CN103994869A - 一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁圆柱壳结构件的实验台及其测试方法，属于结构件测量实验技术领域。其装置包括电机，电机动力输出端连接主轴，主轴上设置有带中心孔圆盘和导电滑环，待测的模型圆柱壳结构件设置于带中心孔圆盘上，模型圆柱壳结构件外部侧面设置有电涡流位移传感器，内部粘贴有加速度传感器,电机、主轴、电涡流位移传感器以及导电滑环通过支架设置在底座上。其测试用方法首先记录原型薄壁圆柱壳结构件的相关参数，然后制作模型薄壁圆柱壳结构件，通过测量模型圆柱壳的动力学特性，借助动力学相似原理可以确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性,本发明可以用于测量薄壁光圆柱壳结构件或加薄壁环肋的圆柱壳结构件，实验成本低，且操作性高。

Description

一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法

技术领域：

本发明属于圆柱壳结构件测试实验技术领域，具体涉及一种薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法。

背景技术：

薄壁圆柱壳类结构件是航空发动机的典型基础单元结构件，是航空发动机的关键部件。由于设计、制造、装配或工作环境恶化等原因，该类基础单元结构件的振动故障不可避免，而且单个结构件一旦出现故障就可能引起连锁反应，导致整个设备无法正常工作，甚至造成一系列事故。因此，对薄壁圆柱壳类结构件进行动力学特性分析十分重要。目前对一端固定、一端自由的旋转薄壁圆柱壳结构件的振动测试技术存在的问题在于：用加速度传感器所测得的振动信号不易输出，导致振动信号不易采集，旋转薄壁圆柱壳结构件的振动测试实验装置还不完善。薄壁圆柱壳类结构件的动力学问题仅靠理论上的解析和数值模型不能彻底解决问题，必须结合物理实验研究，然而，在实际工程中，直接采用原型薄壁圆柱壳结构件进行实验往往存在很大限制，如：存在实验台动力和空间的限制、实验复杂度的限制以及实验成本高和实验周期长等众多问题。

发明内容：

为解决薄壁圆柱壳结构件振动测试技术存在的上述问题，本发明提供一种节省空间、测量精确、便捷的基于动力学相似原理的薄壁圆柱壳结构件实验台及测试方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种薄壁圆柱壳结构件实验台，包括底座、转子驱动部分和数据采集部分，所述底座上设置有电机支架、轴承座支架、传感器支架和导电滑环支架，所述转子驱动部分包括电机、主轴和带中心孔圆盘，所述电机固定在电机支架上，电机的动力输出端与主轴通过联轴器相连接，在主轴上设置有轴承，轴承固定在轴承座内，轴承座固定在轴承座支架上，在主轴上分别固定有导电滑环的转子和带中心孔圆盘，导电滑环的定子固定在导电滑环支架上；

所述数据采集部分包括电涡流位移传感器和加速度传感器，电涡流位移传感器固定在传感器支架上，加速度传感器的信号输出端与导电滑环转子的信号输入端相连接。

在所述底座上端面设置有T型槽，电机支架、轴承座支架、导电滑环支架和传感器支架均通过置于T型槽内的螺钉固装在底座上。

采用所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，包括以下步骤：

步骤一：记录下待研究的原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；

步骤三：根据步骤二中确定的模型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，制造加工出实验用的模型薄壁圆柱壳结构件；

步骤四：对已加工好的模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试和动态振动测试：

1)模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，

将模型薄壁圆柱壳结构件安装到带中心孔圆盘一侧，将加速度传感器粘贴在模型薄壁圆柱壳结构件内壁上,将导电滑环定子的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接，将电涡流位移传感器的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接；

开始进行模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击模型薄壁圆柱壳结构件不同位置点，激振力锤敲击模型薄壁圆柱壳结构件产生的数据及加速度传感器采集到的数据传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的静态固有频率；

