專利名稱：移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架及其試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應測試試驗裝置， 更具體地涉及一種移動載荷作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架及其試驗系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
彈性梁結(jié)構(gòu)受移動載荷作用有很多，例如車輛一一橋梁系統(tǒng)、物 料一一管線系統(tǒng)、彈丸——身管系統(tǒng)、火箭、導彈——彈性發(fā)射梁系統(tǒng)等。 因為移動質(zhì)量和彈性梁振動系統(tǒng)的相互耦合作用，使得移動質(zhì)量/載荷耦 合激勵下梁的動態(tài)響應成為結(jié)構(gòu)動力學中最原始的難題之一。通常，對移 動質(zhì)量與結(jié)構(gòu)的動力相互作用問題研究，多忽略了移動質(zhì)量剛體運動與結(jié) 構(gòu)彈性振動之間耦合影響。
隨著結(jié)構(gòu)設計思想和方法的不斷改進以及高新技術(shù)的應用，彈性體 結(jié)構(gòu)的輕型化和柔性化以及作用在彈性體結(jié)構(gòu)上移動載荷慣性力不斷增 加，工程中所遇到的移動系統(tǒng)作用下彈性體結(jié)構(gòu)動力學問題的強度越來越 大，在航空、航天、軍工、交通運輸和工程建筑領(lǐng)域都不同程度的存在著 亟待解決的移動載荷作用問題，因而移動載荷作用下的彈性體結(jié)構(gòu)動態(tài)響 應研究日益引起人們的關(guān)注和重視。
移動載荷作用下彈性體振動問題主要分為三種(l)移動力模型；(2) 移動質(zhì)量模型；(3)移動振動模型，即移動質(zhì)量——彈簧——阻尼系統(tǒng)模 型。目前國內(nèi)外對移動系統(tǒng)作用下彈性體結(jié)構(gòu)動力學問題，主要采用有限 元方法、模態(tài)分析方法、格林函數(shù)等近似數(shù)值計算方法，且僅第一類模型 得到了深入的研究，有較成熟的結(jié)果。第二類模型中移動載荷的運動質(zhì)量、 運動速度參數(shù)變化對彈性梁動態(tài)響應影響試驗研究仍存在空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架及其試驗裝置，可以用于測試移動力、移動質(zhì)量及移動振動載荷作用下 的彈性懸臂梁的動態(tài)特性，也可用于實現(xiàn)懸臂梁振動的主動控制。 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架，其包括，基座， 下板，通過兩螺柱及螺母固定于所述基座上，該下板中央設有凹槽；懸臂 梁，其一端設置于所述下板凹槽底部，另一端為自由端；左、右導軌，分 別設置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設置于所述下板、及 左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設置于下板凹槽內(nèi)的懸臂梁、左、右 導軌、左、右上板連接固定；質(zhì)量塊，滑動設置于所述懸臂梁上端面，該 質(zhì)量塊與一運動發(fā)生裝置相連。
本發(fā)明的一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗裝置，其包括， 試驗臺架，其包括，基座，下板，通過兩螺柱及螺母固定于所述基座上， 該下板中央設有凹槽；懸臂梁，其一端設置于所述下板凹槽底部，另一端 為自由端；左、右導軌，其一端分別設置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、 右上板，分別設置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設 置于下板凹槽內(nèi)的懸臂梁、左、右導軌、左、右上板連接圓定；質(zhì)量塊， 滑動設置于所述懸臂梁上端面，該質(zhì)量塊與一運動發(fā)生裝置相連； 一運動 發(fā)生裝置，包括伺服電機及其控制器、連接線、微機電源及速度控制器， 所述伺服電機輸出軸與所述繞線端子相連，所述繞線端子與質(zhì)量塊通過連 接線相連接，所述伺服電機與所述微機電源及速度控制器相連；緩沖裝置， 對應設置于所述懸臂梁的自由端側(cè)，其上設有摩擦材料；加速度傳感器， 固定于所述質(zhì)量塊上；位移傳感器，設置于所述懸臂梁上；應變及電渦流 位移傳感器，安裝在所述懸臂梁；分別與一信號處理系統(tǒng)和計算機電氣連 接，所述信號處理系統(tǒng)采集所述傳感器信號并對所述信號進行處理后輸出 給計算機顯示，所述計算機可根據(jù)傳感器信號，通過調(diào)節(jié)微機電源輸出電 壓，以控制所述質(zhì)量塊運動形式。
