基于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的振動測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計★

郭恩平 羅 云 周 基

(湖南科技學(xué)院，湖南 永州 425000)

·建筑業(yè)管理與政策研究·

基于結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的振動測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計★

郭恩平 羅 云 周 基

(湖南科技學(xué)院，湖南 永州 425000)

分析了實(shí)驗(yàn)手段在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中的重要性，說明了設(shè)計結(jié)構(gòu)力學(xué)振動測試實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到的目的，通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)力學(xué)振動測試實(shí)驗(yàn)，并與有限元分析結(jié)構(gòu)對比研究，進(jìn)一步理解結(jié)構(gòu)的動力特性，加深對結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識的理解。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)，振動測試，有限元分析

為適應(yīng)向職業(yè)教育轉(zhuǎn)型，成為應(yīng)用型技術(shù)人才，實(shí)踐學(xué)習(xí)對于當(dāng)前大學(xué)生尤為重要。結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的核心課程。由于課時、實(shí)驗(yàn)條件等限制，結(jié)構(gòu)力學(xué)[1]課程沒有設(shè)置相應(yīng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)環(huán)節(jié)。針對結(jié)構(gòu)動力學(xué)部分計算繁瑣的特點(diǎn)，采取理論與實(shí)踐結(jié)合的教與學(xué)的方式，可以提高學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。對工程結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是研究和發(fā)展結(jié)構(gòu)計算理論不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

1 實(shí)驗(yàn)手段在課程中的必要性

結(jié)構(gòu)的動力特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等一些基本參數(shù)或振動模態(tài)參數(shù)，是反映結(jié)構(gòu)本身所固有的動力性能。由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造連接等因素決定，與外荷載無關(guān)。

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析的目的是保證結(jié)構(gòu)在整個使用周期，在可能發(fā)生的動荷載作用下能夠正常工作，并保持一定的可靠度。這就要求我們尋找結(jié)構(gòu)在任意動荷載作用下隨時間而變化的響應(yīng)。然而多自由度體系的計算相對比較復(fù)雜，因而也就不可避免地要涉及到結(jié)構(gòu)動力實(shí)驗(yàn)的測試技術(shù)[2]。

2 設(shè)計結(jié)構(gòu)力學(xué)振動測試實(shí)驗(yàn)的目的

在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中，關(guān)于動力特性的計算屬于動力學(xué)中的核心內(nèi)容。然而該部分內(nèi)容涉及到一系列的簡化和推導(dǎo)，內(nèi)容涵蓋了線性代數(shù)、高等數(shù)學(xué)中的知識，計算過程比較復(fù)雜。采用實(shí)驗(yàn)的方法作為輔助的實(shí)踐性手段，可以達(dá)到更好的教學(xué)及學(xué)習(xí)效果。

本次設(shè)計的振動測試實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到以下目的：

1)了解測定結(jié)構(gòu)動力特性的基本原理，掌握通過人工激振法和環(huán)境隨機(jī)振動法測試不同自由度系統(tǒng)的動力特性(固有頻率、阻尼及振型)的方法；2)熟悉常用結(jié)構(gòu)動力特性測試系統(tǒng)的組成和相關(guān)儀器的使用方法；3)通過實(shí)驗(yàn)測定三層框架結(jié)構(gòu)的前三階頻率及阻尼比；4)掌握ETABS建模及時程分析的運(yùn)用；5)掌握DASP分析軟件，并對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析。

3 振動測試實(shí)驗(yàn)設(shè)計

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)主要儀器及設(shè)備:1)力錘：用來發(fā)生激振信號。2)加速度傳感器：將被測系統(tǒng)的機(jī)械振動量(加速度)轉(zhuǎn)換成電量。3)電荷放大器：將加速度傳感器輸出的較小的電荷信號放大成可供檢測的電壓信號。4)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)(DASP)：記錄和分析結(jié)構(gòu)振動的各個參數(shù)。5)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停嚎諝鈩恿W(xué)試驗(yàn)臺。

