CN107356419A - 一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，绳索阻尼参数实验。所述实验方法涉及的实验装置设有花篮螺丝、张力传感器、计算机、高速相机、重物和实验台架。实验时将绳索张紧，在绳索中央悬挂重物；然后突然释放重物，对绳索中央施加瞬间激励，使其振动；采用高速相机拍摄绳索中央的振动过程；从所拍绳索振动视频中提取绳索振幅最大处的位移信息进行数据处理和分析，得出与绳索阻尼特性相关的参数及其变化规律。可测量不同长度、不同直径、不同预紧力和不同材料的绳索的阻尼参数，且结构装置简单、安装方便、操作简易、通用性强、试验周期短、试验成本低，可推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及绳索阻尼参数实验，尤其是涉及一种采用高速相机测量绳索阻尼参数的实验方法，用以研究绳索的阻尼特性，并可为绳索的工程应用提供参考。
背景技术
绳索具有线密度低、强度高、柔性好等特点，因此广泛应用于各种工程领域，包括斜拉桥、风洞试验、绳系卫星、大型射电望远镜、水下探测、船舶起重等，通常将这类机构称为绳牵引机构。绳索的阻尼特性是影响机构功能的重要因素之一，也是设计中需要考虑的重要参数。绳索的材料、长度、直径、预紧力不同，都会导致绳索阻尼有较大差异，而迄今尚未见到可靠、完整的绳索阻尼数据可供查询。目前，关于绳牵引机构的研究中，要么不考虑绳索阻尼，要么将绳索阻尼用虚拟值代替，这将给绳牵引机构的设计带来较大误差，甚至影响绳索工程应用的安全性。由于绳索阻尼无法用理论方法计算得到，因此采用实验方法研究绳索的阻尼特性具有重要意义。
文献1(谢旭，中村一史，前田研一，等.CFRP拉索阻尼特性实验研究和理论分析[J].工程力学,2010,27(3)：205-211,216)提出一种基于自由衰减振动的方法测量绳索阻尼参数，其利用激振器对绳索施加激励，利用激光位移计测量绳索的振动位移。文献2(李晓章，谢旭，张鹤.桥梁拉索用CFRP线材阻尼特性试验研究和理论分析[J].工程力学,2015,32(1)：176-183)也提出一种基于自由衰减振动的方法测量绳索阻尼参数，其通过悬挂重物施加强制位移的方法让绳索发生自由衰减振动，利用应变片测量绳索应变，得到绳索阻尼。上述两种方法中，若绳索很细，激光位移计和应变片将难以用于测量，因此上述两种方法均不适用于细绳的阻尼测量。
发明内容
本发明的目的在于针对迄今尚未见到可靠、完整的绳索阻尼数据可供查询，提供可在实际工程应用中使用绳索时，绳索的阻尼参数对绳索的选取具有重要影响和决定性作用的一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法。
本发明包括以下步骤：
1)将张力传感器和相机的数据线连接到计算机上，利用计算机中的张力采集系统和相机拍摄软件分别记录绳索预紧力和振动位移；
2)先将花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧，再将被测试的绳索张紧在花篮螺丝与张力传感器之间，保证绳索在水平、无垂度、无风的条件下进行阻尼实验；
3)调整相机，使相机的透镜轴与绳索处于同一水平面上，对准绳索拍摄点；接着打开补光灯，调节相机焦距、采样频率和分辨率；
在步骤3)中，所述采样频率最好为＞500Hz，分辨率最好为＞1024×128。
4)预紧力调节；
在步骤4)中，所述预紧力调节的方法可为旋紧花篮螺丝，直至绳索张力达到目标值。
5)施加激励；
在步骤5)中，所述施加激励的方法可为：在绳索中央悬挂重物，保证重物静止不摇晃；打开补光灯，先提前几秒开始拍摄，再用剪刀剪断悬挂重物的绳索。
6)视频剪辑；
在步骤6)中，所述视频剪辑的方法可为：截取绳索开始振动至完全停止的视频，并保存，所述保存可采用适当的格式保存。
7)数据处理；
在步骤7)中，所述数据处理的方法可为：利用PS软件逐帧测量绳索振幅最大处的位移，得到振动衰减曲线图，根据对数衰减法，求出阻尼比，数据处理基于对数衰减法，其计算公式如下：
绳索位移y振动衰减的表达式为：
y＝y0exp(-ζωnt)sinωdt (1)
其中阻尼不为零时的固有频率为：
如果绳索位移在t＝ti时刻的响应为yi，且在t＝ti+2πr/ωd时刻的响应为yi+r，那么根据式(1)可得：
特别地，假定yi对应时间函数的一个峰值，幅值为Ai，且yi+r对应时间响应中第r个周期后的峰值，幅值为Ai+r。根据式(2)、(3)可得：
则其对数衰减率为：
由式(5)可得阻尼比的表达式为：
8)重复性试验；
在步骤8)中，所述重复性试验的方法可为：重复步骤4)～6)，重新调节预紧力，控制预紧力在目标值±0.5N范围内；做5次重复性试验，对得到的数据取平均值作为绳索阻尼比。