進一歩，所述的應變傳感器安裝在所述懸臂梁下端面上，電渦流傳 感器安裝于懸臂梁自由端上端面位置。
又，所述的位移傳感器為MTS Tempo Sonics RPV0750型智能傳感 器，該傳感器可以同時輸出位移和速度信號，通過支架連接于所述左、右上板上端面。
本發(fā)明的有益效果、優(yōu)點
設計的移動質(zhì)量作用下懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架，可以模擬彈丸、 導彈、火箭發(fā)射時對身管和發(fā)射梁的激勵作用，也可以模擬移動載荷對彈 性體結(jié)構(gòu)動態(tài)響應影響，反映移動載荷不同運動質(zhì)量和不同運動速度對梁 的激勵作用。移動載荷質(zhì)量、運動速度可以根據(jù)需要進行配置。設計的移
動質(zhì)量塊重量在一定范圍連續(xù)可調(diào)，最大重量可達250g;移動質(zhì)量塊運 動速度同樣在一定范圍連續(xù)可調(diào)，最大運動速度可達3000mm/s。利用設 計的移動質(zhì)量作用下懸臂梁動態(tài)響應試驗裝置，布置了位移傳感器、速度 傳感器、加速度傳感器及應變傳感器，基于檢測的各物理量信號，可研究 移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)特性，并驗證控制方法的有效性。另外，移 動質(zhì)量作用下懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架中包括有緩沖裝置，可有效保護移 動質(zhì)量塊與運動發(fā)生裝置碰撞。9種不同規(guī)格質(zhì)量塊激勵下的懸臂梁動態(tài) 響應試驗驗證該發(fā)明專利結(jié)構(gòu)的可靠性以及試驗數(shù)據(jù)正確性，實驗系統(tǒng)的 響應時間大約1 2ms;
對移動載荷激勵下的彈性體結(jié)構(gòu)動態(tài)響應進行試驗研究，并進而利 用振動主動控制技術(shù)進行減振抗沖設計，目前尚未見具體技術(shù)方案的報 道。移動質(zhì)量激勵下的彈性體結(jié)構(gòu)動力學特性及其振動控制是一門多學科 交叉的復雜性課題，理論模型、動力學特性和振動控制策略的設計和實現(xiàn) 等專題仍存在許多有待繼續(xù)研究的問題。該發(fā)明專利基于結(jié)構(gòu)動力學和控 制理論交叉的獨特視角，建立一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗 裝置，可以為上述問題的研究提供通用試驗平臺。在試驗平臺下可分析計 算移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動力學特性，進行控制策略仿真和相應的試驗 論證，功能齊全，能較好地揭示結(jié)構(gòu)動態(tài)響應與振動控制的性能，為移動 載荷激勵下的彈性體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計、動力學參數(shù)匹配及試驗驗證以及武器 系統(tǒng)身管、發(fā)射架等結(jié)構(gòu)動態(tài)特性與振動控制研究提供有效的技術(shù)分析手 段與試驗保障。


圖1為本發(fā)明的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架的結(jié)構(gòu)
6示意圖2為本發(fā)明的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗裝置的結(jié)構(gòu) 示意圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明的一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺 架，其包括，基座l，下板2，通過兩螺柱3、 3'及螺母固定于所述基座1 上，該下板2中央設有凹槽21;懸臂梁4，其一端設置于所述下板2凹槽 21底部，另一端為自由端；左、右導軌5、 6，分別設置于所述下板2凹 槽21兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板7、 8，分別設置于所述下板2、及左、右導 軌5、 6上方，并由螺釘9、 9，將下板2、設置于下板2凹槽21內(nèi)的懸臂 梁4、左、右導軌5、 6、左、右上板7、 8連接固定；質(zhì)量塊IO，滑動設 置于所述懸臂梁4上端面，該質(zhì)量塊10與一運動發(fā)生裝置相連。