3.2 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

1)自振頻率的測定。a.打開DASP專業(yè)版，選擇使用采集儀1:[v618]INV306DF。b.點(diǎn)擊采樣進(jìn)入計算機(jī)監(jiān)視狀態(tài),在此界面點(diǎn)擊示波進(jìn)入示波狀態(tài)。c.設(shè)置參數(shù)：基本參數(shù)：試驗(yàn)名設(shè)置為三層框架模型，試驗(yàn)號設(shè)置為1，自動增加；采樣頻率取125；數(shù)據(jù)路徑按照自定義文件夾設(shè)置。通道參數(shù)：通道Ch01；工程單位g；標(biāo)定值根據(jù)所用傳感器設(shè)置為206；增益倍數(shù)設(shè)置為4，根據(jù)所采數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)削峰選擇合適增益倍數(shù)；虛擬擴(kuò)展通道，增加通道一的二次積分，以得到時間位移曲線。開始條件：選擇信號觸發(fā)，觸發(fā)電平設(shè)置為400 mV。結(jié)束條件：采樣結(jié)束方式按時間20 s。d.觀察顯示器上測點(diǎn)波形的幅值及頻率變化現(xiàn)象，并用手輕輕觸摸結(jié)構(gòu)進(jìn)行體驗(yàn)。e.由測量數(shù)據(jù)可以繪制出幅頻曲線(計算機(jī)自動繪制)。f.根據(jù)幅頻曲線進(jìn)行自譜分析確定三階固有頻率。

2)阻尼的測定。在自由振動法下測定結(jié)構(gòu)自振頻率的同時數(shù)據(jù)分析采集儀器通過半功率帶寬法可以對結(jié)構(gòu)的阻尼進(jìn)行計算，得到阻尼比。

3)對比數(shù)據(jù)。在用實(shí)驗(yàn)儀器測得結(jié)構(gòu)各動力特性后再用ETABS建立三層框架模型，對其進(jìn)行時程分析，得出動力特性指標(biāo)，將兩者得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

1)實(shí)驗(yàn)測得三層框架模型的頻率曲線及阻尼比見表1。

2)ETABS[3]分析頻率結(jié)果。將模型簡化為框架模型參數(shù)建模：由ETABS分析結(jié)果得該三層框架結(jié)構(gòu)的第一自振頻率為6.402,第二自振頻率為17.212，第三自振頻率為23.753。

3)阻尼比的計算。利用自由振動法一般只能得到結(jié)構(gòu)基本阻尼，計算公式如下：

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自由振動時程曲線得相鄰一個周期的振幅α1=2 878.87，α2=-1 069.41。

代入公式得ζ=0.100 4與實(shí)驗(yàn)結(jié)果ζ=0.110 0對比結(jié)果相近。

4)結(jié)果對比(見表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)與ETABS數(shù)據(jù)對比

5)實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模枰碚撚嬎憬Y(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果匹配，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。在理論分析過程中，在ETABS軟件建立模型過程中，模型的參數(shù)的設(shè)置正確與否直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如模型中框架柱彈性模量設(shè)置和結(jié)構(gòu)體系的選擇非常重要，結(jié)構(gòu)自振頻率與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度密切相關(guān)。結(jié)構(gòu)體系的選擇直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型，分析得出的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差很大，經(jīng)過分析，可能是由于軟件分析中將結(jié)構(gòu)視為板柱模型所致。將模型中板簡化為同質(zhì)量梁，以簡化為框架結(jié)構(gòu)，通過分析得出的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果近似。

4 結(jié)語

在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中設(shè)置實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，提高了學(xué)生理論應(yīng)用到實(shí)踐的能力，并使得對專業(yè)知識的認(rèn)識起到很大的提高作用，鍛煉了學(xué)生提出問題，分析問題，解決問題的能力，對學(xué)生的綜合素質(zhì)起到很大提高作用。通過實(shí)驗(yàn)與理論分析的對比，使學(xué)生對基本概念有更深的理解，對專業(yè)軟件的運(yùn)用也更加熟練。在理論性強(qiáng)的力學(xué)課程中設(shè)計實(shí)驗(yàn)課程，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，教與學(xué)的效果得到大幅度提高。

[1] 龍馭球.結(jié)構(gòu)力學(xué)Ⅱ[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2] 熊仲明.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[3] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.ETABS中文使用指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

Design of vibration test based on the structural mechanics course★

Guo Enping Luo Yun Zhou Ji

(HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425000,China)

Analyzes the importance of the experimental measures in the structural mechanics courses, indicates the design for the vibration test of the structural mechanics courses to achieve the aims. Through the reasonable design of structure of mechanical vibration tests, and finite element analysis of structure, the further understanding of the dynamic properties of the structure, to deepen knowledge and understanding of structural dynamics.

structural dynamics, vibration test, finite element analysis

1009-6825(2015)28-0233-02

2015-07-20★：2015年湖南科技學(xué)院大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃項目

郭恩平(1987- )，女，碩士，助教； 羅 云(1994- )，女，在讀本科生； 周 基(1982- )，男，副教授

G642

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