專利名稱：移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)試驗臺架及其試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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——橋梁系統(tǒng)、物 料——管線系統(tǒng)、彈丸一一身管系統(tǒng)、火箭、導彈一一彈性發(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(yīng)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(shè)計思想和方法的不斷改進以及高新技術(shù)的應(yīng)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(yīng)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(yīng)影響試驗研究仍存在空白。發(fā)明內(nèi)容本實用新型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(yīng)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，本實用新型的技術(shù)方案是，
一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(shè)有凹槽；懸臂 梁，其一端設(shè)置于所述下板凹槽底部，另一端為自由端；左、右導軌，分 別設(shè)置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設(shè)置于所述下板、及 左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設(shè)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(shè)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。
本實用新型的一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(shè)有凹槽；懸臂梁，其一端設(shè)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(shè)置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁； 左、右上板，分別設(shè)置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、 設(shè)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(shè)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(yīng)設(shè)置于所述懸臂梁的自由端側(cè)，其上設(shè)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(shè)置于所述懸臂梁上；應(yīng)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。
進一步，所述的應(yīng)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。
本實用新型的有益效果、優(yōu)點
設(shè)計的移動質(zhì)量作用下懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè) 計的移動質(zhì)量作用下懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)的試驗 論證，功能齊全，能較好地揭示結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)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(shè)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為本實用新型的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)試驗臺架的結(jié)構(gòu)示意圖2為本實用新型的移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)試驗裝置的 結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
參見圖1，本實用新型的一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)試驗 臺架，其包括，基座1，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(shè)有凹槽21;懸臂梁4，其一端設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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10，滑 動設(shè)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，本實用新型還提供了一種移動質(zhì)量作用下 的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)試驗裝置，其包括，試驗臺架(前面已經(jīng)敘述)，質(zhì)量 塊10，滑動設(shè)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U2相 連，所述繞線端子112與質(zhì)量塊10通過連接線相連接，所述伺服電機111 控制器CN I/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(yīng)設(shè)置于所述懸臂梁4的自由端側(cè)，其上設(shè)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(shè)置于所 述懸臂梁4上；應(yīng)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進行處理后輸出給計算機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(yīng)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(yīng)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，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。
在本實用新型的一個實施例中，質(zhì)量塊IO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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)影響，同 時為進一步實現(xiàn)懸臂梁振動的主動控制研究提供試驗基礎(chǔ)。
綜上所述，本實用新型利用伺服電機作為動力源源，研究了懸臂梁在移動質(zhì)量作用下的動態(tài)特性，對懸臂梁的應(yīng)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(yīng)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(shè)有凹槽；懸臂梁，其一端設(shè)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(shè)置于所述下板凹槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設(shè)置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)有凹槽；懸臂梁，其一端設(shè)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(shè)置于所述下板凹 槽兩側(cè)內(nèi)壁；左、右上板，分別設(shè)置于所述下板、及左、右導軌上方，并由螺釘將下板、設(shè)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(shè)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(yīng)設(shè)置于所述懸臂梁的自由端側(cè)，其上設(shè)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(shè)置于所述懸臂梁上；應(yīng)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(yīng)試驗裝置，其 特征在于，所述的應(yīng)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(yīng)試驗裝置，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。
專利摘要一種移動質(zhì)量作用下的懸臂梁動態(tài)響應(yīng)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(shè)有凹槽；懸臂梁，一端設(shè)于下板凹槽；左、右導軌，其一端設(shè)于下板凹槽；左、右上板，設(shè)于左、右導軌上方；質(zhì)量塊，設(shè)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(shè)于懸臂梁上；應(yīng)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。本實用新型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G01M7/02GK201402204SQ20092006717
公開日2010年2月10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