CN100541167C - 三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置 - Google Patents

Abstract

三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置，它涉及一种测试大尺寸材料阻尼性能的测试装置。它解决了目前无法测试大尺寸材料阻尼性能问题。本发明的三点弯曲梁(5-2)的两端固定在基座上的每个铰支座上，每个铰支座通过压梁(5-3)竖向固定，三点弯曲梁(5-2)的中间段固装有加载头，力传感器(4-1)分别与加载头、激振器(3-3)和电荷放大器(4-3)相连接，功率放大器(3-2)分别与激振器(3-3)和信号发生器(3-1)相连接，位移传感器(4-2)与电压放大器(4-4)相连接，电荷放大器(4-3)和电压放大器(4-4)分别与数据采集器(4-5)相连接。该装置可完成大尺寸材料阻尼测试。

Description

三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置

技术领域

本发明涉及一种土木工程领域中，用于测试大尺寸材料阻尼性能的测试装置，具体涉及一种三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置。

背景技术

目前，针对粘弹性阻尼材料阻尼特性的动态力学测试主要有三种方法：自由振动法、共振法、强迫振动非共振法。而粘弹性材料的阻尼性能与工作频率紧密相关，自由振动法与共振法只能测试结构或构件固有频率附近的阻尼特性，所以一般都采用强迫振动非共振法，如粘弹谱仪(Q800、VA4000)、动态力学分析仪(DMA)等。这些仪器的一个共同缺点就是无法测试土木工程领域中的大尺寸材料(如混凝土)的阻尼特性。

发明内容

本发明的目的是为解决目前在土木工程领域中，无法对大尺寸材料阻尼性能进行测试问题而提供的一种三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置。

本发明包括两个相对平行放置并与地面固定连接的基座、位于两个基座中间并与地面固定连接的支架；本发明还包括激励系统、测量系统、三点弯曲梁装置；所述的三点弯曲梁装置由两个铰支座、三点弯曲梁、压梁、加载头、连接件组成；所述的激励系统由信号发生器、功率放大器、与地面固定连接的激振器组成；所述的测量系统由力传感器、位移传感器、电荷放大器、电压放大器、数据采集器组成；每个基座上放置有一个铰支座，三点弯曲梁的一端固定装在两个铰支座中的一个铰支座上，三点弯曲梁的另一端固定装在两个铰支座中的另一个铰支座上，每个铰支座上的半圆形下构件上放置有压梁，压梁的两端通过连接件与所对应的基座固定连接，三点弯曲梁的中间段固定装有加载头，力传感器的上端与加载头的半圆形下钢条螺纹连接，力传感器的下端与激振器的顶杆相连接，激振器的输入端与功率放大器的输出端相连接，功率放大器的输入端与信号发生器的输出端相连接，力传感器的输出端与电荷放大器的输入端相连接，位移传感器装在支架上，位移传感器的输出端与电压放大器的输入端相连接，电荷放大器的输出端和电压放大器的输出端分别与数据采集器的输入端相连接。

本发明具有以下有益效果：一、本发明为实现对三点弯曲梁拉压线加载，由连接螺杆、连接螺帽及两个圆弧面相对放置的两半圆形刚条组成的加载头，力传感器的上端与加载头上的半圆形下钢条螺纹连接，力传感器的下端与激振器的顶杆相连接，力传感器串接于上述两者之间，从而实现了对梁的拉压力的数据采集。二、为实现梁的边界条件为铰接，在三点弯曲梁为弹性小变形条件下，采用铰支座，铰支座的竖向由压梁固定，通过压梁把竖向力传递给基座，进而传递给地基。三、为实现激振器的刚性安装，把激振器安装于刚性地面上；位移传感器安装于与刚性地面固定连接的支架上，位移传感器可伸缩和旋转，以测量三点弯曲梁跨中稳态位移反应，且不给三点弯曲梁施加反力，提高了位移测量精度。四、本发明通过力传感器采集激振力、位移传感器采集梁跨中稳态位移，得到两者相位差δ、激振力幅值p₀、位移幅值y₀，从而由公式(1)、(2)、(3)得到材料的阻尼性能。

η＝tanδ    (1)

${E_c}^{\′}=\frac{{2l}^3}{{\mathrm{\π}}^{4}I}\frac{p_0}{y_0}\cos \mathrm{\δ}---\left(2\right)$

${E_c}^{\′\′}=\frac{{2l}^3}{{\mathrm{\π}}^{4}I}\frac{p_0}{y_0}\sin \mathrm{\δ}---\left(3\right)$

