一种用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置及其静载加载方法

摘要

本发明公开了一种用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置及其静载加载方法，属于结构动力学实验技术领域。本发明装置对测试对象四周利用夹具和基座实现其边界条件，利用强力弹力绳和质量轻且刚度高的材料制成的传力杆，将弹力绳的拉力转换为对被测结构件的压力。本静载加载方法现实可行，静载及其在振动过程中的误差可较精确地预测和测量，受热影响小，附加质量影响小，在振动环境中稳定性好，且对声场影响小。

说明书

技术领域

本发明属于结构动力学实验技术领域，涉及一种基本结构件动力学实验 装置及基于该装置的静载加载方法，具体涉及一种用于热、振动环境中基本 结构件动力学实验装置及基于该装置的静载加载方法

背景技术

工程结构的基本结构件，在热、静载、噪声/振动等共同作用下的动力学 响应是诸如机械、航空航天工程等领域所关注的问题。然而，其实验方法及 测试手段存在着技术难点，所施加的静载大小的确定、静载在噪声/机械激励 等动载荷作用下下的稳定性、静载加载装置所产生的附加质量、静载加载装 置对热环境的敏感性、静载加载装置对声场的干涉等问题严重影响着静载加 载效果及实验结果的精度。

因此，如何设计一种现实可行、稳定性好、实验结果准确性高，便于应 用于热、振动环境下基本结构件的静载加载方法对基本结构件的动力学实验 具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于热、振动环境中基本结构件动力学实验 装置及其静载加载方法，该实验装置适用于热、振动环境中，能够在噪声、 机械激励等振动环境中保持稳定，对被测件影响小，受热环境的影响小，对 声场的干涉小；静载加载方法稳定性好、实验结果准确性高，操作简单。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置，包括基座，在基 座两侧对称设有一组底座，底座上设有绞盘，两个绞盘之间固定有长度和角 度可调的弹力绳；在基座上设有热源，热源的两侧对称设有一组用于固定待 测结构件的夹具，在待测结构件上垂直设有传力杆，且传力杆设置于待测结 构件的中线与两个底座连线的中垂线上，所述弹力绳的中心紧绷于传力杆顶 端；在待测结构件上方设有激振器和/或声源，激振器通过振动杆与待测结构 件相连。

传力杆与待测结构件连接处设有力传感器。

所述的热源为石英灯。

传力杆所用材质为巴尔杉木。

一种用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置的静载加载方法， 包括以下步骤：

1)利用基座和夹具调整被测结构件的边界条件，将传力杆垂直于加载点 处，将弹力绳两端固定两个绞盘之间并通过绞盘绞动控制弹力绳伸长量，传 力杆所在直线的交点位于两个绞盘的连线中点；

2)调整热源加热位置、激振器激励点位置及声源位置；

3)根据实际实验中的具体要求，确定静载加载的三个相应系数Q、S和 R；通过选取适合的加载高度h、弹力绳拉力与伸长量之比k，求得相应系数 S；利用加载高度h和加载点处最大振幅Δh，求得相应系数Q；由相关系数 S和Q求得静载变化百分比e与相应系数R的关系，然后根据实验要求的静 载变化误差选取适合的R值；

4)根据相应系数Q、S和R确定两个绞盘之间弹力绳的自由长度l，然 后将两个绞盘固定于加载点两侧对称处，根据传力杆高度和加载高度h调整 绞盘高度，从而完成静载加载；

5)对静载加载进行检验，符合静载大小和稳定性要求后，将所选传力杆 粘于静载加载点处，将弹力绳拉起压在传力杆顶点上，进行实验。

步骤3)所述的根据实际实验中的具体要求，确定静载加载的三个相应 系数Q、S和R，具体是通过以下步骤确定：

步骤一：设定两个绞盘固定弹力绳的位置为A和B，A和B之间的距离 为a，传力杆所在直线与AB连线的交点为D，且D位于AB连线的中点处， 传力杆顶点为C；

假设加载时弹力绳伸长量为Δl，弹力绳拉力与伸长量之比为k，弹力绳 与两个底座连线形成的夹角为θ，加载高度为h，则静态时压力表达式为：

$F_{0}2\Delta \mathrm{lk}\sin \theta =\frac{2\mathrm{\Delta lkh}}{\sqrt{h^2+{(a/2)}^2}}=\frac{4\mathrm{\Delta lkh}}{\sqrt{{4h}^2+a^2}}---\left(1\right);$

