移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验台架及其试验装置

摘要

一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验装置，其包括，试验台架，其包括，基座及固定于基座的下板，下板中央设有凹槽；悬臂梁，一端设于下板凹槽；左、右导轨，其一端设于下板凹槽；左、右上板，设于左、右导轨上方；质量块，设于悬臂梁上，与一运动发生装置相连；运动发生装置，包括伺服电机及其控制器、微机电源及速度控制器；加速度传感器，固定于质量块上；位移传感器，设于悬臂梁上；应变及电涡流位移传感器，安装于悬臂梁下端面，与信号处理系统和计算机电气连接，计算机根据传感器信号，通过调节微机电源输出电压，以控制质量块运动形式。本发明可以用于测试移动载荷作用下悬臂梁的横向振动特性，也可进一步用于悬臂梁振动的主动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应测试试验装置，更具体地涉及一种移动载荷作用下的悬臂梁动态响应试验台架及其试验系统。

背景技术

弹性梁结构受移动载荷作用有很多，例如车辆——桥梁系统、物料——管线系统、弹丸——身管系统、火箭、导弹——弹性发射梁系统等。因为移动质量和弹性梁振动系统的相互耦合作用，使得移动质量/载荷耦合激励下梁的动态响应成为结构动力学中最原始的难题之一。通常，对移动质量与结构的动力相互作用问题研究，多忽略了移动质量刚体运动与结构弹性振动之间耦合影响。

随着结构设计思想和方法的不断改进以及高新技术的应用，弹性体结构的轻型化和柔性化以及作用在弹性体结构上移动载荷惯性力不断增加，工程中所遇到的移动系统作用下弹性体结构动力学问题的强度越来越大，在航空、航天、军工、交通运输和工程建筑领域都不同程度的存在着亟待解决的移动载荷作用问题，因而移动载荷作用下的弹性体结构动态响应研究日益引起人们的关注和重视。

移动载荷作用下弹性体振动问题主要分为三种：(1)移动力模型；(2)移动质量模型；(3)移动振动模型，即移动质量——弹簧——阻尼系统模型。目前国内外对移动系统作用下弹性体结构动力学问题，主要采用有限元方法、模态分析方法、格林函数等近似数值计算方法，且仅第一类模型得到了深入的研究，有较成熟的结果。第二类模型中移动载荷的运动质量、运动速度参数变化对弹性梁动态响应影响试验研究仍存在空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验台架及其试验装置，可以用于测试移动力、移动质量及移动振动载荷作用下的弹性悬臂梁的动态特性，也可用于实现悬臂梁振动的主动控制。

为达到上述目的，本发明的技术方案是，

一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验台架，其包括，基座，下板，通过两螺柱及螺母固定于所述基座上，该下板中央设有凹槽；悬臂梁，其一端设置于所述下板凹槽底部，另一端为自由端；左、右导轨，分别设置于所述下板凹槽两侧内壁；左、右上板，分别设置于所述下板、及左、右导轨上方，并由螺钉将下板、设置于下板凹槽内的悬臂梁、左、右导轨、左、右上板连接固定；质量块，滑动设置于所述悬臂梁上端面，该质量块与一运动发生装置相连。

本发明的一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验装置，其包括，试验台架，其包括，基座，下板，通过两螺柱及螺母固定于所述基座上，该下板中央设有凹槽；悬臂梁，其一端设置于所述下板凹槽底部，另一端为自由端；左、右导轨，其一端分别设置于所述下板凹槽两侧内壁；左、右上板，分别设置于所述下板、及左、右导轨上方，并由螺钉将下板、设置于下板凹槽内的悬臂梁、左、右导轨、左、右上板连接固定；质量块，滑动设置于所述悬臂梁上端面，该质量块与一运动发生装置相连；一运动发生装置，包括伺服电机及其控制器、连接线、微机电源及速度控制器，所述伺服电机输出轴与所述绕线端子相连，所述绕线端子与质量块通过连接线相连接，所述伺服电机与所述微机电源及速度控制器相连；缓冲装置，对应设置于所述悬臂梁的自由端侧，其上设有摩擦材料；加速度传感器，固定于所述质量块上；位移传感器，设置于所述悬臂梁上；应变及电涡流位移传感器，安装在所述悬臂梁；分别与一信号处理系统和计算机电气连接，所述信号处理系统采集所述传感器信号并对所述信号进行处理后输出给计算机显示，所述计算机可根据传感器信号，通过调节微机电源输出电压，以控制所述质量块运动形式。

