工程力学专业能力强化训练科目大纲.docx
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工程力学专业能力强化训练科目大纲
工程力学专业能力强化训练大纲
一、时间
一周,从2010年6月20日------6月26日
二、指导教师
黎明发、王应军
三、分组情况
两个班级按6个人一组,共11组
四、要求
在进行课题之前,要求每个学生根据教师提供的大纲,阅读相关技术资料和文献,熟悉相关仪器设备的操作说明,了解相关课题的研究进展,小组成员之间密切配合,提出整个解决方案从实验方案、试验步骤、数据记录等。
待训练完成后,每个学生独立完成学习报告。
大致内容包括如下:
1.能力训练题目,包括子题目
2.完成人
3.同组人员
4.要求
5.理论原理陈述
6.实验过程、步骤、结论
7.有关理论分析与实验的对比
8.实验过程中技术资料,包括照片、图形、图像等
9.参考文献
五、训练题目
(一)
简支梁实验系统
简支梁是一种常用的结构,它一端为固定铰链,另一端为可动铰链的构件,梁上承受载荷,工程问题中众多结构件可以简化为此模型。
因此,选择简支梁作为能力拓展训练的内容之一,要求同学们利用材料力学理论和实验的知识,认真思考,激发灵感,解决如下问题。
图1简支梁结构
简支梁结构如图所示,已知梁的长度l、面板的厚度h和宽度b、支撑圆杆的长度l0和直径d,选用NO.10工字钢作为主承载梁,面板、工字钢和支撑圆杆的弹性常数为E、μ。
1、静态重量测量
在梁长度方向的纵向对称面内的面板上任意位置作用一集中力F,通过实验手段测量集中力的大小和作用位置。
2、运动物体重量测量
用图示简支梁模型方式将此梁安装到水泥地面上,简支梁面板和水泥地面在同一水平面内,当你踩上双轮滑板车,固定滑动姿态,除轮子滚动外,人和车架简化为刚体,以一定的速度从简支梁长度方向的纵向对称面的面板上通过,用实验的方法确定人和滑板车的重量。
任务
1、写出测量原理、测量方法以及选用的仪器设备。
2、字数不限。
简支梁结构仰视图
N图2简支梁结构仰视图
b=500mm,L=2750mm,L0=400mm,h=10mm,d=30mm,E=210GPa,u=0.3
(二)振动方法测试玻璃钢管道的管刚度
玻璃钢管道广泛应用在工程领域中,它的管刚度是非常重要的技术参数,在实际测试中,要精确的测定它是非常费时费力的。
应用振动方法是一个简易快捷的形式。
玻璃钢是一种复合材料,各种异性特性明显。
要求同学们熟悉相关领域。
图3玻璃钢管道
玻璃钢管道的管刚度定义:
其中:
-----管的厚度
----管道的平均外径
-----环向弹性模量
(三)斜拉桥索力测试
图4单塔斜拉桥
索力测试原理:
在不考虑斜拉索垂度,且弯曲变形不大的情况下,假设在静力平衡状态下拉索的形状可用抛物线表示]:
(1)
式中,
为拉索两锚固端点之间的索长,
为拉索的垂度。
拉索的固有振动方程为:
(2)
式中,
为索上各点在t时刻的振动位移,
为拉索的抗弯刚度,T为拉索OP方向的索力,
为由振动产生的索力增量,
为拉索的单位长度的质量。
把式
(1)代入式
(2)得:
(3)
通过变量分离得到通解为:
(4)
式中,
,
其中,
,
1边界条件不同的索力计算方程
(1)两端铰结拉索的固有振动
固有频率振动方程为:
(5)
拉索的索力为:
(6)
式中,
为拉索第n阶固有振动频率。
(2)两端固结拉索的固有振动
频率方程为:
(7)
此时方程为一超越方程,无法得到固有频率振动方程,可得出拉索索力与其二阶固有频率之间的近似关系为:
(8)
式中,
,需反复迭代才能求出索力值,不实用。
(3)固端刚性拉索索力估算