再請結(jié)合參見圖l、圖2，本發(fā)明還提供了一種移動質(zhì)量作用下的懸 臂梁動態(tài)響應試驗裝置，其包括，試驗臺架(前面己經(jīng)敘述)，質(zhì)量塊 10，滑動設置于所述懸臂梁4，質(zhì)量塊IO與一運動發(fā)生裝置11相連；該 運動發(fā)生裝置11包括伺服電機111及其控制器、繞線端子112、微機電 源及速度控制器113，所述伺服電機111輸出軸與所述繞線端子112相連， 所述繞線端子112與質(zhì)量塊IO通過連接線相連接，所述伺服電機111控 制器CN 1/F接線引腳與所述微機電源及速度控制器113相連；緩沖裝置 12，對應設置于所述懸臂梁4的自由端側(cè)，其上設有摩擦材料；加速度傳 感器13，固定于所述質(zhì)量塊10上；MTS位移傳感器14，設置于所述懸 臂梁4上；應變傳感器15及電渦流位移傳感器16，安裝在所述懸臂梁4; 分別與一信號處理系統(tǒng)17和計算機20電氣連接，所述信號處理系統(tǒng)17 采集所述傳感器信號并對所述信號經(jīng)過電荷放大器18、濾波、A/D采集 19進行處理后輸山給計算機20顯示，所述計算機20可根據(jù)傳感器信號， 通過調(diào)節(jié)微機電源輸出電壓，以控制所述質(zhì)量塊IO運動形式。
所述的應變傳感器、電渦流傳感器安裝在所述懸臂梁下端面，分別 用于監(jiān)測移動質(zhì)量塊激勵下的懸臂梁應變與懸臂梁自由端位移變化。
所述的位移傳感器14為MTS Tempo Sonics RPV0750型智能傳感器，
7該傳感器可以同時輸出位移和速度信號，通過支架連接于所述左、右上板 上端面，用于測量移動質(zhì)量塊的運動位置及速度。
在本發(fā)明的一個實施例中，質(zhì)量塊10在外界的拉力及左導軌5、右 導軌6的導向作用下，可產(chǎn)生各種形式運動，包括勻速運動與變速運動， 產(chǎn)生的運動載荷即為一移動質(zhì)量力，并作用于懸臂梁4，激勵其橫向振動。
運動控制系統(tǒng)21用于控制質(zhì)量塊10的速度運動形式，通過計算機 軟件設置，調(diào)節(jié)伺服電機的控制器，改變伺服電機輸出軸的轉(zhuǎn)速，繼而控 制質(zhì)量塊的速度運動形式；信號處理系統(tǒng)用于采集傳感器信號并對采集到 的信號進行處理分析，以便通過試驗的方法研究不同的運動質(zhì)量在各種運 動規(guī)律的作用下懸臂梁的動態(tài)特性。
試驗過程如下.-
為了將電機軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為質(zhì)量塊10在懸臂梁4上的直線運 動，可將質(zhì)量塊IO連接到伺服電機輸出軸的繞線端子上，利用伺服電機 的運動控制功能，實現(xiàn)質(zhì)量塊10在懸臂梁4上端面多種運動形式。通過 調(diào)節(jié)加在伺服電機控制器上的控制電壓，可以實現(xiàn)電機的不同轉(zhuǎn)速，從而 實現(xiàn)移動質(zhì)量塊的不同速度運動，包括勻加速和勻減速。當質(zhì)量塊10運 動到懸臂梁4的自由端，并開始脫離于懸臂梁4時，調(diào)節(jié)電機的控制電壓， 使其輸出軸停止轉(zhuǎn)動；同時，在懸臂梁4的末端同一高度位置，安裝有緩 沖裝置12，阻止質(zhì)量塊10的慣性運動。
移動質(zhì)量激勵過程中觸發(fā)的懸臂梁4的應變信號、位移信號、速度 信號、加速度信號都可以通過傳感器得到。位移、速度傳感器安裝在支架 上保持不動，加速度傳感器安裝于質(zhì)量塊IO上實現(xiàn)隨動，應變傳感器安 裝于懸臂梁4下端面。試驗過程中，信號處理此系統(tǒng)不斷采集傳感器信號， 通過各種運算以分析移動質(zhì)量作用下的懸臂梁4動態(tài)特性，并經(jīng)過一定的 信號處理算法得出懸臂梁4在時變載荷作用下的振動特征。在速度控制模 式下，通過調(diào)節(jié)伺服電機輸出軸轉(zhuǎn)速，可進一步改變質(zhì)量塊10的運動形 式，包括產(chǎn)生不同的運動速度與加速度，利用采集的一系列試驗數(shù)據(jù)，可 討論質(zhì)量塊運動速度、運動質(zhì)量參數(shù)變化對懸臂梁振動動態(tài)響應影響，同 時為進一歩實現(xiàn)懸臂梁振動的主動控制研究提供試驗基礎(chǔ)。