五、采用本发明可测试长×宽为40×40～100mm²、跨度大于600mm的大尺寸材料构件。六、本发明具有结构简单，使用、安装方便，可实现不同频率(0.1～2.5Hz)、不同波形加载(三角波、正弦波、方波等等)及可测试大尺寸材料的阻尼性能与弹性模量的优点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的左视图(去掉信号发生器3-1、功率放大器3-2、电荷放大器4-3、电压放大器4-4及数据采集器4-5)，图3是三点弯曲梁5-2与加载头之间的装配主视图，图4是图3的左视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，本实施方式由两个相对平行放置并与地面固定连接的基座2、位于两个基座2中间并与地面固定连接的支架1、激励系统、测量系统、三点弯曲梁装置组成；所述的三点弯曲梁装置由两个铰支座、三点弯曲梁5-2、压梁5-3、加载头、连接件5-5组成；所述的激励系统由信号发生器3-1、功率放大器3-2、与地面固定连接的激振器3-3组成；所述的测量系统由力传感器4-1、位移传感器4-2、电荷放大器4-3、电压放大器4-4、数据采集器4-5组成；每个基座2上放置有一个铰支座，三点弯曲梁5-2的一端固定装在两个铰支座中的一个铰支座上，三点弯曲梁5-2的另一端固定装在两个铰支座中的另一个铰支座上，每个铰支座上的半圆形下构件5-1-1上放置有压梁5-3，压梁5-3的两端通过连接件5-5与所对应的基座固定连接，三点弯曲梁5-2的中间段固定装有加载头，力传感器4-1的上端与加载头的半圆形下钢条5-4-1螺纹连接，力传感器4-1的下端与激振器3-3的顶杆3-3-1相连接，激振器3-3的输入端与功率放大器3-2的输出端相连接，功率放大器3-2的输入端与信号发生器3-1的输出端相连接，力传感器4-1的输出端与电荷放大器4-3的输入端相连接，位移传感器4-2装在支架1上，位移传感器4-2的输出端与电压放大器4-4的输入端相连接，电荷放大器4-3的输出端和电压放大器4-4的输出端分别与数据采集器4-5的输入端相连接。

本实施方式中的位移传感器4-2采用激光位移传感器，可提高位移测量精度；力传感器4-1采用压电式应力传感器。本实施方式中所采用的仪器的型号和生产厂家见下表：

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的两个铰支座中的每个铰支座分别由半圆形下构件5-1-1、半圆形上构件5-1-2、螺杆5-1-3、螺帽5-1-4组成；半圆形上构件5-1-2放置在半圆形下构件5-1-1的正上方，半圆形上构件5-1-2的圆弧面与半圆形下构件5-1-1的圆弧面相对放置，所述的三点弯曲梁5-2的两端分别装在每个铰支座的半圆形上构件5-1-2和半圆形上构件5-1-1之间，半圆形上构件5-1-2与半圆形下构件5-1-1通过螺杆5-1-3和螺帽5-1-4固定连接。为实现三点弯曲梁5-2的竖向尺寸可调，每个铰支座采用螺杆5-1-3连接，并用螺帽5-1-4固定。为实现三点弯曲梁5-2的边界条件为铰接，在三点弯曲梁5-2为弹性小变形条件下，由螺杆5-1-3、螺帽5-1-4及两个圆弧面相对放置的两个半圆形构件组成铰支座，铰支座的竖向由压梁5-3固定，通过压梁5-3把竖向力传递给基座，进而传递给地基。当每个铰支座上的两个半圆形构件的两个圆弧面相背放置时，可以实现三点弯曲梁5-2两端固结的边界条件。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图3、图4说明本实施方式，本实施方式的加载头由半圆形上钢条5-4-2、半圆形上钢条5-4-1、连接螺杆5-4-3、连接螺帽5-4-4组成；半圆形上钢条5-4-2放置在半圆形下钢条5-4-1的正上方，半圆形上钢条5-4-2的圆弧面与半圆形下钢条5-4-1的圆弧面相对放置，所述的三点弯曲梁5-2的中间段装在半圆形上钢条5-4-2和半圆形下钢条5-4-1之间，半圆形下钢条5-4-2和半圆形下钢条5-4-1通过连接螺杆5-4-3和连接螺帽5-4-4固定连接，所述的半圆形下钢条5-4-1的下端面具有与力传感器4-1螺纹连接的内螺纹孔5-4-5。

