機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),指導(dǎo)教師：解明利 2009年9月,CDIO實(shí)驗(yàn)系列,從廣義上說(shuō)振動(dòng)是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的參量（如位移、電壓）在其基準(zhǔn)值上下交替變化的過(guò)程。狹義的指機(jī)械振動(dòng)，即力學(xué)系統(tǒng)中的振動(dòng)。電磁振動(dòng)習(xí)慣上稱為振蕩。 按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)自由度分，有單自由度系統(tǒng)振動(dòng)（如鐘擺的振動(dòng)）和多自由度系統(tǒng)振動(dòng)。有限多自由度系統(tǒng)與離散系統(tǒng)相

2、對(duì)應(yīng)，其振動(dòng)由常微分方程描述；無(wú)限多自由度系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)（如桿、梁、板、殼等）相對(duì)應(yīng)，其振動(dòng)由偏微分方程描述。,,振動(dòng)是自然界和工程界常見(jiàn)的現(xiàn)象。振動(dòng)的消極方面是：影響儀器設(shè)備功能，降低機(jī)械設(shè)備的工作精度，加劇構(gòu)件磨損，甚至引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞；振動(dòng)的積極方面是：有許多需利用振動(dòng)的設(shè)備和工藝（如振動(dòng)傳輸、振動(dòng)研磨、振動(dòng)沉樁等）。振動(dòng)分析的基本任務(wù)是討論系統(tǒng)的激勵(lì)（即輸入，指系統(tǒng)的外來(lái)擾動(dòng)，又稱干擾）、響應(yīng)（即輸出，指系統(tǒng)受激勵(lì)后的反應(yīng)）和系

3、統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性（或物理參數(shù)）三者之間的關(guān)系。20世紀(jì)60年代以后，計(jì)算機(jī)和振動(dòng)測(cè)試技術(shù)的重大進(jìn)展，為綜合利用分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算方法解決振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)拓了廣闊的前景。,隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的輕型化和高速化，大型的工程振動(dòng)問(wèn)題不斷出現(xiàn)，如在鐵路橋梁、機(jī)車車輛、汽車、飛機(jī)、船舶工業(yè)和各種機(jī)械設(shè)備、儀器設(shè)計(jì)和制造、土木工程、爆破、采礦、抗震、抗爆等部門，振動(dòng)和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性研究越來(lái)越受到重視。振動(dòng)工程是一門交叉技術(shù)學(xué)科，包括振動(dòng)、沖擊、噪聲、

4、波動(dòng)和各種動(dòng)態(tài)技術(shù)。它是在數(shù)學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代最新計(jì)算技術(shù)、控制論、信息論、系統(tǒng)論等新學(xué)科綜合發(fā)展起來(lái)的，以解決迅速發(fā)展且日益復(fù)雜的工程技術(shù)界提出的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。航空航天、船舶、鐵道、機(jī)械、車輛、土建、水力、化工、電力、地質(zhì)勘探、海洋工程、生物醫(yī)學(xué)工程等的發(fā)展都與振動(dòng)工程學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)。,,本實(shí)驗(yàn)采用XL3419型振動(dòng)測(cè)試與控制學(xué)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)的相關(guān)測(cè)試 。XL3419型振動(dòng)與控制教學(xué)系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直觀地反映振動(dòng)測(cè)試

5、的基本概念， XL3419振動(dòng)教學(xué)測(cè)試系統(tǒng)將力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置、傳感模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)分析處理模塊等有機(jī)地整合在一起，能做多種有關(guān)振動(dòng)測(cè)試方面的實(shí)驗(yàn)，包括振動(dòng)基本參數(shù)頻率、振幅的測(cè)試；基本物理量位移、速度、加速度的測(cè)試；單自由度、兩自由度、多自由度系統(tǒng)模型的建立和測(cè)試；簡(jiǎn)支、懸臂梁、固支梁的模態(tài)振型分析 。,實(shí)驗(yàn)一振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的測(cè)試,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的測(cè)試方法2. 學(xué)習(xí)共振動(dòng)法測(cè)試振動(dòng)固有頻率

6、的原理與方法(幅值判別法和相位判別法),二、實(shí)驗(yàn)儀器安裝示意圖,JZ-1型電動(dòng)式激振器1. 技術(shù)指標(biāo)：激振動(dòng)頻率范圍：10-1000Hz最大激振力：200g最大行程：±1.5mm2. 使用方法：將激振器安裝支架固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)基座上，把激振動(dòng)器安裝在支架上，并保證激振器頂桿對(duì)簡(jiǎn)支梁有一定的預(yù)壓力(不要超過(guò)激振桿上的紅色標(biāo)識(shí))，用專用連接線連接激振動(dòng)器和XL3419A型振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)放大儀的功放輸出接口。,三、實(shí)驗(yàn)原理,對(duì)于

7、振動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)常要測(cè)定其固有頻率，最常用的方法就是用簡(jiǎn)諧力激振，引起系統(tǒng)共振，從而找到系統(tǒng)的各階固有頻率。1. 簡(jiǎn)諧力激振 由簡(jiǎn)諧力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：方程式的解由兩部分組成：,測(cè)量方法一：幅值判別法,在激振功率輸出不變的情況下，由低到高調(diào)節(jié)激振器的激振頻率，通過(guò)示波器我們可以觀察到在某一頻率下，任一振動(dòng)量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，這就是機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的某階固有頻率，這種方法簡(jiǎn)單易行，但是阻尼較大時(shí)，不同