綜上所述，本發(fā)明利用伺服電機作為動力源源，研究了懸臂梁在移
8動質(zhì)量作用下的動態(tài)特性，對懸臂梁的應變和自由端位移在移動載荷下的 特性作分析和研究，試驗結(jié)果可進一步用于指導時變載荷作用下的懸臂梁 振動主動控制并驗證移動質(zhì)量作用下彈性體結(jié)構(gòu)振動主動控制方法的有 效性。
權(quán)利要求
1. 一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗臺架，其特征在于，其包括，基座，下板，通過兩螺柱及螺母固定于所述基座上，該下板中央設有凹槽；懸臂梁，其一端設置于所述下板凹槽底部，另一端為自由端；左、右導軌，其一端分別設置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設置于下板凹槽內(nèi)的懸臂梁、左、右導軌、左、右上板連接固定；質(zhì)量塊，滑動設置于所述懸臂梁上端面，該質(zhì)量塊與一運動發(fā)生裝置相連。
2. —種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗裝置，其特征在于，包括，試驗臺架，其包括，基座，下板，通過兩螺柱及螺母固定于所述 基座上，該下板中央設有凹槽；懸臂梁，其一端設置于所述下板凹槽 底部，另一端為自由端；左、右導軌，其一端分別設置于所述下板凹 槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設置于下板凹槽內(nèi)的懸臂梁、左、右導軌、左、右 上板連接固定；質(zhì)量塊，滑動設置于所述懸臂梁上端面，該質(zhì)量塊與 一運動發(fā)生裝置相連；一運動發(fā)生裝置，包括伺服電機及其控制器、連接線、微機電源 及速度控制器，所述伺服電機輸出軸與所述繞線端子相連，所述繞線 端子與質(zhì)量塊通過連接線相連接，所述伺服電機控制器與所述微機電 源及速度控制器相連；緩沖裝置，對應設置于所述懸臂梁的自由端側(cè)，其上設有摩擦材料；加速度傳感器，固定于所述質(zhì)量塊上； 位移傳感器，設置于所述懸臂梁上；應變及電渦流位移傳感器，安裝在所述懸臂梁，分別與一信號處理系統(tǒng)和計算機電氣連接，所述信號處理系統(tǒng)采集所述傳感器信號并 對所述信號進行處理后輸出給計算機顯示，所述計算機可根據(jù)傳感器 信號，通過調(diào)節(jié)微機電源輸出電壓，以控制所述質(zhì)量塊運動形式。
3. 如權(quán)利要求2所述的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的應變傳感器安裝在所述懸臂梁下端面上，電渦流傳 感器安裝于懸臂梁自由端上端面位置。
4. 如權(quán)利要求2所述的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗系統(tǒng)，其 特征在于，所述的位移傳感器為MTS Tempo Sonics RPV0750型智能傳感器，該傳感器可以同時輸出位移和速度信號，通過支架連接于所 述左、右上板上端面。
全文摘要
一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應試驗裝置，其包括，試驗臺架，其包括，基座及固定于基座的下板，下板中央設有凹槽；懸臂梁，一端設于下板凹槽；左、右導軌，其一端設于下板凹槽；左、右上板，設于左、右導軌上方；質(zhì)量塊，設于懸臂梁上，與一運動發(fā)生裝置相連；運動發(fā)生裝置，包括伺服電機及其控制器、微機電源及速度控制器；加速度傳感器，固定于質(zhì)量塊上；位移傳感器，設于懸臂梁上；應變及電渦流位移傳感器，安裝于懸臂梁下端面，與信號處理系統(tǒng)和計算機電氣連接，計算機根據(jù)傳感器信號，通過調(diào)節(jié)微機電源輸出電壓，以控制質(zhì)量塊運動形式。本發(fā)明可以用于測試移動載荷作用下懸臂梁的橫向振動特性，也可進一步用于懸臂梁振動的主動控制。
文檔編號G01M7/02GK101476971SQ20091004558
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者胡紅生, 錢蘇翔 申請人:嘉興學院