CN110441401A - 增材制造材料结构阻尼系数测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阻尼系数测定的技术领域，具体公开了一种增材制造材料结构阻尼系数测试装置，包括支撑机构和测量系统，支撑机构包括承托板、滑座和至少两个支撑件，支撑件水平滑动连接在滑座上，承托板置于支撑件顶部上，测量系统包括激励承托板振动的无接触式激振器和用于采集承托板振动信号的无接触式采集器，无接触式激振器位于承托板和所述无接触式采集器作用于承托板端部的上侧或者下侧。本发明还保护了采用上述测试装置测试待测试样的阻尼系数的测试方法。相较于现有技术而言，本发明避免了夹持待测试样，既不用控制夹定力、夹定面积的参数保持一致，极大地增强了重复性/复现性和精准度，又避免了夹定力对待测试样的损伤破坏，实用性强。

Description

增材制造材料结构阻尼系数测试方法及装置

技术领域

本发明涉及阻尼系数测定的技术领域，具体公开了一种增材制造材料结构阻尼系数测试方法及装置。

背景技术

对于增材制造材料阻尼系数的精准测量，目前还没有重复性/复现性和实用性都比较好的方法。可以借鉴的相关技术中，可选择美国汽车工程师协会的《SAE J1637-2007》、国家标准《GB/T 18528-2000》等标准中的测试方法：将待测试样做成矩形条状，一端刚性夹定，另一端为自由端，然后通过锤子敲击或者使用电磁激振的方式使试样发生振动，再通过测量仪器对材料的阻尼特效进行测量。但这种方法相对于增材制造材料阻尼系数的精准测量，其缺陷非常明显：首先，试样端部需要被刚性夹定，每次夹定时的夹定力、夹定面积等参数很难保证完全一致，这就导致测试误差较大，误差甚至能达到30％以上，重复性/复现性差，而且对于某些增材制造材料或者结构来说，无法承受夹定时产生的夹持力，否则会造成待测试样破损，因此上述方法在用于增材制造材料或者结构阻尼系数的测量的实用性也较差。其次，若采用锤子敲击的方式激振，敲击的瞬间锤子与试样接触，直接导致了材料阻尼系数的改变，而且敲击产生的破坏力也可能会造成待测试样破损，更不好把握每次敲击的力完全一致，从这个角度来说，上述方法在用于增材制造材料或者结构阻尼系数的测量的重复性/复现性和实用性也较差。

因此，相关技术中的材料阻尼系数测试方法，无法用于增材制造材料阻尼系数的精准测量的测量，需要一种能够精准测量增材制造材料本身或者以增材制造的方式制造出的结构的阻尼系数的方法。

发明内容

本发明意在提供一种增材制造材料结构阻尼系数测试方法及装置，以解决精准测量增材制造材料本身或者通过增材制造的方式制造出的结构的阻尼系数的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

增材制造材料结构阻尼系数测试装置，包括支撑机构和测量系统，支撑机构包括承托板、滑座和至少两个支撑件，支撑件水平滑动连接在滑座上，承托板置于支撑件顶部上，所述测量系统包括激励承托板振动的无接触式激振器和用于采集承托板振动信号的无接触式采集器，所述无接触式激振器位于承托板和所述无接触式采集器作用于承托板端部的上侧或者下侧。

本方案的技术原理及有益效果为：与相关技术相比，本方案采用了完全不同的待测试样支撑方案：本方案中待测试样即待测增材制造材料本身或者通过增材制造的方式制造出的结构，通过增材制造的方法固接到承托板上，而支撑件则支撑在承托板的下方，通过滑动支撑件让承托板和待测试样静置于承托板上方，实现了待测试样在空间中的相对位置的固定，与相关技术中的夹定的固定方式相比，完全避免了“夹持力”，既不用控制夹定力、夹定面积的参数保持一致，极大地增强了重复性/复现性，又避免了夹定力对待测试样的损伤破坏，实用性强。再者，本方案中的测量系统均采用非接触式，避免了测试系统本身对待测试样振动的影响，进一步提升阻尼系数测试的精准性。

