機械系統(tǒng)動力學(xué)實驗

1、機械系統(tǒng)動力學(xué)實驗,指導(dǎo)教師：解明利 2009年9月,CDIO實驗系列,從廣義上說振動是指描述系統(tǒng)狀態(tài)的參量（如位移、電壓）在其基準值上下交替變化的過程。狹義的指機械振動，即力學(xué)系統(tǒng)中的振動。電磁振動習慣上稱為振蕩。 按系統(tǒng)運動自由度分，有單自由度系統(tǒng)振動（如鐘擺的振動）和多自由度系統(tǒng)振動。有限多自由度系統(tǒng)與離散系統(tǒng)相

2、對應(yīng)，其振動由常微分方程描述；無限多自由度系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)（如桿、梁、板、殼等）相對應(yīng)，其振動由偏微分方程描述。,,振動是自然界和工程界常見的現(xiàn)象。振動的消極方面是：影響儀器設(shè)備功能，降低機械設(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；振動的積極方面是：有許多需利用振動的設(shè)備和工藝（如振動傳輸、振動研磨、振動沉樁等）。振動分析的基本任務(wù)是討論系統(tǒng)的激勵（即輸入，指系統(tǒng)的外來擾動，又稱干擾）、響應(yīng)（即輸出，指系統(tǒng)受激勵后的反應(yīng)）和系

3、統(tǒng)動態(tài)特性（或物理參數(shù)）三者之間的關(guān)系。20世紀60年代以后，計算機和振動測試技術(shù)的重大進展，為綜合利用分析、實驗和計算方法解決振動問題開拓了廣闊的前景。,隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械結(jié)構(gòu)的輕型化和高速化，大型的工程振動問題不斷出現(xiàn)，如在鐵路橋梁、機車車輛、汽車、飛機、船舶工業(yè)和各種機械設(shè)備、儀器設(shè)計和制造、土木工程、爆破、采礦、抗震、抗爆等部門，振動和結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性研究越來越受到重視。振動工程是一門交叉技術(shù)學(xué)科，包括振動、沖擊、噪聲、

4、波動和各種動態(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)界提出的動力學(xué)問題。航空航天、船舶、鐵道、機械、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)展都與振動工程學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)。,,本實驗采用XL3419型振動測試與控制學(xué)生實驗系統(tǒng)進行振動的相關(guān)測試 。XL3419型振動與控制教學(xué)系統(tǒng)可以通過實驗直觀地反映振動測試

5、的基本概念， XL3419振動教學(xué)測試系統(tǒng)將力學(xué)實驗裝置、傳感模塊、信號調(diào)理模塊、信號采集模塊、信號分析處理模塊等有機地整合在一起，能做多種有關(guān)振動測試方面的實驗，包括振動基本參數(shù)頻率、振幅的測試；基本物理量位移、速度、加速度的測試；單自由度、兩自由度、多自由度系統(tǒng)模型的建立和測試；簡支、懸臂梁、固支梁的模態(tài)振型分析 。,實驗一振動系統(tǒng)固有頻率的測試,一、實驗?zāi)康?. 學(xué)習振動系統(tǒng)固有頻率的測試方法2. 學(xué)習共振動法測試振動固有頻率

6、的原理與方法(幅值判別法和相位判別法),二、實驗儀器安裝示意圖,JZ-1型電動式激振器1. 技術(shù)指標：激振動頻率范圍：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驗臺基座上，把激振動器安裝在支架上，并保證激振器頂桿對簡支梁有一定的預(yù)壓力(不要超過激振桿上的紅色標識)，用專用連接線連接激振動器和XL3419A型振動教學(xué)實驗放大儀的功放輸出接口。,三、實驗原理,對于

7、振動系統(tǒng)，經(jīng)常要測定其固有頻率，最常用的方法就是用簡諧力激振，引起系統(tǒng)共振，從而找到系統(tǒng)的各階固有頻率。1. 簡諧力激振 由簡諧力作用下的強迫振動系統(tǒng)，其運動方程為：方程式的解由兩部分組成：,測量方法一：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，通過示波器我們可以觀察到在某一頻率下，任一振動量（位移、速度、加速度）幅值迅速增加，這就是機械振動系統(tǒng)的某階固有頻率，這種方法簡單易行，但是阻尼較大時，不同

8、類型振動量對振幅變化敏感度不一樣，這樣往往測量不夠精確。,測量方法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前后相位變化規(guī)律所提出來的一種共振判別法。在簡諧力激振的情況下，用相位法來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，我們在大學(xué)物理中已經(jīng)學(xué)過，就是把兩個空間位置互相垂直的傳感器測得的信號，一個作為X軸，一個作為Y軸進行合成得

9、到的圖形?；ハ啻怪?，不同頻率的振動合成，顯示出復(fù)雜的圖形，一般情況下，圖形是不穩(wěn)定的，當兩個振動頻率成整數(shù)比時，它們就合成了較穩(wěn)定的圖形。,四、實驗步驟,(一)、幅值判別法測量1、安裝儀器 把電動接觸式激振器安裝在底座上，調(diào)節(jié)電動接觸式激振器高度，讓接觸頭對簡支梁產(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。把激振器的信號輸入端用連線接到XL3419A型振動教學(xué)試驗儀的功放輸出接口上。 把

10、帶磁座的加速度傳感器放在簡支梁上，輸出信號接到XL3419A型振動教學(xué)試驗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、開機 進入XL3402C測試軟件的主界面，選擇單通道按鈕，進入單通道示波狀態(tài)進行波形示波。3、測量 打開XL3419A型振動教學(xué)試驗儀的電源開關(guān)，調(diào)到功放輸出按鈕，注意不要過載，從0開始調(diào)節(jié)頻率按鈕，當簡支梁產(chǎn)生振動，振動最大時，記錄當前頻率。繼續(xù)增大頻率可得到

11、高階振動頻率。,(二)、相位判別法測量1、將激勵信號源輸出端“信號波形監(jiān)視”，接入采集儀第一通道(X軸)，加速度傳感器輸出信號經(jīng)XL3419A型振動教學(xué)試驗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型振動教學(xué)試驗儀加速度檔的a、v、d進行測量，觀察圖像，根據(jù)共振時各物理量的判別法原理，來確定共振頻率。,五

12、、試驗結(jié)果分析,實驗二 單自由度系統(tǒng)強迫振動的幅頻特性、固有頻率及阻尼比的測定,一、實驗?zāi)康?.學(xué)會測量單自由度系統(tǒng)強迫振動的幅頻特性曲線2.學(xué)會根據(jù)幅頻特性曲線確定系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比,二、實驗儀器安裝示意圖,三、實驗原理,其中,當干擾力決定后，由力產(chǎn)生的靜態(tài)位移xst就可隨之決定，而強迫振動的動態(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。動態(tài)振幅A靜態(tài)位移xst之比值稱為動力系數(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，見下圖。,四、實驗步驟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，傳感器安裝在簡支梁的中部。2、開機進入XL3402C測試軟件的主界面，選擇“單通道”或“多通道”按鈕。進入示波狀態(tài)進行示波。3、把XL3419A型振動教學(xué)試驗儀的頻率按鈕用手動搜索一下梁當前的共振頻率，不要讓共振時的信號過