进一步，所述的应变传感器安装在所述悬臂梁下端面上，电涡流传感器安装于悬臂梁自由端上端面位置。

又，所述的位移传感器为MTS Tempo Sonics RPV0750型智能传感器，该传感器可以同时输出位移和速度信号，通过支架连接于所述左、右上板上端面。

本发明的有益效果、优点

设计的移动质量作用下悬臂梁动态响应试验台架，可以模拟弹丸、导弹、火箭发射时对身管和发射梁的激励作用，也可以模拟移动载荷对弹性体结构动态响应影响，反映移动载荷不同运动质量和不同运动速度对梁的激励作用。移动载荷质量、运动速度可以根据需要进行配置。设计的移动质量块重量在一定范围连续可调，最大重量可达250g；移动质量块运动速度同样在一定范围连续可调，最大运动速度可达3000mm/s。利用设计的移动质量作用下悬臂梁动态响应试验装置，布置了位移传感器、速度传感器、加速度传感器及应变传感器，基于检测的各物理量信号，可研究移动质量作用下的悬臂梁动态特性，并验证控制方法的有效性。另外，移动质量作用下悬臂梁动态响应试验台架中包括有缓冲装置，可有效保护移动质量块与运动发生装置碰撞。9种不同规格质量块激励下的悬臂梁动态响应试验验证该发明专利结构的可靠性以及试验数据正确性，实验系统的响应时间大约1～2ms；

对移动载荷激励下的弹性体结构动态响应进行试验研究，并进而利用振动主动控制技术进行减振抗冲设计，目前尚未见具体技术方案的报道。移动质量激励下的弹性体结构动力学特性及其振动控制是一门多学科交叉的复杂性课题，理论模型、动力学特性和振动控制策略的设计和实现等专题仍存在许多有待继续研究的问题。该发明专利基于结构动力学和控制理论交叉的独特视角，建立一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验装置，可以为上述问题的研究提供通用试验平台。在试验平台下可分析计算移动质量作用下的悬臂梁动力学特性，进行控制策略仿真和相应的试验论证，功能齐全，能较好地揭示结构动态响应与振动控制的性能，为移动载荷激励下的弹性体系统结构设计、动力学参数匹配及试验验证以及武器系统身管、发射架等结构动态特性与振动控制研究提供有效的技术分析手段与试验保障。

附图说明

图1为本发明的移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验台架的结构示意图；

图2为本发明的移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验台架，其包括，基座1，下板2，通过两螺柱3、3’及螺母固定于所述基座1上，该下板2中央设有凹槽21；悬臂梁4，其一端设置于所述下板2凹槽21底部，另一端为自由端；左、右导轨5、6，分别设置于所述下板2凹槽21两侧内壁；左、右上板7、8，分别设置于所述下板2、及左、右导轨5、6上方，并由螺钉9、9’将下板2、设置于下板2凹槽21内的悬臂梁4、左、右导轨5、6、左、右上板7、8连接固定；质量块10，滑动设置于所述悬臂梁4上端面，该质量块10与一运动发生装置相连。