对于拉索索力不大或索长较短或采用高强钢筋制作的拉索振动,可视为刚性拉索,需考虑EI对振动特性的影响,由Ritz法原理可以推导出拉索索力与实测频率值之间的关系式,分别为:
当采用一阶固有频率实测值时,有:
(9)
当采用二阶固有频率实测值时,有:
(四)斜拉桥动力特性测试
近年来,大跨度桥梁的安全性、耐久性与正常使用日渐得到关注,促使桥梁健康监测系统和智能控制技术迅速发展,并且日益成为国内外桥梁学术界和工程界的研究热点。
桥梁在长期的使用过程中,不仅遭受地震、风暴、环境腐蚀等自然灾害的侵袭,而且由于使用、维护不当、车祸事故、交通量猛增等人为原因的破坏,很容易产生各种结构损伤,降低桥梁的承载能力,加剧桥梁的自然老化,甚至影响运营安全。
因此,对不同类型的桥梁进行整体实时监控,建立桥梁健康监测系统,实现智能化评估就显得尤为重要。
通过对桥梁动态特性的测试,检测损伤造成的结构参数变化,可以做到早期发现桥梁病害,大大节约了桥梁的维修、养护费用,而且避免了最终因频繁大修,必须关闭交通所引起的重大经济损失,且防止了桥梁倒塌等重大安全事故的发生。
实验模态分析是通过实验及数据处理来识别实际结构的动力学模型。
早期的模态实验采用实验室设备,测得的数据通过手动计算分析。
随着计算机和数字信号处理算法的出现,如快速傅立叶变换(FFT),先前的测试方法被数字模态实验分析技术所取代,成为近30多年来结构动力特性研究的一个重要发展。
实验模态分析方法与计算模态分析方法一起,相辅相成,成为解决现代复杂结构动态特性设计的重要手段。
应用模态分析方法,人们有可能把复杂的试验结构简化成所谓模态模型,来进行系统的响应计算,从而大大地简化系统的数学运算。
课题以武汉理工一桥为研究对象,采用环境激励的方法测试出桥梁的固有特性。
4.1理工一桥的环境振动测试
4.1.1测试方案设计
本次测量系统由哈尔滨国家地震局工程力学研究所的891型拾振器、放大器、武汉优泰软件有限公司的UTAD3200动态信号采集分析仪和微机组成。
891型拾振器可根据需要,获取被测点的加速度、速度及位移参数。
为了保证振动信号不失真,结合理工一桥的特点,以大速度参量作为测量信号。
为了获得桥梁结构的完整振型,需要多布置一些测点,但是由于传感器、信号放大器的数量以及信号采集仪通道数的不足,不能同时记录所有测点上的振动信号。
这时,要保证测得的各组振动信号之间具有可比性,我们选取其中一个测点作为参考测点,每一组分别测量时都要包含参考测点。
参考测点的位置应避开所有感兴趣振型的节点,否则,无法识别出该阶振型及其对应的模态参数。
现场测试如图3-2所示。
由于测得比较平滑的振型曲线,在理工一桥的桥面上共布置测点49个,根据有限元模型的初步计算结果,设定30号测点为参考测点,通过多次移动传感器位置得到全桥的振动响应。
受测试条件限制,只对桥面上的测点进行测量,而没有测量主塔上的6个测点。
在U型弧的两端,即与梯台固定处,相对于主跨来说,振动较小,我们省去测量16、17、19、20、22、23、25、26这八个对称测点的振动情况,因此,全桥实际测点共35个测点,其布置如图3-3所示。
为了满足视觉效果,将塔简化为一矩形,斜拉索由原来的8根,增加为两边对称结构,由于拉索上没有测点,且塔上的测点施加了约束,因此这样简化,不会影响桥面的自振特性。
测量时,每两个传感器为一组测量竖向速度,共用一个参考测点,每个传感器为一个通道,每个通道的采样频率为51.2Hz。
为了防止混淆,在进入采样之前对模拟信号进行了放大和低通滤波,低通滤波器的滤波频率为20Hz,考虑到滤波器的性能,采样频率比山农采样定律规定的最低两倍滤波频率要略高,每次采样时间为160s,FFT块大小为1024,共8块,分8次平均,数据用Hanning窗加以平滑。
4.2测试中应注意的问题
