要 途徑 局部試驗(yàn)方法 外觀檢查 聲或超聲波 磁場探測 射線成像 溫度場測試等 全局方法 利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷診斷識(shí)別 基于振動(dòng)特性的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別 鋼筋混凝土梁損傷識(shí)別 損傷 基頻 Hz 二階頻率 Hz 健康 209 096 5 487 202 4 5 對孔 202 880 0 484 635 1 7 對孔 202 906 8 483 358 7 10 對孔 208 307 8 481 886 1 IASC ASCE 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究 該基準(zhǔn)模型實(shí)際結(jié)構(gòu)為如下圖所示的一個(gè) 3維 4層鋼結(jié)構(gòu)模型 長寬各為 2 5米 高 3 6米 圖 基準(zhǔn)結(jié)構(gòu) 圖 每一層構(gòu)件編號 圖 每一層的測點(diǎn)位置及方向 納米管的振動(dòng)特性 納米管 的 1階 A 2 階 B 3階 C 振動(dòng)的振 型 與懸臂 梁振型相同 納米管的截 面尺度約 1納 米 99年 Science雜志 納米管傳感器 納米管 的端部為 1 個(gè)基因 相 當(dāng)于單自由 度系統(tǒng) 可 通過測量系 統(tǒng)的頻率計(jì) 算出基因的 質(zhì)量 99 年 Science雜 志 2 工程振動(dòng)測試包含的內(nèi)容 2 1 International Space Station ISS 發(fā)射過程 火箭各位置的推進(jìn)加速度 振動(dòng)速度和位移 載人 生物航天器 對推進(jìn)加速度限制 入軌后姿態(tài)控制 姿態(tài)敏感器 推進(jìn)器的噴氣量 步進(jìn)電機(jī)調(diào)整角度和 力矩 反作用輪調(diào)整角度等 入軌后振動(dòng)控制 各位置的加速度 控制力和力矩 問題 負(fù)載限制 發(fā)射過程的高 g值和入軌后小振動(dòng)對傳感器測量系統(tǒng)的要求 地面與太空大溫差 太空中向陽和被陽面大溫差 出入地球陰影的大溫 差對傳感器測量系統(tǒng)的要求 高緯度 微重力環(huán)境條件對傳感器測量系統(tǒng)的影響 長時(shí)間工作對測量系統(tǒng)可靠性和安全性的要求 低頻密集模態(tài)的測量困難 10Hz以下數(shù)百階模態(tài) 2 2 汽車 旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)平衡 傳動(dòng)軸 汽車輪轂 汽車平順性 載人平順性和運(yùn)輸平順性 懸掛系統(tǒng)的減振特性 減震器特性 懸架特性 座椅減振 特性 發(fā)動(dòng)機(jī)減振器 汽車運(yùn)行安全性 汽車的主要頻率特性 各部件的振動(dòng)與 車速和路面激勵(lì)的關(guān)系 車架 軸 傳動(dòng)軸及其連接等重 要部件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力評估 碰撞安全性 人體各關(guān)鍵部件的耐沖擊特性 最大加速度 沖擊時(shí)間 相對位移等 安全帶的減振特性 碰撞變形 特性 安全氣囊的觸發(fā)條件 2 3 研究的內(nèi)容 1 傳感器測量系統(tǒng)原理及其應(yīng)用技術(shù) 相對式測量 接觸式 頂桿式 非接觸式傳感器 光學(xué) 慣性式測量 位移型 速度型 加速度型傳感器 傳感器的選型 安裝 測量環(huán)境 高低溫 海拔 輻射 腐蝕 空間大小 被測結(jié)構(gòu)的尺度和特性 亞微米 微米 毫米 質(zhì)量 剛度 測量的頻率范圍 超低頻 低頻 中頻 高頻超高頻 測量的幅值范圍 亞納米 納米 亞微米 微米 毫米 大振幅 超低加速度 105g 力的大小 很小 103N 動(dòng)靜均有 安裝方式對測量的影響 螺接 膠粘 蠟接 手持 磁吸等 2 3 研究的內(nèi)容 2 振動(dòng)信號的分析和處理技術(shù) 信號描述的基本理論 信號的調(diào)理 放大 同步采保 去噪 采樣定理 AD 信號的顯示 譜分析 傅立葉譜 功率譜 能量譜 相關(guān) 分析 自相關(guān) 互相關(guān) 高維相關(guān) 