所述用于测量绳索阻尼参数的实验方法可采用的实验装置设有花篮螺丝、张力传感器、计算机、相机、重物和实验台架；所述花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧；所述花篮螺丝和张力传感器两端上设有绳索，利用张力传感器测量绳索的预紧力；在绳索的中央悬挂重物以加载，通过剪断悬挂重物的绳索以释放载荷，对张紧的绳索实施瞬间激励，利用相机记录绳索振动时最大振幅处随时间的位移变化，继而对绳索振动视频进行图像处理和数据分析，得出与绳索阻尼特性相关的参数及其规律。
将张力传感器和相机的数据线连接到计算机上，利用计算机中的张力信号采集系统和相机拍摄软件分别记录绳索预紧力和振动位移。
所述相机可采用高速相机。
本发明具有以下优点：
(1)结构装置简单、安装方便、操作简易、通用性强、实验周期短、实验成本低。
(2)采用花篮螺丝调节绳索预紧力，操作简易，易于实现。
(3)采用悬挂重物的方式施加瞬间激励，不仅操作简易，还可保证激励方向竖直、绳索振动面竖直；且通过改变悬挂方式，可以加载任意方向的激励。
(4)采用高速相机测量绳索振动位移，可适用于各种直径的绳索，通用性强。
(5)可以测量各种不同绳索的阻尼，从而得到绳索阻尼随不同绳索参数(长度、直径、预紧力、材料)的变化规律曲线，有助于补充和完善绳索阻尼特性数据库。
附图说明
图1为本发明用于测量绳索阻尼参数的实验方法可采用的实验装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明用于测量绳索阻尼参数的实验方法可采用的实验装置包括花篮螺丝1、绳索2、张力传感器3、计算机4、高速相机5、重物6和实验台架7。
利用铝型材搭建实验台架7，铝型材横截面为60mm×60mm，以保证实验台架7具有良好的强度、刚度和稳定性；实验台架7搭建好之后，需要利用水平仪校核其水平度和垂直度；铝型材特有的凹槽可以方便地安装张力传感器和花篮螺丝等。
采用CO型花篮螺丝，将绳索的一端系在花篮螺丝的O端，花篮螺丝的C端固定在实验台的一侧；这样可以方便地调节绳索预紧力，且拆装方便。
花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧，将被测试的绳索张紧在花篮螺丝与张力传感器之间，保证绳索在水平、无垂度、无风的条件下进行阻尼实验。绳索张力的模拟信号由张力传感器测得，并由计算机采集处理后用于控制绳索预紧力。
调整高速相机，使其透镜轴与绳索处于同一水平面上、对准绳索拍摄点；调节相机焦距、采样频率和分辨率，以获取高清的绳索振动视频。
在绳索的中央悬挂特定重量的重物以加载，重物需具有足够的重量，以激起绳索产生一定振幅的振动。通过剪断悬挂重物的细绳以释放载荷，从而对张紧的绳索实施瞬间激励，利用高速相机记录绳索振动时最大振幅处的位移。
对拍摄到的绳索振动视频，利用计算机逐帧进行图像处理，得到绳索振幅最大处随时间的位移，得到振动衰减曲线图，根据对数衰减法求出绳索的阻尼比。
调整绳索参数(长度、直径、材料和预紧力)，利用上述实验方法可以得到不同绳索参数下的阻尼比，进而得到绳索阻尼随不同参数的变化规律。
本发明包括以下步骤：
1)将张力传感器和相机的数据线连接到计算机上，利用计算机中的张力采集系统和相机拍摄软件分别记录绳索预紧力和振动位移；
2)先将花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧，再将被测试的绳索张紧在花篮螺丝与张力传感器之间，保证绳索在水平、无垂度、无风的条件下进行阻尼实验；
3)调整相机，使相机的透镜轴与绳索处于同一水平面上，对准绳索拍摄点；接着打开补光灯，调节相机焦距、采样频率和分辨率，所述采样频率为＞500Hz，分辨率为＞1024×128。
4)预紧力调节：旋紧花篮螺丝，直至绳索张力达到目标值。
5)施加激励：在绳索中央悬挂重物，保证重物静止不摇晃；打开补光灯，先提前几秒开始拍摄，再用剪刀剪断悬挂重物的绳索。
6)视频剪辑：截取绳索开始振动至完全停止的视频，并保存，所述保存可采用适当的格式保存。
7)数据处理：利用PS软件逐帧测量绳索振幅最大处的位移，得到振动衰减曲线图，根据对数衰减法，求出阻尼比，数据处理基于对数衰减法，其计算公式如下：
绳索位移y振动衰减的表达式为：
y＝y0exp(-ζωnt)sinωdt (1)
其中阻尼不为零时的固有频率为：
如果绳索位移在t＝ti时刻的响应为yi，且在t＝ti+2πr/ωd时刻的响应为yi+r，那么根据式(1)可得：
特别地，假定yi对应时间函数的一个峰值，幅值为Ai，且yi+r对应时间响应中第r个周期后的峰值，幅值为Ai+r。根据式(2)、(3)可得：
则其对数衰减率为：
由式(5)可得阻尼比的表达式为：
8)重复性试验：重复步骤4)～6)，重新调节预紧力，控制预紧力在目标值±0.5N范围内；做5次重复性试验，对得到的数据取平均值作为绳索阻尼比。
调整绳索参数(长度、直径、材料和预紧力)，按照上述实验步骤得到不同绳索参数下的阻尼比，进而得到绳索阻尼随不同参数的变化规律。
