CN210271424U - 一种用于模态分析的自测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于模态分析的自测装置，包括固定支架，所述固定支架上设有水平伸出的柔性悬臂梁，所述柔性悬臂梁在其根部和二阶振型应力最大处分别设有一个智能材料片状元件，两个智能材料片状元件都通过导线连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机。与现有技术相比，本实用新型利用智能材料压电陶瓷的驱动特性，以柔性悬臂梁为载体，得到携有两片压电陶瓷片的自测结构，可以用于测量柔性悬臂梁前两阶的固有频率，因此可以应用于模态分析实验教学中，检测过程有助于对各阶模态振动频率的理解。
Description
技术领域
本实用新型涉及模态分析技术领域，尤其是涉及一种用于模态分析的自测装置。
背景技术
在工程测试和机械振动学科教学与学习过程中，振动模态一直是比较抽象的概念，如果在教学种加入具体实验，就可以使学生获取丰富的感性认识，并培养学生的动手能力，大幅度提高教学效果。
智能材料是一种能感知外部刺激，且能将外加位移激励转换成电信号，把外加电压激励信号转换成位移且迫使自身根据所加电压产生位移的材料。智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。
模态是结构系统的固有振动特性，线性系统的自由振动被解耦合为N个正交的单自由度振动系统，对应系统的N个模态。模态向量有一个很重要的特性，即“模态正交性”，所谓模态分析法，就利用系统固有的模态正交性，以系统的各阶模态向量所组成的模态矩阵作为交换矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性变换，使得振动系统以物理坐标和物理参数描述，互相耦合的运动方程，能够变成一组彼此独立的方程，每个独立方程只含有一个独立的模态坐标。模态分析实质上使坐标变换，目的是为了解除方程的耦合，便于求解。
模态分析的首要任务是计算出系统各阶的模态参数，例如系统的固有频率和振型；模态质量或模态刚度，以及模态阻尼等等。真正要从理论上比较精确完全计算这些模建参数，也是极其困难。只有与实验分析方法相结合，才能充分发挥模态分析的优越性，一般情况下系统前两阶的模态是最重要的，而分析模态所需的参数中，固有频率是最难测量，也最为重要。
对于结构动态设计来说，振动模态对于弹性结构而言是一个固有的特性，利用模态分析方法可以推断出在结构内部和外部振源的影响下，容易发生共振促使结构损坏的频率范围，以此在结构设计中可以优化结构，避免不必要的共振所带来的结构消耗及故障。可见模态分析运用之广泛，振动频率对结构设计的重要性。
目前，智能材料与结构相结合来测量频率的自测装置少见，测量效果不佳。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于模态分析的自测装置。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于模态分析的自测装置，包括固定支架，所述固定支架上设有水平伸出的柔性悬臂梁，所述柔性悬臂梁在其根部和二阶振型应力最大处分别设有一个智能材料片状元件，两个智能材料片状元件都通过导线连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机。
优选的，所述智能材料片状元件为压电陶瓷片。
优选的，所述智能材料片状元件与数据采集器之间设有电荷放大器。
优选的，所述固定支架在柔性悬臂梁的下方设有用于指示柔性悬臂梁振动的二阶模态位置的指示杆。
优选的，所述指示杆通过可活动方式连接固定支架。
优选的，所述柔性悬臂梁的弹性模量为：7.1×1010。
优选的，所述计算机中包括具有数据采集及转换程序的芯片。
优选的，所述计算机中包括具有时域及频域分析程序的芯片。
与现有技术相比，本实用新型利用智能材料压电陶瓷的驱动特性，以柔性悬臂梁为载体，得到携有两片压电陶瓷片的自测结构，本装置可以用于测量柔性悬臂梁前两阶的固有频率，因此可以应用于模态分析实验教学中，检测过程有助于对各阶模态振动频率的理解，还可以在结构设计中得到广泛应用。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为压电陶瓷片在柔性悬臂梁上设置位置示意图；
图3为由位于柔性悬臂梁根部的陶瓷压电片得到的悬臂梁时域振动图；
图4为由位于柔性悬臂梁二阶振型应力最大处的陶瓷压电片得到的悬臂梁时域振动图；
图5为傅里叶变换后柔性悬臂梁根部的频域图；
图6为傅里叶变换后位于柔性悬臂梁二阶振型应力最大处的频域图。
图中标注：1、固定支架，2、数据采集器，3、柔性悬臂梁，4、压电陶瓷片，5、导线，6、指示杆，7、计算机，8、数据传送线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本申请提出一种用于模态分析的自测装置，包括固定支架1，固定支架1上设有水平伸出的柔性悬臂梁3，柔性悬臂梁3在其根部和二阶振型应力最大处分别设有一个智能材料片状元件，形成自测结构，如图2所示。两个智能材料片状元件都通过导线5连接数据采集器2，数据采集器2连接计算机7。
本实施例中，柔性悬臂梁3的参数为：ρ＝2.7×103kg/m3，长度：0.477m，宽度：0.0305m，厚度：0.7mm，弹性模量：7.1×1010。
本实施例中，优选的，智能材料片状元件为压电陶瓷片4，压电陶瓷片4的弹性模量：30.336×109，长度：2.8cm，宽度：1.4cm，厚度：0.5mm，介电系数：-1.7×10-7。压电陶瓷片4与数据采集器2之间设有电荷放大器。
固定支架1在柔性悬臂梁3的下方设有用于指示柔性悬臂梁3振动的二阶模态位置的指示杆6。指示杆6通过可活动方式连接固定支架1，可以调整高度。
本实施中，数据采集器2采用MCC_USB 1808X型号多功能数据采集器。
