工程結構減振教學實驗的創(chuàng)新實踐

顏喜林

摘要:針對當前傳統(tǒng)教學實驗的不足,把原有的實驗系統(tǒng)開發(fā)成新的適合學生動手操作的設計型、創(chuàng)新型教學實驗。該項教學實驗開拓了學生的學術眼界,收到顯著教學效果。

關鍵詞:實驗裝置減振實驗教學改革

中圖分類號:G482 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0199-01

工程結構減振實驗是一門實踐性很強的專業(yè)技術課程。課程任務是通過理論和實驗的教學環(huán)節(jié),使學生掌握結構試驗、檢測鑒定等方面的基本知識和基本技能,并能根據工程設計、施工和科學研究任務的需要,完成一般結構的試驗設計與試驗規(guī)劃,并通過一系列實驗活動得到一定的實踐訓練。

隨著科學技術的進步和城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展,新型實驗設備與自控技術的不斷發(fā)展,新型減振材料與技術的不斷推新,該課程的內容也在不斷擴充和更新。該創(chuàng)新實驗設置了多項可操作性、創(chuàng)新性和開放性的實驗內容,以學生自主設計實驗、自主完成實驗、自主管理實驗為主要實驗手段,教師只對學生參與的實驗工作內容做規(guī)劃,指導學生對項目的實施目標、實施方案、預期效果進行詳細的設計,在調查研究、分析論證、實驗檢驗、數據分析等方面引導學生進行獨立思考和鉆研探索;注重學生對實驗的自主駕馭過程,著重培養(yǎng)學生在實驗過程中的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實踐能力。

1創(chuàng)新實驗的設計

1.1 指導原則

工程結構減振實驗的教學任務是通過理論和實驗的教學環(huán)節(jié),使學生熟悉地下工程與高架的振動的原因機理及減振措施,掌握結構動力特性振動實驗的基本方法和程序,同時具備熟練使用LMS振動噪聲分析系統(tǒng)的進行模態(tài)分析的能力,準確判斷結構動力特性,從而可以設計新型減振結構,并動手完成減振結構模型;通過設計實驗方案加以驗證。并能根據試驗結果對結構做出正確分析與判斷,提高學生的創(chuàng)新意識及動手能力,為學生從事地下工程監(jiān)護、高架與軌道養(yǎng)護維修工作打下基礎。

1.2 創(chuàng)新實驗的來源

聯系軌道交通地鐵運行現狀,地鐵振動主要是由輪軌作用脈動力引起。脈動力與枕木固有頻率、鋼軌剛度、道碴剛度等參數有關,鋼軌剛性越大,脈動力變化越小。減輕地鐵振動危害的最直接和有效的辦法就是減輕振源的振動,而軌道的振動是引起周圍環(huán)境振動的振源。鋼軌扣件是阻尼彈簧結合的軌道減振系統(tǒng),吸收并耗散振動能量;具有較好的減振降噪效果。

對于地鐵沿線的建筑物,減振措施主要有隔振和避免共振兩個措施。隔振就是把建筑物與振源隔離開,阻止振動波向建筑物輸入。通過改變建筑物的自振頻率,避開與地鐵誘發(fā)的環(huán)境振動共振的頻率,可以減輕地鐵沿線建筑物的振動。由于結構的自振頻率與質量和剛度的分布密切相關,所以通過調整建筑物的質量分布或局部構件的剛度大小就可以改變結構的自振頻率。

1.3 創(chuàng)新實驗方案

既然振動的振源取決于材料剛度與阻尼器,避振也是要改變材料質量和構件的剛度,而隔振就是與振源隔離開。所以,創(chuàng)新實驗中學生根據自己的設想設計成不同形式的結構模型,通過調節(jié)材料剛度質量、支座約束、激振方式、阻尼傳導等實現結構的減振效果。減振實驗的具體調節(jié)方法如以下幾點。