幅值統(tǒng)計(jì)平均分析 3 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性測試技術(shù) 模態(tài)分析理論 結(jié)構(gòu)激勵(lì)和響應(yīng)的基本測量方法 FRFs測量和分析技術(shù) 參數(shù)識(shí)別技術(shù) 3 結(jié)構(gòu)動(dòng)特性建模方法 3 1 理論建模 動(dòng)力學(xué)仿真分析 有限元 對實(shí)驗(yàn)研究的指導(dǎo)作用主要表現(xiàn)在 確 定傳感器和激勵(lì)設(shè)備的配置方案 傳感器類型 頻響 靈敏度 線性范圍 溫度特性等的要求 3 2 實(shí)驗(yàn)建模 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法 3 2 1采用實(shí)驗(yàn)建模的原因 1 實(shí)際結(jié)構(gòu)太復(fù)雜 難以采用理論簡化和進(jìn) 行精確的動(dòng)力學(xué)仿真分析 組成部件多 連接關(guān)系復(fù)雜 甚至有剛體 柔性體及機(jī)構(gòu)耦合 包含間隙 摩擦等非線性 包含大位移和大變形等幾何非線性 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 構(gòu)形 邊界條件和受力條件時(shí)變 受復(fù)雜風(fēng)載 運(yùn)動(dòng)載荷 熱環(huán)境條件等共同作用 如發(fā)電機(jī)組 大橋 2 動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果需要得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 原型試驗(yàn) 全尺寸模型試驗(yàn) 縮尺動(dòng)力學(xué)相似模型試驗(yàn) 部件試驗(yàn) 模型相似理論 3 2 2實(shí)驗(yàn)建模方法 實(shí)驗(yàn)建模是通過系統(tǒng)的輸入信號和輸出響 應(yīng)之一或全部確定系統(tǒng)動(dòng)特性模型的方法 因此又可稱為辨識(shí)過程 辨識(shí)的方法可分 為 系統(tǒng)辨識(shí) 模型的形式 階次 參數(shù)均未知 參數(shù)辨識(shí) 模型的形式已知 階次和參數(shù)待定 或僅參數(shù)待定 4 課程的主要內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)建模 4 1 振動(dòng)信號傳感器 4 2 振動(dòng)特性參數(shù)的測量方法 4 3 信號分析和信號處理技術(shù) 4 4 機(jī)械阻抗法與頻響分析 4 5 結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析 課程學(xué)習(xí)目標(biāo) 掌握常見傳感器的原理及應(yīng)用技術(shù) 掌握基本的動(dòng)力學(xué)測試的方法 掌握基本的信號采集和分析的方法 掌握基本的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的理論和方法 培養(yǎng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的理論素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?參考書目 1 李德葆 陸秋海 工程振動(dòng)試驗(yàn)分析 清華大學(xué) 出版社 2004 李德葆 張?jiān)獫?振動(dòng)測量與試驗(yàn)分析 機(jī)械工 業(yè)出版社 1992 李方澤 劉馥清 王正 工程振動(dòng)測試與分析 高 等教育出版社 1992 參考書目 2 李德葆 陸秋海 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用 科學(xué)出 版社 2001 本科 研究生后續(xù)實(shí)驗(yàn)理論課程 劉習(xí)軍等 工程振動(dòng)與測試技術(shù) 天津大學(xué)出版 社 1999第 1版 傅志方 振動(dòng)模態(tài)分析與參數(shù)辨識(shí) 機(jī)械工業(yè)出 版社 1990 張賢達(dá) 現(xiàn)代信號處理 清華大學(xué)出版社 1995