则两绞盘间弹力绳的自由长度l表示为：

$l=\sqrt{{4h}^2+a^2}-\mathrm{\Delta l}---\left(2\right);$

步骤二：假设在振动过程中的任一时刻，传力杆顶点由C点运动到了C’ 点，位移为Δh，即弹力绳顶点高度变为h+Δh，由于本实验中为小挠度振动， 故弹力绳的拉力与伸长量之比仍然为k，弹力绳长度变化量表达为：

$\mathrm{\Delta l}=\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2}---\left(3\right);$

从而，板振动过程中任一时刻压力表达式变为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_v=2(\mathrm{\Delta l}+\Delta )k\sin (\theta +\mathrm{\Delta \theta })\\ =[\mathrm{\Delta l}+(\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2})]k\frac{2(h+\mathrm{\Delta h})}{\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}}\\ =\frac{4(\mathrm{\Delta l}+\sqrt{4{(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2})k(h+\mathrm{\Delta h})}{\sqrt{4{(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}}\end{array}\right)---\left(4\right);$

步骤三：假设Δh＝Qh，a＝Rh，其中Q、R、S为相应系 数，设计加载方案时只需调整相应系数即可，则有式(5)和式(6)：

F₀＝4Skh    (5)；

$F_v=\frac{4\mathrm{kh}[S\sqrt{4+R^2}+\sqrt{4{(1+Q)}^2+R^2}-\sqrt{4+R^2}](1+Q)}{\sqrt{4{(1+Q)}^2+R^2}}---\left(6\right);$

则振动过程中任一时刻静载变化百分比为：

$e=\frac{|F_v-F_0|}{F_0}\times 100\%---\left(7\right).$

步骤5)所述的加载静载进行检验是通过测力计和力传感器完成的，具 体操作是：

利用测力计将弹力绳从加载点处拉起至距两绞盘连线h处，得到所加静 载的真实大小，检验静载大小是否满足要求；

再选取一个传力杆，并在该传力杆底部粘贴一个力传感器，粘在加载点 处，将弹力绳压在该传力杆顶点，施加机械激励或声激励，通过力传感器监 测静载变化情况，检验静载的稳定性是否符合要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置由基座和夹具 提供待测结构件的边界条件，利用传力杆垂直立于加载点处，用于传递静载， 绞盘则固定于基座两端且其连线与传力杆所在直线的交点位于连线中点处以 防止由于不对称使传力杆顶端产生横向力，弹力绳的两端固定于绞盘并能够 通过绞盘的绞动而改变弹力绳的伸长量，通过传力杆最高点将其向下压，从 而将弹力绳的拉力转换为对被测结构件的静载力。同时，由于弹力绳与夹具 及基座无接触且传力杆不导热，本静载加载方案最大限度降低了静载加载装 置受热环境的影响。

本发明方法能够根据实验中所要求的静载值，加载点挠度最大值，要求 静载最大变化量和被测件实际尺寸来确定合适的弹力绳、S值、Q值和R值。 本发明的加载方法中弹力绳与被测件、夹具、基座均为非接触，而传力杆不 导热，故本加载方法基本不受被测件所处热环境的影响；同时，本静载加载 方法所占空间非常小，对声场影响非常小。因此，本静载加载方法在热环境 中基本结构件的静载、声/机械激励联合作用响应实验中效果非常好。

附图说明

图1为本发明的用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置结构示 意图；

图2为激励载荷下待测结构件振动时的静载变化分析图；

图3为实际静载大小的测量装置结构示意图；

图4为实际静载在振动环境中的稳定性测量装置结构示意图；

图5为本发明实施例的静载在振动环境中的变化百分比e随R(即两绞 盘距离a与两绞盘连线距传力杆顶端高度h之比)的变化情况曲线图。

其中，1为基座；2为夹具；3为热源；4为绞盘；5为弹力绳；6为传力 杆；7为待测结构件；8为激振器；9为声源；10为底座；11为振动杆；12 为力传感器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明 的解释而不是限定。

参见图1，本发明的用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置， 包括待测结构件7，基座1和夹具2，强力弹力绳5，传力杆6，绞盘4，热 源3。待测结构件属于机械、航天航空等装置的基元结构，如板、梁等，且 尺寸较小，以保证本发明的静载加载方法的适用性。

在基座1两侧对称设有一组底座10，底座10上设有绞盘4，两个绞盘4 之间固定有弹力绳5，弹力绳5的伸缩长度及角度由绞盘4控制(弹力绳可 以固定在绞盘中，通过绞盘的绞动收放弹力绳以调节弹力绳的伸长量，从而 改变静载大小，同时绞盘的转盘可固锁在需要的角度)；在基座1上设有热源 3，热源3为石英灯；在热源3的两侧对称设有一组用于固定待测结构件7 的夹具2，在待测结构件7上垂直设有传力杆6，且传力杆6设置于待测结构 件7的中线与两个底座10连线的中垂线上，所述弹力绳5的中心紧绷于传力 杆6顶端；在待测结构件7上方设有激振器8和/或声源9，激振器8通过振 动杆11与待测结构件7相连。