可选地，所述无接触式采集器为激光多普勒测振仪。激光多普勒测振仪为广泛应用的无接触式振动数据采集仪器，技术成熟，可靠性高，精准度高。

可选地，所述承托板由磁性合金材料制成，所述无接触式激振器为电磁激振器或者声波激振器。电磁激振器是将周期变化的电流输入电磁线圈以使被激件承托板产生周期性地振动，即正弦或者余弦式的振动，并且激振的过程中电磁激振器无需与承托板接触，避免了测试系统本身对待测试样振动的影响，提升阻尼系数测试的精准性。声波激振器是利用声波使被激件产生与声波频率相同的振动，也无需与承托板接触，避免了测试系统本身对待测试样振动的影响，提升阻尼系数测试的精准性。

可选地，所述无接触式激振器为电磁激振器，所述承托板由非磁性材料制成，承托板靠近电磁激振器的一端上设有磁性贴片，磁性贴片朝向电磁激振器。只要采用磁性贴片的方式，将磁性贴片贴合在承托板上，即可通过电磁激振器激励承托板振动，而承托板即可选择任意振动传导性能良好的材料，承托板甚至可由待测试材料本身制作而成，使承托板选材广泛。

可选地，所述无接触式激振器为电磁激振器，所述承托板由非磁性材料制成，承托板靠近电磁激振器的一端一体成型有磁性块，磁性块朝向电磁激振器。采用在承托板上一体成型磁性块的方式，也有利于提升承托板选材的广泛性。并且一体成型的方式使振动的传导更良好，更能提高阻尼系数测试的精准性。

可选地，所述承托板靠近激光多普勒测振仪的一端上设有散射片，散射片朝向激光多普勒测振仪。散射片一方面提高承托板的光线散射率，更利于激光多普勒测振仪采集振动数据，另一方面利用散射片本身的质量平衡承托板另一端贴了磁性贴片或者一体成型了磁性块的重量，使得承托板的两端更平衡，有利于节点区对称分布或者均匀分布在承托板上，并且也使得振动更平稳。

可选地，所述支撑件为水平放置的支撑板，支撑板的数量为三个，支撑板的顶部上设有可水平滑动的支撑柱，其中两个支撑柱上设有螺纹且螺纹连接有调节部，调节部的顶部呈锥台状。对于高阶振动模态，节点区数量多且分布比较分散，三个支撑板上的三个支撑柱可以自由选择支撑三个节点区，以保证承托板稳定地被支撑在支撑板的上方。而且，利用将承托板静置于支撑件顶部的方式，只要支撑件顶部尽可能的小，可极大地减小支撑机构对待测试样振动的影响。因此，锥台状的调节部的上部面积小于下部面积，减小了调节部与支撑板的接触面积，可大幅提升阻尼系数测试的精准性，减少误差。

可选地，所述支撑板底部固接有永磁体，所述滑座为由能与永磁体吸引的材料制成的平板。支撑板可在滑座上任意滑动并通过磁力实现锁定，避免承托板在振动的过程中导致支撑板发生位移而影响阻尼系数测试的精准性。

可选地，所述滑座上设有滑轨，所述支撑板上固接有与滑轨滑动连接的滑槽，滑槽上螺纹连接有锁紧螺栓。利用滑轨和滑槽的配合导向支撑板的滑动，并且通过刻度量化支撑板滑动位移量，然后通过旋拧锁紧螺栓将支撑板锁定在滑轨上，避免承托板在振动的过程中导致支撑板发生位移而影响阻尼系数测试的精准性。

本发明中的增材制造材料的结构阻尼系数测试方法，包括以下步骤：

(1)将待测试的材料或者结构通过增材制造技术加工成型为承托板或者加工成型到承托板的上表面上；

(2)将加工成型有待测试的材料或者结构的承托板放置在支撑件上，启动无接触式激振器使承托板振动，启动无接触式采集器采集振动数据，获取承托板的频率响应函数，从频率响应函数中择一共振模态频率；