2)模型薄壁圆柱壳结构件的动态振动测试，

a)动态固有频率测试

首先启动电机，通过电机带动主轴上的带中心孔圆盘转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件转动，设定电机转速为Ω_m，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，加速度传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号通过导电滑环传输给振动模态测试分析仪和计算机，并通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的各阶动态固有频率；

b)临界转速测试

调整传感器支架的位置，令电涡流位移传感器的数据采集端正对模型薄壁圆柱壳结构件的外壁；

启动电机，使电机转速逐渐升高，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，电涡流位移传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的临界转速；

步骤五：通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性。

步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，具体包括如下步骤：

步骤A：确定模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数

结合原型薄壁圆柱壳结构件和实验台几何空间，确定模型薄壁圆柱壳结构件与原型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数相似比，原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件或薄壁加环肋圆柱壳结构件，则模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数的相似关系为：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

λ_L1＝L_m1/L_p1

λ_R1＝R_m1/R_p1

λ_h1＝h_m1/h_p1

其中，λ_L1为薄壁光圆柱壳结构件长度相似比，L_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件长度，L_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件长度，λ_R1为薄壁光圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，R_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件壁厚，h_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件壁厚；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

λ_L2＝L_m2/L_p2

λ_R2＝R_m2/R_p2

λ_h2＝h_m2/h_p2

λ_ai＝a_im/a_ip

${\mathrm{\λ}}_{l_j}=l_{\mathrm{jm}}/l_{\mathrm{jp}}$

${\mathrm{\λ}}_{b_i}=b_{\mathrm{im}}/b_{\mathrm{ip}}$

其中，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件长度相似比，L_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，L_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，λ_R2为薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，R_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，为第i个肋高度的相似比，a_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第i个肋的高度，a_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的高度，为薄壁加环肋圆柱壳结构件肋间距的相似比，l_jm为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，l_jp为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，为第i个肋底边长的相似比，b_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长，b_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长,模型薄壁加环肋圆柱壳结构件和原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的肋个数相同，i＝1,2,3,4,5，……，n，j＝1,2,3,4,5，……，n-1；n为肋个数；

步骤B：确定模型薄壁圆柱壳结构件材料参数

模型薄壁圆柱壳结构件的材料参数相似关系为：

λ_E＝E_m/E_p

λ_ρ＝ρ_m/ρ_p

λ_μ＝μ_m/μ_p

其中，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比，ρ_m为模型薄壁圆柱壳结构件密度，ρ_p为原型薄壁圆柱壳结构件密度，λ_μ为薄壁圆柱壳结构件泊松比相似比，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

步骤C：确定模型薄壁圆柱壳结构件动力学参数

模型薄壁圆柱壳结构件的动力学参数相似关系为：

λ_Ω＝Ω_m/Ω_p

其中，λ_Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ω_m为模型薄壁圆柱壳结构件转速；Ω_p为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。

步骤四中所述的动态固有频率测试过程中的设定电机转速为Ω_m，电机转速Ω_m即为模型薄壁圆柱壳结构件转速，其由下式确定：

Ω_m＝λ_Ω·Ω_p

其中，λ_Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ω_p为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。

步骤五中所述的通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特征，即确定原型薄壁圆柱壳结构件的静态及动态固有频率、临界转速，其具体确定方法如下：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{m1}$

其中，ω_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}1}$

其中，ω_dm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}1}$

其中，ω_Lm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{m2}$

其中，ω_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p2为原型薄壁加环肋的圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比，其计算表达式为：

${\mathrm{\λ}}_D=\frac{D_m}{D_p}=\frac{\frac{E_m{h_{m2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_m}^2)}}{\frac{E_p{h_{p2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_p}^2)}}$

其中D_m为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，D_p为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}2}$

其中，ω_dm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}2}$

其中，ω_Lm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比。

本发明的有益效果：

本发明主要用于薄壁圆柱壳结构件的振动测试，不仅可用于薄壁光圆柱壳结构件的振动测试，也可用于薄壁加环肋的圆柱壳结构件的振动测试，在结合动力学相似原理后，对动力学相似模型薄壁圆柱壳结构件进行振动测试，来确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性，降低了实验成本，缩短了实验周期，使实验更具可操作性，且节省空间，测量精确。