本发明的传力杆立于被测结构件静载加载点处，两个绞盘分别固定于基 座两端，弹力绳两端固定于两个绞盘处，并通过传力杆顶端，将传力杆向下 压，从而把弹力绳的拉力转换为垂直向下作用于被测结构件的静载。传力杆 要求密度尽可能的小，以降低对待测结构件的附加质量影响，刚度尽可能的 高，以增加静载的稳定性，同时不导热以消除热对弹力绳的影响，可选巴尔 杉木等材料。

本发明的弹力绳为强力弹力绳，要求刚度较小，即要求较大的拉伸变形 仅引起较小的拉力，以保证所提供拉力在板振动过程中的稳定性，同时强度 较高，以防静载较大时被拉断。

基于本发明提供的用于热、振动环境中基本结构件动力学实验装置对待 测结构件进行静载加载的方案如下：

被测件由基座与夹具提供边界条件，利用传力杆竖直立于加载点处，用 于传递静载，绞盘固定于基座两端且其连线与传力杆所在直线的交点位于连 线中点处以防止由于不对称使传力杆顶端产生横向力，弹力绳两端固定于绞 盘并通过绞盘绞动改变弹力绳伸长量，通过传力杆最高点将其向下压，从而 将弹力绳的拉力转换为对被测结构件的静载力。同时，由于弹力绳与夹具及 基座无接触且传力杆不导热，本静载加载方案最大限度降低了静载加载装置 受热环境的影响。

由上述可知，本加载方案在振动过程中的静载大小变化百分比可由下述 方法推测：

参见图2，A、B两点是弹力绳固定端，即两个绞盘位置，其距离为a， 传力杆所在直线与AB连线的交点D位于AB中点处，C点是传力杆顶点， 当板受机械激励或声激励产生振动时，传力杆也随着板振动，由于传力杆刚 度很大且弹力绳所施加压力相对较小，故可认为其在振动过程中不产生弹性 变形，即传力杆顶点与板的静载加载点处的位移一致。

假设加载时弹力绳伸长量为Δl，弹力绳拉力与伸长量之比为k，则静态 时压力表达式为：

$F_{0}2\Delta \mathrm{lk}\sin \theta =\frac{2\mathrm{\Delta lkh}}{\sqrt{h^2+{(a/2)}^2}}=\frac{4\mathrm{\Delta lkh}}{\sqrt{{4h}^2+a^2}}---\left(1\right);$

则两绞盘间弹力绳的自由长度l表示为：

$l=\sqrt{{4h}^2+a^2}-\mathrm{\Delta l}---\left(2\right);$

假设在振动过程中的任一时刻，传力杆顶点由C点运动到了C’点，位移 为Δh，即弹力绳顶点高度变为h+Δh，假设弹力绳劲度系数变化较为缓慢， 且本实验中为小挠度振动，故可认为弹力绳的拉力与伸长量之比仍为k，弹 力绳长度变化量表达式变为：

$\mathrm{\Delta l}=\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2}---\left(3\right);$

从而，板振动过程中任一时刻压力表达式变为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_v=2(\mathrm{\Delta l}+\Delta )k\sin (\theta +\mathrm{\Delta \theta })\\ =[\mathrm{\Delta l}+(\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2})]k\frac{2(h+\mathrm{\Delta h})}{\sqrt{{4(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}}\\ =\frac{4(\mathrm{\Delta l}+\sqrt{4{(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}-\sqrt{{4h}^2+a^2})k(h+\mathrm{\Delta h})}{\sqrt{4{(h+\mathrm{\Delta h})}^2+a^2}}\end{array}\right)---\left(4\right);$

由于本方法应用于小挠度振动，且弹力绳拉伸量相对较大，故在振动过 程中弹力绳始终处于拉伸状态，所以以加载点处振动挠度的最大值来判断静 载变化量即可。

假设Δh＝Qh，a＝Rh，其中Q、R、S为相应系数，设计 加载方案时只需调整相应系数即可，则有：

F₀＝4Skh    (5)；

$F_v=\frac{4\mathrm{kh}[S\sqrt{4+R^2}+\sqrt{4{(1+Q)}^2+R^2}-\sqrt{4+R^2}](1+Q)}{\sqrt{4{(1+Q)}^2+R^2}}---\left(6\right);$