(3)寻找节点区：以该共振模态频率再次激励承托板振动，使用激光多普勒扫描仪扫描承托板得到共振模态图，共振模态图中位移为零处则为节点区；

(4)滑动支撑件，将支撑件分别支撑在承托板下方不同的节点区上，并保持承托板静置于支撑件上；

(5)重复步骤(3)～(4)，微调支撑件支撑在节点区下方的支撑位置，直至节点区的位置不再改变；

(6)再次启动无接触式激振器使承托板以该共振模态频率振动，再次启动无接触式采集器采集振动数据，获取承托板的频率响应函数；

(7)采用半功率点法或曲线拟合法或导纳圆法计算得出测试的材料或者结构的阻尼系数。

本方案的技术原理及有益效果为：采用上述增材制造材料结构阻尼系数测试装置时，待测试样和承托板在振动时呈正弦或者余弦式的振动模态，在此振动模态下，总是会存在一些振幅为零的区域，即节点区，而在待测试样不变、待测试样与外界连接位置/强度不变的情况下，再以相同的频率振动，这些节点区的位置也不会改变。利用此原理，本增材制造材料的结构阻尼系数测试方法先以某一频率非接触式地激励待测试样振动后，通过非接触式的采集器采集振动数据，获得待测试样的共振模态频率，然后以共振模态频率激振待测试样，使用激光多普勒扫描仪扫描承托板和待测试样得到共振模态图，即可找出待测试样和承托板在共振模态频率下的节点区，再将支撑件移动到相应的的节点区下方将待测试样支撑起来，此时承托板与支撑件的连接强度未改变但是连接位置发生了少许变化，重复步骤(3)～(4)，与外界连接位置(即承托板与支撑件接触处)对节点区的分布的影响越来越小，每次振动确定节点区后，微调(不改变支撑件所支撑的节点区)支撑件支撑在节点区下的支撑位置，并且始终保持承托板能静置于支撑件上。每次微调后，节点区的位置变化将会越来越小，直至节点区的位置不在改变。

由于节点区本身振幅为零，因此就完全避免了支撑件对待测试样振动的影响，此后再以共振模态频率激振承托板和待测试样时，待测试样不变、待测试样与外界连接位置/强度不变，则可排除外界对待测试样振动的影响，获取承托板和待测试样的频率响应函数，采用半功率点法即可计算得出测试的材料或者结构精准的阻尼系数。

如果采用相关技术中的恒温箱、恒湿箱和真空箱等，在步骤(2)～(6)中可将温度、湿度和真空度等保持恒定，还可进一步排除外界的影响，进一步提升精准性；另外，也可自由设定温度、湿度、真空度等，以便于测量待测试样在不同温度、湿度、真空度等下的阻尼系数。

附图说明

图1为本发明增材制造材料结构阻尼系数测试装置实施例一的示意图；

图2为本发明增材制造材料结构阻尼系数测试装置实施例二的示意图；

图3为本发明增材制造材料结构阻尼系数测试装置实施例三的示意图；

图4为本发明增材制造材料结构阻尼系数测试装置实施例四的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式可选地详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：滑座1、承托板2、支撑板3、凹槽4、支撑柱5、调节部6、滑槽7、锁紧螺栓8、电磁激振器9、激光多普勒测振仪10、磁性贴片11、散射片12、磁性块13、滑轨14。

实施例一

基本如附图1所示：增材制造材料结构阻尼系数测试装置包括支撑机构和测量系统，支撑机构包括承托板2、滑座1和三个支撑板3，滑座1为由镍铁合金制成的平板，支撑板3由尼龙制成，支撑板3的底面为平面且底面上内嵌有磁石，支撑板3水平滑动连接在滑座1上，支撑板3的顶部沿水平方向设有凹槽4，凹槽4内滑动连接有竖直设置的支撑柱5，支撑柱5底部与凹槽4过渡配合(本实施例中，支撑柱5的底部的直径与凹槽4的内宽度值相同)，位于左侧和中间的两个支撑柱5上设有螺纹且螺纹连接有调节部6，调节部6的顶端小于底端，承托板2置于调节部6顶端上，承托板2也由镍铁合金制成，长为15cm，宽3cm，厚3mm，测量系统包括激励承托板2振动的电磁激振器9(本实施例中采用宝应新力XDJ20非接触式激振器)和用于采集承托板2振动信号的激光多普勒测振仪10(本实施例中采用Polytec PSV-500扫描式激光测振仪)，电磁激振器9位于承托板2的一端的上方，所述激光多普勒测振仪10的采集信号端位于承托板2的另一端的上方。

增材制造材料的结构阻尼系数测试方法为：

(1)将待测试的材料或者结构通过3D打印技术打印到承托板2的上表面上；

(2)将打印有待测试的材料或者结构的承托板2放置在支撑柱5上，旋拧调节部6使承托板2水平静置，启动电磁激振器9使承托板2振动，启动激光多普勒测振仪10采集振动数据，获取承托板2的频率响应函数，从频率响应函数中择一共振模态频率；