8、類型振動(dòng)量對(duì)振幅變化敏感度不一樣，這樣往往測(cè)量不夠精確。,測(cè)量方法2：相位判別法,相位判別法是根據(jù)共振是特殊的相位值以及共振動(dòng)前后相位變化規(guī)律所提出來(lái)的一種共振判別法。在簡(jiǎn)諧力激振的情況下，用相位法來(lái)判定共振是一種較為敏感的方法，而且共振是的頻率就是系統(tǒng)的無(wú)阻尼固有頻率，可以排除阻尼因素的影響。,莉薩如示波的原理,所謂莉薩如示波，我們?cè)诖髮W(xué)物理中已經(jīng)學(xué)過(guò)，就是把兩個(gè)空間位置互相垂直的傳感器測(cè)得的信號(hào)，一個(gè)作為X軸，一個(gè)作為Y軸進(jìn)行合成得

9、到的圖形?；ハ啻怪?，不同頻率的振動(dòng)合成，顯示出復(fù)雜的圖形，一般情況下，圖形是不穩(wěn)定的，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)頻率成整數(shù)比時(shí)，它們就合成了較穩(wěn)定的圖形。,四、實(shí)驗(yàn)步驟,(一)、幅值判別法測(cè)量1、安裝儀器 把電動(dòng)接觸式激振器安裝在底座上，調(diào)節(jié)電動(dòng)接觸式激振器高度，讓接觸頭對(duì)簡(jiǎn)支梁產(chǎn)生一定的預(yù)壓力，使激振桿上的紅線與激振器端面平齊為宜。把激振器的信號(hào)輸入端用連線接到XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的功放輸出接口上。 把

10、帶磁座的加速度傳感器放在簡(jiǎn)支梁上，輸出信號(hào)接到XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的加速度傳感器輸入端，功能檔位撥到加速度檔的加速度。2、開(kāi)機(jī) 進(jìn)入XL3402C測(cè)試軟件的主界面，選擇單通道按鈕，進(jìn)入單通道示波狀態(tài)進(jìn)行波形示波。3、測(cè)量 打開(kāi)XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的電源開(kāi)關(guān)，調(diào)到功放輸出按鈕，注意不要過(guò)載，從0開(kāi)始調(diào)節(jié)頻率按鈕，當(dāng)簡(jiǎn)支梁產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)最大時(shí)，記錄當(dāng)前頻率。繼續(xù)增大頻率可得到

11、高階振動(dòng)頻率。,(二)、相位判別法測(cè)量1、將激勵(lì)信號(hào)源輸出端“信號(hào)波形監(jiān)視”，接入采集儀第一通道(X軸)，加速度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀后接入采集儀第二通道(Y軸)。加速度傳感器放在距離梁端1/3處。2、用XL3402C“雙通道”中的利薩如圖示波，調(diào)節(jié)激振器的頻率，觀察圖像的變化情況，分別用XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀加速度檔的a、v、d進(jìn)行測(cè)量，觀察圖像，根據(jù)共振時(shí)各物理量的判別法原理，來(lái)確定共振頻率。,五

12、、試驗(yàn)結(jié)果分析,實(shí)驗(yàn)二 單自由度系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的幅頻特性、固有頻率及阻尼比的測(cè)定,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)測(cè)量單自由度系統(tǒng)強(qiáng)迫振動(dòng)的幅頻特性曲線2.學(xué)會(huì)根據(jù)幅頻特性曲線確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比,二、實(shí)驗(yàn)儀器安裝示意圖,三、實(shí)驗(yàn)原理,其中,當(dāng)干擾力決定后，由力產(chǎn)生的靜態(tài)位移xst就可隨之決定，而強(qiáng)迫振動(dòng)的動(dòng)態(tài)位移與頻率比u和阻尼比D有關(guān)，這種關(guān)系表現(xiàn)為幅頻特性。動(dòng)態(tài)振幅A靜態(tài)位移xst之比值稱為動(dòng)力系數(shù)，它由頻率比u和阻尼比所決定。把、

13、u、和D的關(guān)系作成曲線，稱為頻率響應(yīng)曲線，見(jiàn)下圖。,四、實(shí)驗(yàn)步驟1、儀器安裝 參考儀器安裝示意圖安裝好儀器。質(zhì)量塊可到2.5kg，上下都可以放，由于速度傳感器不能倒置，只能把質(zhì)量塊放在梁的下面，傳感器安裝在簡(jiǎn)支梁的中部。2、開(kāi)機(jī)進(jìn)入XL3402C測(cè)試軟件的主界面，選擇“單通道”或“多通道”按鈕。進(jìn)入示波狀態(tài)進(jìn)行示波。3、把XL3419A型振動(dòng)教學(xué)試驗(yàn)儀的頻率按鈕用手動(dòng)搜索一下梁當(dāng)前的共振頻率，不要讓共振時(shí)的信號(hào)過(guò)