研究結(jié)構(gòu)自由振動的測試方法

蒲 育

（蘭州工業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,蘭州 730050）

研究結(jié)構(gòu)自由振動的測試方法

蒲 育

（蘭州工業(yè)學(xué)院土木工程學(xué)院,蘭州 730050）

具有運(yùn)動特征的結(jié)構(gòu)自由振動是機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分，結(jié)構(gòu)自由運(yùn)動的振動特性不僅對幾機(jī)電的工作性能有決定性作用，還能夠為材料力學(xué)的穩(wěn)定性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文主要介紹了機(jī)械結(jié)構(gòu)自由振動的測試方法以及激勵信號的沖擊反映，并進(jìn)一步針對測量中的誤差現(xiàn)象進(jìn)行分析。

結(jié)構(gòu)自由振動；機(jī)電系統(tǒng)；基礎(chǔ)；測量

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)自由振動的測試方法

從宏觀的角度來看，許多的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及特性都需要進(jìn)行相關(guān)的測試。對機(jī)械的自由振動測試普遍使用的方法是給機(jī)械結(jié)構(gòu)賦予一定的刺激形式，比較常用的是正弦掃描激勵、沖擊激勵。按照它的響應(yīng)進(jìn)行測定，獲得振動特征以及數(shù)據(jù)參數(shù)。機(jī)械制造業(yè)中，運(yùn)用于測試振動系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是自由衰減振動法。

圖1

圖1自由衰減方法應(yīng)用于汽輪機(jī)測試振動頻率中，汽輪的機(jī)葉片由特定的夾具來固定，機(jī)葉片的上方一般都有微型轉(zhuǎn)速傳感器。自由振動由手錘敲擊的葉片來刺激出來，振動響應(yīng)則是通過速度傳感器和信號采集放大器共通轉(zhuǎn)生成信號，傳入到計算機(jī)中去，做出記錄和數(shù)據(jù)的整理。

本文主要運(yùn)用的方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)自由振動特性的衰減測試方法進(jìn)行的，工作原理參照宏觀機(jī)械振動測量方法，在具體的操作過程中，會對傳統(tǒng)的方式方法有所改進(jìn)，并具體地做試探性分析研究，結(jié)構(gòu)自由振動的特性測量要結(jié)合準(zhǔn)確、快速特點來實現(xiàn)。

2 激勵信號的沖擊反映分析

2.1 自由振動沖擊計算

實際上屬于信號沖擊的響應(yīng)方式，這是一種能量傳遞的過程和反映形式。日常的生活中，爆炸、敲擊或是碰撞都會發(fā)生沖擊，沖擊現(xiàn)象的復(fù)雜性導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地給予它某種定義，但是沖擊現(xiàn)象有一個共同點，就是時間突然且短少，力量較為集中。

系統(tǒng)運(yùn)動時所產(chǎn)生的沖擊力的運(yùn)動和力為沖擊激勵，根據(jù)此沖擊系統(tǒng)不斷調(diào)整變化運(yùn)動的沖擊相應(yīng)，在短時間內(nèi)收到的沖擊作用力為f(t)，那么沖擊力的計算公式可以為：

顯而易見，沖擊的響應(yīng)程度是取決于沖擊激勵函數(shù)的形式的，但最終還是參考系統(tǒng)本身的特征和性能。

激勵振動作用的大小要根據(jù)一般的具體形勢來確定，有的希望響應(yīng)程度和信號都有所提高，所以從信噪入手，但在這個過程中要注意對設(shè)備的保護(hù)，避免損壞使用件。

動壓電陶瓷所形成的接近線性的變形，會導(dǎo)致待測的微結(jié)構(gòu)反映出穩(wěn)定的自由衰減震動。

2.2 壓電陶瓷的振動特性

壓電陶瓷材料主要是各種鋯鈦酸鉛陶瓷，該材料是用來產(chǎn)生高分辨力位移的理想材料。理想情況下，位移與所施加的場強(qiáng)成正比，實際應(yīng)用中，壓電陶瓷將表現(xiàn)出遲滯、非線性和蠕變等現(xiàn)象，影響輸出的位移。