再请结合参见图1、图2，本发明还提供了一种移动质量作用下的悬臂梁动态响应试验装置，其包括，试验台架(前面已经叙述)，质量块10，滑动设置于所述悬臂梁4，质量块10与一运动发生装置11相连；该运动发生装置11包括伺服电机111及其控制器、绕线端子112、微机电源及速度控制器113，所述伺服电机111输出轴与所述绕线端子112相连，所述绕线端子112与质量块10通过连接线相连接，所述伺服电机111控制器CN I/F接线引脚与所述微机电源及速度控制器113相连；缓冲装置12，对应设置于所述悬臂梁4的自由端侧，其上设有摩擦材料；加速度传感器13，固定于所述质量块10上；MTS位移传感器14，设置于所述悬臂梁4上；应变传感器15及电涡流位移传感器16，安装在所述悬臂梁4；分别与一信号处理系统17和计算机20电气连接，所述信号处理系统17采集所述传感器信号并对所述信号经过电荷放大器18、滤波、A/D采集19进行处理后输出给计算机20显示，所述计算机20可根据传感器信号，通过调节微机电源输出电压，以控制所述质量块10运动形式。

所述的应变传感器、电涡流传感器安装在所述悬臂梁下端面，分别用于监测移动质量块激励下的悬臂梁应变与悬臂梁自由端位移变化。

所述的位移传感器14为MTS Tempo Sonics RPV0750型智能传感器，该传感器可以同时输出位移和速度信号，通过支架连接于所述左、右上板上端面，用于测量移动质量块的运动位置及速度。

在本发明的一个实施例中，质量块10在外界的拉力及左导轨5、右导轨6的导向作用下，可产生各种形式运动，包括匀速运动与变速运动，产生的运动载荷即为一移动质量力，并作用于悬臂梁4，激励其横向振动。

运动控制系统21用于控制质量块10的速度运动形式，通过计算机软件设置，调节伺服电机的控制器，改变伺服电机输出轴的转速，继而控制质量块的速度运动形式；信号处理系统用于采集传感器信号并对采集到的信号进行处理分析，以便通过试验的方法研究不同的运动质量在各种运动规律的作用下悬臂梁的动态特性。

试验过程如下：

为了将电机轴的旋转运动转换为质量块10在悬臂梁4上的直线运动，可将质量块10连接到伺服电机输出轴的绕线端子上，利用伺服电机的运动控制功能，实现质量块10在悬臂梁4上端面多种运动形式。通过调节加在伺服电机控制器上的控制电压，可以实现电机的不同转速，从而实现移动质量块的不同速度运动，包括匀加速和匀减速。当质量块10运动到悬臂梁4的自由端，并开始脱离于悬臂梁4时，调节电机的控制电压，使其输出轴停止转动；同时，在悬臂梁4的末端同一高度位置，安装有缓冲装置12，阻止质量块10的惯性运动。

移动质量激励过程中触发的悬臂梁4的应变信号、位移信号、速度信号、加速度信号都可以通过传感器得到。位移、速度传感器安装在支架上保持不动，加速度传感器安装于质量块10上实现随动，应变传感器安装于悬臂梁4下端面。试验过程中，信号处理此系统不断采集传感器信号，通过各种运算以分析移动质量作用下的悬臂梁4动态特性，并经过一定的信号处理算法得出悬臂梁4在时变载荷作用下的振动特征。在速度控制模式下，通过调节伺服电机输出轴转速，可进一步改变质量块10的运动形式，包括产生不同的运动速度与加速度，利用采集的一系列试验数据，可讨论质量块运动速度、运动质量参数变化对悬臂梁振动动态响应影响，同时为进一步实现悬臂梁振动的主动控制研究提供试验基础。

综上所述，本发明利用伺服电机作为动力源源，研究了悬臂梁在移动质量作用下的动态特性，对悬臂梁的应变和自由端位移在移动载荷下的特性作分析和研究，试验结果可进一步用于指导时变载荷作用下的悬臂梁振动主动控制并验证移动质量作用下弹性体结构振动主动控制方法的有效性。