对桥梁这样的大型工程结构进行测试时,需要耗费大量的人力和物力,如果能够对测试过程中可能出现的许多细节问题,提前作周密考虑的话,不仅能很好的保证测量信号的准确性,而且会达到事半功倍的效果。
应该注意的问题如下:
1、根据测试目的确定传感器频响、前置放大器频响、采集器测试频率范围。
由于实际振动问题千差万别,选用传感器时,要考虑电荷灵敏度、适用频率范围、动态范围和质量大小等性能参数是否符合测试要求。
比如桥梁的振动信号具有超低频,大幅值的特点,这时要求传感器具有较高的电荷灵敏度,有利于提高信噪比,相应传感器的质量就大一些,使用频率上限也必定低一些。
2、传感器的安装。
传感器的底座总是以有限的刚度安装在测量对象上,不能保证两者的一体振动,影响可测得频响范围。
我们在进行桥梁测试时,以油泥作为耦合介质,将传感器与桥面耦合,不仅可以很好地感应桥梁的振动信号,而且使得传感器连续运行更稳定更可靠,大大减少了维护调试工作量。
3、工程单位和校正因子的确定。
由于传感器输出的是毫伏电压信号,经过工程单位设置后,使得测得的时域信号与实际的测量参量相符。
校正因子是根据每个传感器的不同灵敏度来设定的,可对测量结果进行修正,使得读出的数据单位为所选的工程单位。
如果校正因子设置不当,会直接影响测试结果。
4、示波。
在采集记录数据前,需要先进行示波,检测仪器和传感器是否正常,以及参数选择是否合适。
这一点非常重要,可以直接避免试验设置的错误,不至于前功尽弃。
5、放大倍数的调整。
测试过程中,经常会遇到测试的振动信号微弱,影响了精度。
这时应适当调整外部放大器和内部程控放大器的倍数,直至波形在屏幕显示中既适中清晰又不超限,才能开始记录,这样就充分利用了采集器的动态范围。
6、时间窗。
信号的采集是在一定的时间间隔内进行的,这就等于加窗函数将信号数据截断,从而使得时间窗的起点和终点连接处不连续,出现频谱泄漏效应,因此,必须加以抑制。
有效的办法是用窗函数乘以适当的加权函数,使有限长度的输入信号周期延拓后在边界上尽量减少不连续的程度。
7、抗混滤波。
在进行动态信号测试中测量仪器必须具有抗混滤波功能,例如:
在大型桥梁、高楼、机械设备等动态应变、振动测试及模态分析中,信号所包含的频率成份理论上是无穷的。
但我们一般只关心对振动贡献最大的前几阶模态。
如果不对振动的模拟信号进行低通抗混滤波,高阶模态频率很可能会混叠到低频段,形成虚假的模态频率,给模态参数识别带来困难。
4.3环境振动测试结果分析
环境激励下,通过布置在桥上的拾振器,测得该桥的脉动速度时程曲线如图3-4所示,考虑各测点相位的相关性,对脉动速度时程曲线进行FFT变换,得到其自功率谱。
谱曲线的峰值对应于主梁的固有频率,阻尼比由半功率带宽法获得。
(a)参考测点30
(b)移动测点31
(c)移动测点32
图6环境振动测试的速度时程曲线
(a)参考测点30
(b)移动测点31
(c)移动测点32
图7环境振动测试的功率谱分析
表1理工一桥实测自振特性与理论计算比较表
实测阶次
计算阶次
实测值
计算值
固有频率
/Hz
阻尼比/%
振型
固有频率/Hz
振型
1
2
2.00
0.750
竖弯
2.371
弯曲+横向移动
2
3
2.80
4.107
扭转
2.821
竖弯+纵向移动
3
4
3.75
0.400
竖弯
3.407
竖向弯曲
4
5
4.85
1.134
扭转
5.002
侧弯
5
6
5.80
0.345
竖弯
6.127
竖弯
6
7
7.75
0.258
扭转
7.902
扭转+纵向移动
7
8
8.60
0.291
扭转
8.369
扭转
8
9
9.85
0.457
扭转
10.562
扭转
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