实验时，将绳索张紧在花篮螺丝与张力传感器之间，保证绳索在水平、无垂度、无风的条件下进行阻尼实验，绳索预紧力由花篮螺丝进行调节，计算机根据由张力传感器测得的绳索张力模拟信号控制绳索预紧力。
在绳索的中央悬挂特定重量的重物以加载，利用重物的重力方向始终竖直向下的特点，保证施加的瞬间激励方向竖直向下，从而使得绳索的主振动在竖直平面内。且可以通过改变悬挂方式，可以加载任意方向的激励，从而实现绳索在不同平面内振动。
悬挂在绳索中央的重物需具有足够的重量，以激起绳索产生一定振幅的振动。
利用高速相机记录绳索振动时最大振幅处的位移，调整高速相机，使其透镜轴与绳索处于同一水平面上、对准绳索拍摄点；调节相机焦距、采样频率和分辨率，以获取高清的绳索振动视频。
Claims (10)
1.一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将张力传感器和相机的数据线连接到计算机上，利用计算机中的张力采集系统和相机拍摄软件分别记录绳索预紧力和振动位移；
2)先将花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧，再将被测试的绳索张紧在花篮螺丝与张力传感器之间，保证绳索在水平、无垂度、无风的条件下进行阻尼实验；
3)调整相机，使相机的透镜轴与绳索处于同一水平面上，对准绳索拍摄点；接着打开补光灯，调节相机焦距、采样频率和分辨率；
4)预紧力调节；
5)施加激励；
6)视频剪辑；
7)数据处理；
8)重复性试验。
2.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤3)中，所述采样频率为＞500Hz，分辨率为＞1024×128。
3.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤4)中，所述预紧力调节的方法为旋紧花篮螺丝，直至绳索张力达到目标值。
4.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤5)中，所述施加激励的方法为：在绳索中央悬挂重物，保证重物静止不摇晃；打开补光灯，先提前几秒开始拍摄，再用剪刀剪断悬挂重物的绳索。
5.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤6)中，所述视频剪辑的方法为：截取绳索开始振动至完全停止的视频，并保存，所述保存采用适当的格式保存。
6.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤7)中，所述数据处理的方法为：利用PS软件逐帧测量绳索振幅最大处的位移，得到振动衰减曲线图，根据对数衰减法，求出阻尼比，数据处理基于对数衰减法。
7.如权利要求6所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于所述基于对数衰减法的计算公式如下：
绳索位移y振动衰减的表达式为：
y＝y0exp(-ζωnt)sinωdt (1)
其中阻尼不为零时的固有频率为：
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特别地，假定yi对应时间函数的一个峰值，幅值为Ai，且yi+r对应时间响应中第r个周期后的峰值，幅值为Ai+r；根据式(2)、(3)得：
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8.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于在步骤8)中，所述重复性试验的方法为：重复步骤4)～6)，重新调节预紧力，控制预紧力在目标值±0.5N范围内；做5次重复性试验，对得到的数据取平均值作为绳索阻尼比。
9.如权利要求1所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于采用的实验装置设有花篮螺丝、张力传感器、计算机、相机、重物和实验台架；所述花篮螺丝与张力传感器分别安装固定在实验台架两侧；所述花篮螺丝和张力传感器两端上设有绳索，利用张力传感器测量绳索的预紧力；在绳索的中央悬挂重物以加载，通过剪断悬挂重物的绳索以释放载荷，对张紧的绳索实施瞬间激励，利用相机记录绳索振动时最大振幅处随时间的位移变化，继而对绳索振动视频进行图像处理和数据分析，得出与绳索阻尼特性相关的参数及其规律；
将张力传感器和相机的数据线连接到计算机上，利用计算机中的张力信号采集系统和相机拍摄软件分别记录绳索预紧力和振动位移。
10.如权利要求9所述一种用于测量绳索阻尼参数的实验方法，其特征在于所述相机采用高速相机。
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