附图说明

图1为本发明的实验台一个实施例的结构示意图；

图2为图1的转子驱动部分结构示意图；

图3为图1的数据采集部分传感器布置示意图；

图中，1-电机支架，2-电机，3-联轴器，4-轴承座，5-模型薄壁圆柱壳结构件，6-导电滑环，7-主轴，8-导电滑环支架，9-轴承座支架，10-底座，11-胀紧套，12-轴承端盖，13-端盖，14-带中心孔圆盘，15-传感器支架，16-电涡流位移传感器，17-加速度传感器，18-导电滑环定子的信号输出端，19-T型槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～3所示，一种薄壁圆柱壳结构件实验台，包括底座10、转子驱动部分和数据采集部分，所述底座10上设置有T型槽19，电机支架1、轴承座支架9、传感器支架15和导电滑环支架8通过T型槽19内的螺钉设置在底座上，所述转子驱动部分包括电机2、主轴7和带中心孔圆盘14，所述电机2固定在电机支架1上，电机2的动力输出端与主轴7之间通过联轴器3联接，带中心孔圆盘14用胀紧套11和端盖13固定在主轴7上，主轴7的一端设置有轴承，轴承固定在轴承座4上，轴承座4固定在轴承座支架9上，主轴7的另一端固定有导电滑环6的转子，导电滑环6的定子固定在导电滑环支架8上，带中心孔圆盘14固定在主轴7上，电机支架1、轴承座支架9、导电滑环支架8和传感器支架15均通过T型槽19设置在底座10上；

所述数据采集部分包括电涡流位移传感器16和加速度传感器17，电涡流位移传感器16固定在传感器支架15上，加速度传感器17的输出端通过数据线连接在导电滑环6转子上,导电滑环定子的信号输出端18通过数据线连接到振动模态测试分析仪的信号输入端上，电涡流位移传感器16的信号输出端也连接在振动模态测试分析仪的信号输入端上，本实施例中，加速度传感器型号为B&K4517，电涡流位移传感器的型号为CWY-DO-502，振动模态测试分析仪为LMS16通道振动模态测试分析系统。

采用所述的旋转薄壁圆柱壳结构件的动力学相似模型薄壁圆柱壳结构件实验台的振动测试方法，包括以下步骤：

步骤一：选定研究用的原型薄壁圆柱壳结构件，同时记录下原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，具体包括如下步骤：

步骤A：确定模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数

结合原型薄壁圆柱壳结构件和实验台几何空间，确定模型薄壁圆柱壳结构件与原型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数相似比，原型薄壁圆柱壳结构件可为薄壁光圆柱壳结构件，也可为薄壁加环肋圆柱壳结构件，取模型与原型的缩比为k，则模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数的相似关系为：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

λ_L1＝L_m1/L_p1＝k

λ_R1＝R_m1/R_p1＝k

λ_h1＝h_m1/h_p1＝k

其中，λ_L1为薄壁光圆柱壳结构件长度相似比，L_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件长度，L_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件长度，λ_R1为薄壁光圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，R_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件壁厚，h_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件壁厚；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

λ_L2＝L_m2/L_p2＝k

λ_R2＝R_m2/R_p2＝k

λ_h2＝h_m2/h_p2＝k

λ_ai＝a_im/a_ip＝k

${\mathrm{\λ}}_{l_j}=l_{\mathrm{jm}}/l_{\mathrm{jp}}=k$

${\mathrm{\λ}}_{b_i}=b_{\mathrm{im}}/b_{\mathrm{ip}}=k$

其中，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件长度相似比，L_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，L_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，λ_R2为薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，R_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，为第i个肋高度的相似比，a_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第i个肋的高度，a_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的高度，为薄壁加环肋圆柱壳结构件肋间距的相似比，l_jm为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，l_jp为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，为第i个肋底边长的相似比，b_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长，b_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长,模型薄壁加环肋圆柱壳结构件和原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的肋个数相同，i＝1,2,3,4,5，……，n，j＝1,2,3,4,5，……，n-1；n为肋个数；