计算机7包括具有数据采集及转换程序的芯片，本实施例中，数据采集及转换程序通过labview软件实现，在labview的数据采集程序中设置管道参数：管道1和管道2：最小电压为-10V，最大电压+10V，一秒输出10个样本，样本频率100HZ。计算机7中还包括时域及频域分析程序，本实施例中，时域及频域分析程序通过MATLAB软件实现，由labview得到几组测量数据，通过人工数据筛选测量效果好的一组，再由MATLAB程序分析得到测量结果。使用MATLAB程序把输出的时间位移文件分析处理，得到柔性悬臂梁3两个位置输出的振动时域图，分别如图3、图4所示，MATLAB程序把得到的时域数据文件做快速FFT变换得到柔性悬臂梁3两个位置的频域图，分别如图5、图6所示。
通过对快速FFT变换得到的频域图分析可以很清楚看到此柔性悬臂梁3的一阶和二阶振动频率，在整个自测结构实验过程中，结合智能材料的双驱动特性，更好的了解了柔性悬臂梁3的固有频率特性，得到模态分析所需的频率。此装置也可以用到结构设计中用于优化结构，避免不必要的共振所带来的结构消耗及故障。
在连接好自测结构和其他一系列的实验设备，设置好软件参数后，把柔性悬臂梁3拨至其二阶模态，以二阶模态振型为初始状态迫使悬臂梁做自由振动，附着在柔性悬臂梁3上的压电陶瓷片4如同一个压电式力传感器，轴向力使压电元件表面释放电荷，通过电荷放大器转换为电压信号。电压信号通过数据采集器2的1号、2号端口传入labview的数据采集程序中，经过抗混滤波、采样和数模转换，必要时还经过细化再进入MATLAB函数处理输振动的时间位移文件，最后经过FFT运算得到所需要的频响函数数据文件。
本装置的使用方法具体包括：
S1：通过ansys有限元仿真得到柔性悬臂梁3振动时的一阶振型和二阶振型所受应力最大的点，将指示杆6调节到柔性悬臂梁3振动的二阶模态位置的高度；
S2：构建悬臂梁模频率自测结构如图1所示；
S21：选取合适的智能材料：压电陶瓷；
S22：在柔性悬臂梁3的根部和二阶振型应力最大处使压电陶瓷片4和柔性悬臂梁3紧密相连；
S23：分别使用2根导线5把两个压电陶瓷片4的高低电平与数据采集器2的1号、2号通道相连接，使用USB数据传送线8把数据采集器2与计算机7连接；
S3：把自测结构拨至振动的二阶模态处，以柔性悬臂梁3的二阶模态为初始位移状态迫使悬臂梁做自由振动；
S4：分别采集两片压电陶瓷片4在初始激励后产生的响应信号；
S5：把测量得到的自由振动响应信号作快速傅里叶变换，得到柔性悬臂梁3一阶和二阶的固有频率。
相比较其他测量模态的装置，此装置更简单，准确性更高，在教学上也更具有实践意义。因为结构的频率除了受自身结构特点的影响还受外部环境的影响，在测量频率的实践中比起如振型叠加法等计算方法测量所得到的频率本装置得到的频率更加准确。
Claims (8)
1.一种用于模态分析的自测装置，包括固定支架，其特征在于，所述固定支架上设有水平伸出的柔性悬臂梁，所述柔性悬臂梁在其根部和二阶振型应力最大处分别设有一个智能材料片状元件，两个智能材料片状元件都通过导线连接数据采集器，所述数据采集器连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述智能材料片状元件为压电陶瓷片。
3.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述智能材料片状元件与数据采集器之间设有电荷放大器。
4.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述固定支架在柔性悬臂梁的下方设有用于指示柔性悬臂梁振动的二阶模态位置的指示杆。
5.根据权利要求4所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述指示杆通过可活动方式连接固定支架。
6.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述柔性悬臂梁的弹性模量为：7.1×1010。
7.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述计算机中包括具有数据采集及转换程序的芯片。
8.根据权利要求1所述的一种用于模态分析的自测装置，其特征在于，所述计算机中包括具有时域及频域分析程序的芯片。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112230604A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-01-15 | 中国科学院自动化研究所 | 基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法 |
| CN112309208A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-02 | 西安理工大学 | 一种单自由度振动及其共振演示教具 |
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| CN112230604A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-01-15 | 中国科学院自动化研究所 | 基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法 |
| US11209843B1 (en) | 2020-12-15 | 2021-12-28 | Institute Of Automation, Chinese Academy Of Sciences | Control method for flexible carbon cantilever beam actuated by smart material |
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