(3)寻找节点区：以该共振模态频率再次激励承托板2振动，使用激光多普勒扫描仪扫描承托板2得到共振模态图，共振模态图中位移为零处则为节点区；

(4)滑动支撑件，将支撑件分别支撑在承托板2下方不同的节点区上，并保持承托板2静置于支撑件上；

(5)重复步骤(3)～(4)，微调支撑件支撑在节点区下方的支撑位置，直至节点区的位置不再改变；

(6)再次启动电磁激振器9使承托板2以该共振模态频率振动，再次启动激光多普勒测振仪10采集振动数据，获取承托板2的频率响应函数；

(7)采用半功率点法计算得出测试的材料或者结构的阻尼系数。

具体实施过程如下：将待测试的材料或者结构(即待测试样)通过增材制造技术加工成型到承托板2的上表面上；将带有待测试样的承托板2放置在支撑板3的支撑柱5上，旋拧调节部6并水平滑动支撑板3或者水平滑动支撑柱5，使承托板2稳定地静置于三个支撑柱5上，支撑板3通过磁力吸附在滑座1上，支撑板3保持静止；启动电磁激振器9使承托板2振动，启动激光多普勒测振仪10采集振动数据，获取承托板2的频率响应函数，从频率响应函数中选择共振模态频率，以共振模态频率多次激励承托板2振动，每次都使用激光多普勒扫描仪扫描承托板2得到共振模态图，共振模态图中位移为零处则为节点区；再次旋拧调节部6并水平滑动支撑板3或者水平滑动支撑柱5，让支撑柱5分别支撑在三个节点区的下方，并保持承托板2稳定地静置于支撑板3上，将支撑位置在承托板2上标记出来；每次调整支撑柱5时都围绕标记位置进行微调；直至节点区的位置不再发生改变，再次启动电磁激振器9使承托板2以该共振模态频率振动，再次启动激光多普勒测振仪10采集振动数据，获取承托板2的频率响应函数；采用半功率点法计算得出测试的材料或者结构的阻尼系数。

实施例二

基本如附图2所示：增材制造材料结构阻尼系数测试装置与实施例一的区别在于：承托板2长为15cm，宽4cm，厚2mm，滑座1是由铸铁制成的平板，滑座1上还焊接有与滑座1顶面平行的直条形的滑轨14，滑轨14上设有刻度，支撑板3上焊接有与滑轨14滑动连接的滑槽7，滑槽7上螺纹连接有锁紧螺栓8。支撑柱5和调节部6也具有磁性。增材制造材料的结构阻尼系数测试方法与实施例一相同。

具体实施过程如下：与实施例一的实施过程的区别仅在于：带有待测试样的承托板2放置在支撑板3的支撑柱5上后，沿导轨滑动支撑板3，通过滑轨14上的刻度读取各个支撑板3之间的距离，在水平滑动支撑柱5，使承托板2稳定地静置于三个支撑柱5上，然后再通过旋拧锁紧螺栓8，将支撑板3锁紧在滑座1上。支撑柱5和调节部6利用磁性将承托板2吸附住，可选地保证承托板2的稳定。

实施例三

基本如附图3所示：增材制造材料结构阻尼系数测试装置与实施例二的区别在于：承托板2为待测试样本身，承托板2靠近电磁激振器9的一端上设有磁性贴片11，磁性贴片11由粘贴层和磁性层相互固接组成，粘贴层上面设有黏胶，磁性层为镍铁合金片，黏胶粘在承托板2上，镍铁合金片朝向电磁激振器9；承托板2靠近激光多普勒测振仪10的一端上设有质量与磁性贴片11相同的散射片12，散射片12和磁性贴片11的质量之和与承托板2的质量之比小于1％。增材制造材料的结构阻尼系数测试方法也与实施例二相同。

具体实施过程与实施例二的实施过程相同。由于采用磁性贴片11，则承托板2的材料不必受限于能够被磁性吸引的材料，因此将承托板2制作成待测试样本身，再在承托板2上粘附上质量远小于承托板2的磁性贴片11和散射片12，则可激振承托板2和采集振动数据，并且保证阻尼系数测试的精准性。