步骤B：确定模型薄壁圆柱壳结构件材料参数

模型薄壁圆柱壳结构件的材料参数相似关系为：

λ_E＝E_m/E_p

λ_ρ＝ρ_m/ρ_p

λ_μ＝μ_m/μ_p

其中，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比，ρ_m为模型薄壁圆柱壳结构件密度，ρ_p为原型薄壁圆柱壳结构件密度，λ_μ为薄壁圆柱壳结构件泊松比相似比，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

步骤C：确定模型薄壁圆柱壳结构件动力学参数

模型薄壁圆柱壳结构件的动力学参数相似关系为：

λ_Ω＝Ω_m/Ω_p＝k^-1

其中，λ_Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ω_m为模型薄壁圆柱壳结构件转速；Ω_p为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。

步骤三：依照模型薄壁圆柱壳结构件相关参数，制造加工出实验用的模型薄壁圆柱壳结构件；

步骤四：对已加工好的模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试和动态振动测试：

1)模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试

将加工好的模型薄壁圆柱壳结构件5安装到带中心孔圆盘14一侧，保证模型薄壁圆柱壳结构件5安装牢固，将加速度传感器17粘贴在薄壁圆柱壳结构件5内壁上，将加速度传感器17信号输出引线与导电滑环6转子连接好，此时模型薄壁圆柱壳结构件5静态振动测试前的准备工作完毕；

开始进行模型薄壁圆柱壳结构件5的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击模型薄壁圆柱壳结构件5不同位置点，激振力锤会将敲击模型薄壁圆柱壳结构件5产生的数据及加速度传感器17采集到的数据，通过数据线传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件5的静态固有频率ω_m；

2)模型薄壁圆柱壳结构件的动态振动测试

a)动态固有频率测试

开始进行模型薄壁圆柱壳结构件5的动态固有频率测试，首先启动电机2，通过电机2带动主轴7上的带中心孔圆盘14转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件5的转动，此时的电机2转速为之前已计算得出的模型薄壁圆柱壳结构件转速Ω_m，在模型薄壁圆柱壳结构件5转动过程中，加速度传感器17不断的采集实时信号并将所采得的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件5的各阶动态固有频率_dm；

b)临界转速测试

在进行临界转速测试前，将加工好的模型薄壁圆柱壳结构件5一端按照安装在带中心孔圆盘14上，保证模型薄壁圆柱壳结构件5安装牢固，调整传感器支架15的位置，令电涡流位移传感器16的数据采集端正对模型薄壁圆柱壳结构件5外壁，此时模型薄壁圆柱壳结构件5临界转速测试前的准备工作完毕；

开始进行模型薄壁圆柱壳结构件5的临界转速测试，首先启动电机2，通过电机2带动轴7上的带中心孔圆盘14转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件5的转动，使电机2转速由零逐渐提高，在模型薄壁圆柱壳结构件5转动过程中，电涡流位移传感器16不断的采集实时信号并将所采得的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件5的临界转速；

步骤五：通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性，即确定原型薄壁圆柱壳结构件的静态及动态固有频率、临界转速，具体确定方法如下：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{m1}$

其中，ω_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}1}$

其中，ω_dm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}1}$

其中，ω_Lm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{m2}$

其中，ω_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p2为原型薄壁加环肋的圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比，其计算表达式为：

${\mathrm{\λ}}_D=\frac{D_m}{D_p}=\frac{\frac{E_m{h_{m2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_m}^2)}}{\frac{E_p{h_{p2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_p}^2)}}$

其中D_m为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，D_p为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}2}$

其中，ω_dm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}2}$

其中，ω_Lm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比。

Claims (6)