采用上述结构，可实现三点弯曲梁5-2的竖向尺寸可调。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

测试时，只要测出三点弯曲梁5-2在交变正弦波激励下的应力、三点弯曲梁5-2中段的位移和相角，就可以根据下述公式(4)计算出材料的阻尼性能(用损耗因子表示)，其中应力和位移可以分别由力传感器4-1和激光位移传感器测出，相角可以按照快速傅立叶变换的方法通过处理应力和位移信号算出。应力-应变相位角(材料损耗因子)

$\mathrm{\η}=\frac{E^{\′\′}}{E^{\′}}=\frac{1}{1+\frac{Y_0}{P_0\cos \mathrm{\δ}}\·\frac{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{ml}}{2}}\mathrm{tg\δ}---\left(4\right)$

式中：

P₀—激励力的幅值(N)

Y₀—梁中点的位移幅值(m)

δ—激励力P和位移Y之间的相位差(度)

I—是梁的截面的惯性矩(m⁴)

m—梁的线密度

f—激振频率(Hz)

Claims (4)

1、一种三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置，它包括两个相对平行放置并与地面固定连接的基座、位于两个基座中间并与地面固定连接的支架(1)；其特征在于它还包括激励系统、测量系统、三点弯曲梁装置；所述的三点弯曲梁装置由两个铰支座、三点弯曲梁(5-2)、压梁(5-3)、加载头、连接件(5-5)组成；所述的激励系统由信号发生器(3-1)、功率放大器(3-2)、与地面固定连接的激振器(3-3)组成；所述的测量系统由力传感器(4-1)、位移传感器(4-2)、电荷放大器(4-3)、电压放大器(4-4)、数据采集器(4-5)组成；每个基座(2)上放置有一个铰支座，三点弯曲梁(5-2)的一端固定装在两个铰支座中的一个铰支座上，三点弯曲梁(5-2)的另一端固定装在两个铰支座中的另一个铰支座上，每个铰支座上的半圆形下构件(5-1-1)上放置有压梁(5-3)，压梁(5-3)的两端通过连接件(5-5)与所对应的基座固定连接，三点弯曲梁(5-2)的中间段固定装有加载头，力传感器(4-1)的上端与加载头的半圆形下钢条(5-4-1)螺纹连接，力传感器(4-1)的下端与激振器(3-3)的顶杆(3-3-1)相连接，激振器(3-3)的输入端与功率放大器(3-2)的输出端相连接，功率放大器(3-2)的输入端与信号发生器(3-1)的输出端相连接，力传感器(4-1)的输出端与电荷放大器(4-3)的输入端相连接，位移传感器(4-2)装在支架(1)上，位移传感器(4-2)的输出端与电压放大器(4-4)的输入端相连接，电荷放大器(4-3)的输出端和电压放大器(4-4)的输出端分别与数据采集器(4-5)的输入端相连接。

2、根据权利要求1所述的三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置，其特征在于所述的两个铰支座中的每个铰支座分别由半圆形下构件(5-1-1)、半圆形上构件(5-1-2)、螺杆(5-1-3)、螺帽(5-1-4)组成；半圆形上构件(5-1-2)放置在半圆形下构件(5-1-1)的正上方，半圆形上构件(5-1-2)的圆弧面与半圆形下构件(5-1-1)的圆弧面相对放置，所述的三点弯曲梁(5-2)的两端分别装在每个铰支座的半圆形上构件(5-1-2)和半圆形下构件(5-1-1)之间，半圆形上构件(5-1-2)与半圆形下构件(5-1-1)通过螺杆(5-1-3)和螺帽(5-1-4)固定连接。

3、根据权利要求1所述的三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置，其特征在于所述的加载头由半圆形上钢条(5-4-2)、半圆形下钢条(5-4-1)、连接螺杆(5-4-3)、连接螺帽(5-4-4)组成；半圆形上钢条(5-4-2)放置在半圆形下钢条(5-4-1)的正上方，半圆形上钢条(5-4-2)的圆弧面与半圆形下钢条(5-4-1)的圆弧面相对放置，所述的三点弯曲梁(5-2)的中间段装在半圆形上钢条(5-4-2)和半圆形下钢条(5-4-1)之间，半圆形上钢条(5-4-2)和半圆形下钢条(5-4-1)通过连接螺杆(5-4-3)和连接螺帽(5-4-4)固定连接，所述的半圆形下钢条(5-4-1)的下端面具有与力传感器(4-1)螺纹连接的内螺纹孔(5-4-5)。

4、根据权利要求1所述的三点弯曲梁式大尺寸材料阻尼测试装置，其特征在于所述的位移传感器(4-2)采用激光位移传感器。

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