溫度變化會對壓電陶瓷的位移輸出產(chǎn)生影響，而且情況較為復(fù)雜，如果通過恒溫的條件來消除這種影響，系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將受到限制。另外壓電陶瓷在位移過程中所受負(fù)載發(fā)生變化時，也對其位移輸出的精度產(chǎn)生影響。為了減少壓電陶瓷特性造成的誤差，目前主要的方法還是對壓電陶瓷位移的誤差進(jìn)行軟件的補(bǔ)償。本文將壓電陶瓷的變形作為對微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生衰減振動的從實驗的角度出發(fā)，并不需要壓電陶瓷的位移輸出達(dá)到很高的精度，但是要求壓電陶瓷能夠?qū)π盘柊l(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號迅速響應(yīng)，并盡可能在壓電陶瓷的線性區(qū)激發(fā)微結(jié)構(gòu)的振動。

綜合沖擊激勵信號的理論分析和壓電陶瓷的響應(yīng)特性，選擇斜波作為沖擊激勵信號能最大程度滿足自由衰減振動試驗的要求。

3 理論誤差分析

針對很多常用的數(shù)據(jù)模型來說，推到公式都只是近似或等效的，所以不可避免會有一些誤差的產(chǎn)生。質(zhì)量——彈性——阻尼的系統(tǒng)公式同樣也有這種問題，主要來說誤差的存在體現(xiàn)在幾個方面。

3.1 考慮不周全

結(jié)構(gòu)自由振動測試所研究出的振動效果效果具有單自由度的特性，考慮范圍可以使測試的豎直面內(nèi)振動，一旦出現(xiàn)了需要被測量的物件同時存在Z方向的離面振動與X、Y方向的平面振動，理論上的模型就難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的對應(yīng)，必然會產(chǎn)生誤差。被測量的物件在自由振動上即使以Z為方向，從上往下運(yùn)動為主，但是其他方向也有振動存在，是不能忽視的。

3.2 考慮綜合性

結(jié)構(gòu)自由振動計算的方程式運(yùn)用在測量的過程，需要把測試品作為單一的黏性阻尼進(jìn)行綜合性研究，在實際操作中，振動系統(tǒng)的阻尼并不會單一單方面的存在，而是會有性質(zhì)不一的阻尼在同一時間作用，有粘性阻尼，還有平方阻尼，結(jié)構(gòu)阻尼和干摩擦阻尼。其他性質(zhì)的阻尼，振動系統(tǒng)呈線性相關(guān)，在方程的求解上會存在一定的困難，解決這一問題的最佳途徑就是通過阻尼的簡化，將同時作用的不同性質(zhì)阻尼簡化成黏性阻尼且具有等效作用。不過在計算的過程中，為了避免誤差，還會出現(xiàn)更多復(fù)雜的情況，所以實行理論的推到過程需要把各種測試中的阻尼綜合起來研究，并加入黏性阻尼系統(tǒng)進(jìn)行考慮。這就導(dǎo)致計算的過程中會與實際出現(xiàn)一定的誤差。

上面的部分就是利用理論分析來介紹的誤差，目前的力學(xué)理論與等效作用中，只能采用這種方式來計算接近真實振動的情況。所以這就要求我們需要不斷完善工作中的理論研究，不斷開發(fā)出更適合實際操作，更具有實際意義的數(shù)據(jù)模型，不斷提高精準(zhǔn)度，從而滿足實際應(yīng)用需求。

4 結(jié)語

具有運(yùn)動特征的結(jié)構(gòu)自由運(yùn)動在科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐步推入產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自由運(yùn)動的振動特性不僅對產(chǎn)品的工作性能有決定性作用，同時還能夠為材料力學(xué)的穩(wěn)定性測試提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1]吳一輝.微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)專題文章導(dǎo)讀[J].光學(xué)精密工程，2005(13).

[2]洪昕.遠(yuǎn)距離固體散射體面內(nèi)位移激光多普勒測量技術(shù)的研究[D].天津大學(xué)，1999.

蒲育（1984—），男，甘肅天水人，碩士研究生，助教，研究方向：新型材料的力學(xué)行為。