1.一种薄壁圆柱壳结构件实验台，其特征在于：包括底座、转子驱动部分和数据采集部分，所述底座上设置有电机支架、轴承座支架、传感器支架和导电滑环支架，所述转子驱动部分包括电机、主轴和带中心孔圆盘，所述电机固定在电机支架上，电机的动力输出端与主轴通过联轴器相连接，在主轴上设置有轴承，轴承固定在轴承座内，轴承座固定在轴承座支架上，在主轴上分别固定有导电滑环的转子和带中心孔圆盘，导电滑环的定子固定在导电滑环支架上；

所述数据采集部分包括电涡流位移传感器和加速度传感器，电涡流位移传感器固定在传感器支架上，加速度传感器的信号输出端与导电滑环转子的信号输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的薄壁圆柱壳结构件实验台，其特征在于：在所述底座上端面设置有T型槽，电机支架、轴承座支架、导电滑环支架和传感器支架均通过置于T型槽内的螺钉固装在底座上。

3.采用权利要求1所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：记录下待研究的原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；

步骤二：根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数；

步骤三：根据步骤二中确定的模型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，制造加工出实验用的模型薄壁圆柱壳结构件；

步骤四：对已加工好的模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试和动态振动测试：

1)模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，

将模型薄壁圆柱壳结构件安装到带中心孔圆盘一侧，将加速度传感器粘贴在模型薄壁圆柱壳结构件内壁上,将导电滑环定子的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接，将电涡流位移传感器的信号输出端与振动模态测试分析仪和计算机相连接；

开始进行模型薄壁圆柱壳结构件的静态振动测试，利用激振力锤依次敲击模型薄壁圆柱壳结构件不同位置点，激振力锤敲击模型薄壁圆柱壳结构件产生的数据及加速度传感器采集到的数据传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的静态固有频率；

2)模型薄壁圆柱壳结构件的动态振动测试，

a)动态固有频率测试

首先启动电机，通过电机带动主轴上的带中心孔圆盘转动，进而带动模型薄壁圆柱壳结构件转动，设定电机转速为Ω_m，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，加速度传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号通过导电滑环传输给振动模态测试分析仪和计算机，并通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的各阶动态固有频率；

b)临界转速测试

调整传感器支架的位置，令电涡流位移传感器的数据采集端正对模型薄壁圆柱壳结构件的外壁；

启动电机，使电机转速逐渐升高，在模型薄壁圆柱壳结构件转动过程中，电涡流位移传感器不断的采集实时信号并将所采集的信号传输给振动模态测试分析仪和计算机，通过计算机对所采集的数据进行处理，最终得到模型薄壁圆柱壳结构件的临界转速；

步骤五：通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态振动测试及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特性。

4.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于：步骤二中所述的根据动力学相似原理，通过原型薄壁圆柱壳结构件的几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，确定实验用的模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数、材料参数和动力学参数，具体包括如下步骤：

步骤A：确定模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数

结合原型薄壁圆柱壳结构件和实验台几何空间，确定模型薄壁圆柱壳结构件与原型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数相似比，原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件或薄壁加环肋圆柱壳结构件，则模型薄壁圆柱壳结构件几何尺寸参数的相似关系为：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

λ_L1＝L_m1/L_p1

λ_R1＝R_m1/R_p1

λ_h1＝h_m1/h_p1

其中，λ_L1为薄壁光圆柱壳结构件长度相似比，L_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件长度，L_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件长度，λ_R1为薄壁光圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，R_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件中面半径，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件壁厚，h_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件壁厚；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

λ_L2＝L_m2/L_p2

λ_R2＝R_m2/R_p2

λ_h2＝h_m2/h_p2

λ_ai＝a_im/a_ip

${\mathrm{\λ}}_{l_j}=l_{\mathrm{jm}}/l_{\mathrm{jp}}$

${\mathrm{\λ}}_{b_i}=b_{\mathrm{im}}/b_{\mathrm{ip}}$

其中，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件长度相似比，L_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，L_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件长度，λ_R2为薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径相似比，R_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，R_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件中面半径，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚相似比，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，为第i个肋高度的相似比，a_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第i个肋的高度，a_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的高度，为薄壁加环肋圆柱壳结构件肋间距的相似比，l_jm为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，l_jp为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的第j个肋间距，为第i个肋底边长的相似比，b_im为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长，b_ip为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件第i个肋的底边长,模型和原型薄壁圆柱壳结构件的肋个数相同，i＝1,2,3,4,5……n，j＝1,2,3,4,5，……n-1,n为环肋的个数；