(1)調節(jié)支座約束:采用懸臂梁與簡支梁等約束。(2)調節(jié)激振方式:采用錘與激振器等激勵。(3)調節(jié)材料剛度質量:采用不同材料剛度和帶附加質量。(4)改變阻尼:采用阻尼支座與帶傳導阻尼等。

2創(chuàng)新實驗的過程

2.1 實驗系統(tǒng)的組成

結構減振教學系統(tǒng)由錘、激振器、振動臺、8通道的SCAD數據采集器及LMS Test lab振動分析系統(tǒng)組成。為了方便改變結構特性,最簡單的方式就是通過改變振動臺上梁的支座約束方式;同時為了在模型上能進行振動控制實驗研究,振動臺上梁可以換成不同材料規(guī)格尺寸;為了實現不同減振方案,振動臺上設計成裝卸方便,并注意梁和臺架的連接,保證振動臺與梁形成一個整體。

2.2 激勵方式

本實驗系統(tǒng)除了帶力傳感器的錘激勵方式外,還增設了帶力傳感器的激振器,可控制激勵大小,并模擬地震的激勵方式。通過LMS Test lab振動分析系統(tǒng)控制的激振器運動,從而達到控制振動臺上的梁振動。

2.3 實驗過程

(1)振動測量的儀器連接,梁上加速度傳感器與錘或上力傳感器與SCAD數據采集器相連,數據采集器再與帶LMS振動噪聲分析系統(tǒng)的計算機相連接。檢查各儀器之間連線無誤后,再開啟電源。為帶阻尼支座的減振試驗。(2)打開帶LMS振動噪聲分析系統(tǒng)的計算機。(3)設定SCAD數據采集器的采樣通道、采樣頻率和采樣時間,準備采集振動信號。(4)用一個錘子或激振器沿鉛直方向敲擊被測振動系統(tǒng)的適當部位,激起彎曲振動,記錄下三個加速度計的自由振動信號。(5)對記錄下的三個自由振動信號進行頻譜分析,根據頻譜分析結果的頻率、幅值和相位信息確定系統(tǒng)的三個固有頻率和主振型。

2.4 測試手段

在振動臺上梁試件上安裝加速度傳感器,通過測試梁的加速度反應,可以得出結構動力特性(包括固有頻率及主振型測量)。測試系統(tǒng)采用比利時的LMS Test lab振動分析系統(tǒng)。

3創(chuàng)新實驗效果

3.1 實驗數據的比較分析

學生通過做兩兩對照實驗,比較分析各種工況梁各階固有頻率及振動幅度的實驗數據;得出的結論是振動的影響因素有很多,而振動的源頭和約束對物體的振動頻率起著非常大的影響。其中振源就是一個最不能忽略的重要因素,而振源大小也受很多條件的支配,約束就是其中的一個支配條件,從振源到所監(jiān)測的點之間的約束越多振幅也就越小,對周圍環(huán)境和建筑物的影響就越小。

3.2 學生聯系地鐵的振動實際,得出可以采取的減振措施

(1)從支座角度考慮,在簡支梁上的激振實驗振動幅度較小,減振效果較好;地鐵高架橋設計成整體連續(xù)梁。(2)從約束角度來說,可以增加約束個數從而達到減振效果;在地鐵的鐵軌扣件要采用新型彈性扣件。(3)從傳播路徑角度而言,中間加約束可以達到減振效果。為了隔斷地鐵振動向建筑物的傳播,可以在軌道兩側或者建筑物周圍挖一定寬度和深度的隔振溝,可以達到隔離振動的目的。

總之,學生通過創(chuàng)新實驗獨立設計創(chuàng)新結構減振方案,開發(fā)出不同形式的結構模型,并通過實驗加以驗證,很好鍛煉了學生動手能力與創(chuàng)新思維,達到了創(chuàng)新實驗的教學目的。

參考文獻

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