由于使用了散射片12，更利于激光多普勒测振仪10采集振动数据，并且使得承托板2的两端更平衡，也使振动更平稳，让节点区对称分布或者均匀分布在承托板2上。

实施例四

基本如附图4所示：增材制造材料结构阻尼系数测试装置与实施例二的区别在于：承托板2为待测试样本身，承托板2靠近电磁激振器9的一端一体成型有磁性块13，一体成型的方式为利用3D打印将磁性块13嵌入到承托板2内，磁性块13朝向电磁激振器9，承托板2靠近激光多普勒测振仪10的一端上设有质量与磁性块13相同的散射片12。增材制造材料的结构阻尼系数测试方法也与实施例二相同。

具体实施过程与实施例二的实施过程相同。利用3D打印本身的技术特性，将承托板2制作成测试试样本身，以利于进一步避免承托板2对测试精准性的影响。相比于实施例三中使用黏胶粘附磁性贴片11的方式，还可以避免黏胶对振动造成的影响，进一步提升阻尼系数测试的精准性。

一体成型的方式使振动的传导更良好，更能提高阻尼系数测试的精准性，并且使用了散射片12，更利于激光多普勒测振仪10采集振动数据，并且使得承托板2的两端更平衡，也使振动更平稳，让节点区对称分布或者均匀分布在承托板2上。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (10)

1.增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：包括支撑机构和测量系统，支撑机构包括承托板、滑座和至少两个支撑件，支撑件水平滑动连接在滑座上，承托板置于支撑件顶部上，所述测量系统包括激励承托板振动的无接触式激振器和用于采集承托板振动信号的无接触式采集器，所述无接触式激振器位于承托板和所述无接触式采集器作用于承托板端部的上侧或者下侧。

2.根据权利要求1所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述无接触式采集器为激光多普勒测振仪。

3.根据权利要求2所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述承托板由磁性合金材料制成，所述无接触式激振器为电磁激振器或者声波激振器。

4.根据权利要求2所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述无接触式激振器为电磁激振器，所述承托板由非磁性材料制成，承托板靠近电磁激振器的一端上设有磁性贴片，磁性贴片朝向电磁激振器。

5.根据权利要求2所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述无接触式激振器为电磁激振器，所述承托板由非磁性材料制成，承托板靠近电磁激振器的一端一体成型有磁性块，磁性块朝向电磁激振器。

6.根据权利要求4～5中任一项所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述承托板靠近激光多普勒测振仪的一端上设有散射片，散射片朝向激光多普勒测振仪。

7.根据权利要求3～5中任一项所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述支撑件为水平放置的支撑板，支撑板的数量为三个，支撑板的顶部上设有可水平滑动的支撑柱，其中两个支撑柱上设有螺纹且螺纹连接有调节部，调节部的顶部呈锥台状。

8.根据权利要求7所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述支撑板底部固接有永磁体，所述滑座为由能与永磁体吸引的材料制成的平板。

9.根据权利要求7所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置，其特征在于：所述滑座上设有滑轨，滑轨上还设有刻度，所述支撑板上固接有与滑轨滑动连接的滑槽，滑槽上螺纹连接有锁紧螺栓。

10.采用权利要求1～9所述的增材制造材料结构阻尼系数测试装置测试增材制造材料的结构阻尼系数的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将待测试的材料或者结构通过增材制造技术加工成型到承托板的上表面上；

(2)将加工成型有待测试的材料或者结构的承托板放置在支撑件上，启动无接触式激振器使承托板振动，启动无接触式采集器采集振动数据，获取承托板的频率响应函数，从频率响应函数中择一共振模态频率；

(3)寻找节点区：以该共振模态频率再次激励承托板振动，使用激光多普勒扫描仪扫描承托板得到共振模态图，共振模态图中位移为零处则为节点区；

(4)滑动支撑件，将支撑件分别支撑在承托板下方不同的节点区上，并保持承托板静置于支撑件上；

(5)重复步骤(3)～(4)，微调支撑件支撑在节点区下方的支撑位置，直至节点区的位置不再改变；

(6)再次启动无接触式激振器使承托板以该共振模态频率振动，再次启动无接触式采集器采集振动数据，获取承托板的频率响应函数；

(7)采用半功率点法或曲线拟合法或导纳圆法计算得出测试的材料或者结构的阻尼系数。