步骤B：确定模型薄壁圆柱壳结构件材料参数

模型薄壁圆柱壳结构件的材料参数相似关系为：

λ_E＝E_m/E_p

λ_ρ＝ρ_m/ρ_p

λ_μ＝μ_m/μ_p

其中，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比，ρ_m为模型薄壁圆柱壳结构件密度，ρ_p为原型薄壁圆柱壳结构件密度，λ_μ为薄壁圆柱壳结构件泊松比相似比，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

步骤C：确定模型薄壁圆柱壳结构件动力学参数

模型薄壁圆柱壳结构件的动力学参数相似关系为：

λ_Ω＝Ω_m/Ω_p

其中，λ_Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ω_m为模型薄壁圆柱壳结构件转速；Ω_p为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。

5.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于：步骤四中所述的动态固有频率测试过程中的设定电机转速为Ω_m，电机转速Ω_m为模型薄壁圆柱壳结构件转速，其由下式确定：

Ω_m＝λ_Ω·Ω_p

其中，λ_Ω为薄壁圆柱壳结构件转速相似比，通过薄壁圆柱壳结构件动力微分平衡方程推导得出，Ω_p为原型薄壁圆柱壳结构件工作时的转速。

6.根据权利要求3所述的薄壁圆柱壳结构件实验台的测试方法，其特征在于：步骤五中所述的通过对模型薄壁圆柱壳结构件进行静态及动态振动测试所得的测试结果确定原型薄壁圆柱壳结构件的动力学特征，即确定原型薄壁圆柱壳结构件的静态及动态固有频率、临界转速，其具体确定方法如下：

a)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁光圆柱壳结构件时

原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{m1}$

其中，ω_m1为模型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p1为原型薄壁光圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}1}$

其中，ω_dm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}1}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{h1}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_E}{{\mathrm{\λ}}_p}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}1}$

其中，ω_Lm1为模型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp1为原型薄壁光圆柱壳结构件的临界转速，λ_h1为薄壁光圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_E为薄壁圆柱壳结构件的弹性模量相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比；

b)原型薄壁圆柱壳结构件为薄壁加环肋圆柱壳结构件时

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{p2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{m2}$

其中，ω_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的静态固有频率，ω_p2为原型薄壁加环肋的圆柱壳结构件的静态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比，其计算表达式为：

${\mathrm{\λ}}_D=\frac{D_m}{D_p}=\frac{\frac{E_m{h_{m2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_m}^2)}}{\frac{E_p{h_{p2}}^3}{12(1-{{\mathrm{\μ}}_p}^2)}}$

其中D_m为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，D_p为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度，E_m为模型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，E_P为原型薄壁圆柱壳结构件弹性模量，h_m2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，h_p2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件壁厚，μ_m为模型薄壁圆柱壳结构件泊松比，μ_p为原型薄壁圆柱壳结构件泊松比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dm}2}$

其中，ω_dm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，ω_dp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的动态固有频率，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比；

原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速计算表达式为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lp}2}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_{L2}^2}\sqrt{\frac{{\mathrm{\λ}}_D}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\λ}}_{h2}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Lm}2}$

其中，ω_Lm2为模型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，ω_Lp2为原型薄壁加环肋圆柱壳结构件的临界转速，λ_h2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的壁厚相似比，λ_L2为薄壁加环肋圆柱壳结构件的长度相似比，λ_ρ为薄壁圆柱壳结构件的密度相似比，λ_D为薄壁加环肋圆柱壳结构件的弯曲刚度相似比。