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?yàn)椴牧狭W(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(jì)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(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

2 激勵信號的沖擊反映分析

2.1 自由振動沖擊計(jì)算

實(shí)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(gè)共同點(diǎn)，就是時(shí)間突然且短少，力量較為集中。

系統(tǒng)運(yùn)動時(shí)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(shí)間內(nèi)收到的沖擊作用力為f(t)，那么沖擊力的計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)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(jì)算的過程中會與實(shí)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(jì)算接近真實(shí)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(shí)際操作，更具有實(shí)際意義的數(shù)據(jù)模型，不斷提高精準(zhǔn)度，從而滿足實(shí)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(shí)還能夠?yàn)椴牧狭W(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。