则振动过程中任一时刻静载变化百分比为：

$e=\frac{|F_v-F_0|}{F_0}\times 100\%---\left(7\right).$

由式(5)和式(6)可见，当F₀和h一定时，Δl越大(即S越大或k 越小)，Δh相对h和a越小(即Q越小或R越大)，则F_v越趋近于F₀，静 载变化越小。

所以，在实际加载时，可以根据实验中所要求的静载值，加载点挠度最 大值，要求静载最大变化量和被测件实际尺寸来确定合适的弹力绳、S值、h 值和R值。

由于传力杆的质量非常轻，所以其对被测结构件的附加质量影响非常小； 而本加载方法中弹力绳与被测件、夹具、基座均为非接触，而传力杆不导热， 故本加载方法基本不受被测件所处热环境的影响；同时，本静载加载方法所 占空间非常小，对声场影响非常小。综上，本静载加载方法在热环境中基本 结构件的静载、声/机械激励联合作用响应实验中效果将会较好。

根据上述理论设计出的静载加载方案的实际效果可以通过拉力计和力传 感器进行检验，其中拉力计可以检验静载实际加载大小，力传感器可以检验 振动环境下静载的变化情况。

下面对具体的静载加载操作步骤进行详细说明：

1)利用基座和夹具调整被测结构件的边界条件，将传力杆垂直于加载点 处，将弹力绳两端固定两个绞盘之间并通过绞盘绞动控制弹力绳伸长量，传 力杆所在直线的交点位于两个绞盘的连线中点；

2)调整热源加热位置、激振器激励点位置及声源位置；

3)根据实际实验中的具体要求，确定静载加载的三个相应系数Q、S和 R；通过选取适合的加载高度h、弹力绳拉力与伸长量之比k，求得相应系数 S；利用加载高度h和加载点处最大振幅Δh，求得相应系数Q；由相关系数 S和Q求得静载变化百分比e与相应系数R的关系，然后根据实验要求的静 载变化误差选取适合的R值；

根据实验中所要求的静载大小、静载变化误差要求、加载点及加载点处 最大振幅、传力杆高度等信息，选取合适的加载高度h、弹力绳拉力与伸长 量之比k，带入式(5)确定S值，利用加载点处最大振幅Δh和h得到Q， 将S和Q带入式(6)和式(7)可以得到静载变化百分比e与R值的关系， 根据要求的静载变化误差选取合适的R值，从而确定了静载加载的各参数；

4)根据相应系数Q、S和R确定两个绞盘之间弹力绳的自由长度l(根 据得到的Δl值，以及由步骤0确定的a、h值，)然后将两个绞盘固定于加载 点两侧对称处，根据传力杆高度和加载高度h调整绞盘高度，从而完成静载 加载；

5)对静载加载进行检验，检验是否符合静载大小和稳定性要求：

如图3所示，利用拉力计将弹力绳从加载点处拉起至距两绞盘连线h处 (即实际加载高度)，得到所加静载真实大小，检验静载大小是否满足要求；

如图4所示，可以选取稍低的传力杆并在传力杆下面粘垫一个力传感器 12，粘在加载点处，将弹力绳压在传力杆顶点，施加机械激励或声激励，通 过力传感器监测静载变化情况，检验静载的稳定性是否符合要求。

6)经过检验，所加静载符合要求后，将所选传力杆粘于静载加载点处， 将弹力绳拉起压在传力杆顶点，从而将弹力绳的拉力转换为对被测板的压力。 进行实验。

下面通过具体的测试实施例对本发明的实际应用进行解释说明：

待测对象为一固支铝板，实验项目为热、静载、振动/噪声联合作用下板 的振动特性测试。被测结构板的尺寸为0.2×0.2m²，四周夹具宽0.05m，板 厚0.003m，静载加载在中点处，静载要求为96N，静载在振动中的变化要求 小于1％，加载点处的最大振动挠度为小挠度假设的极限，即板厚的1/5： 0.0006m。现有传力杆高度为0.1m。

选取h值为0.2m，k为400N/m，带入式(5)得：S＝0.3，又 Q＝0.0006/0.2＝0.003，将S和Q带入式(6)及式(7)，则可以得到静载变化误差 e随R的变化曲线如图5，由于传力杆高度为0.1m，板一边尺寸为板宽与夹 具宽之和为0.3m，即须R>0.3m/0.1m＝3。

参见图5，所示的是在实验要求的条件下，弹力绳及h确定时，静载变 化百分比e随R(两绞盘距离a与h之比)的变化趋势图。