框架结构动力特性及响应对比实验装置

摘要

本发明涉及力学领域，特别是涉及结构动力学实验，本发明解决的技术问题为将有控制装置的控制框架和无控制装置的参照框架结构包含在一个动力特性及响应对比实验中，直观地将控制框架与参照框架结构同时进行动力特性及响应对比和检验。它主要设置磁流变阻尼器、单摆质量球、橡胶隔震垫振动控制装置的框架为控制框架，不设置以上振动控制装置的框架为参照框架。参照框架与控制框架通过柱脚板与框架连接底板连接，电机动力依次通过旋转传力杆、框架传力拉杆、框架连接板传递至框架连接底板上，从而实现两种框架的水平振动。本发明直观而且可以定量地体现控制框架与参照框架结构动力特性及响应，可广泛应用于高等工科学校的实验及演示设备。

说明书

技术领域

本发明涉及结构动力学实验，尤其是涉及一种框架结构动力特性及响应对比实验装置。

 背景技术

现有的框架结构动力特性及响应实验装置大多是针对无附加控制装置的框架结构而设计的。而在结构动力学振动控制实验中，对采取振动控制措施、安装振动控制装置后的框架结构动力特性及响应的认识是非常重要的。目前即使有安装振动控制装置的框架结构动力特性及响应实验装置，也只是针对某一种或两种控制方式，并且没有将控制框架与参照框架结构动力特性及响应进行对比，不能更好地说明有控制装置框架结构的特点及动力特性及响应。

 发明内容

技术问题：本发明解决的问题为将控制框架与参照框架结构包含在一个动力特性及响应对比实验装置中，直观地将控制框架与参照框架结构同时进行动力特性及响应对比和检验。

 技术方案：

本发明的框架结构动力特性及响应对比实验装置，它主要包括参照框架、控制框架、框架连接底板、滑轮组、导轨、底板、激励及传动系统、数据采集及控制系统、水槽、红色水体；参照框架与控制框架并列连接在一个框架连接底板上；框架连接底板通过滑轮组、导轨与底板连接；激励及传动系统与框架连接底板通过螺栓连接；数据采集及控制系统与参照框架、控制框架连接；水槽中盛有红色水体，并粘接在参照框架与控制框架上；所述的激励及传动系统由振幅调节盘、电机转子孔振幅调节曲槽、电机、电机调速器、旋转传力杆、框架传力拉杆、传力拉杆底座组成；电机转子孔与振幅调节曲槽位于振幅调节盘上；电机转子孔与电机通过键连接；旋转传力杆一端采用活动螺杆连接振幅调节曲槽，另一端采用活动螺杆连接框架传力拉杆；框架传力拉杆穿过传力拉杆底座，传力拉杆底座和电机通过螺栓固定在底板上；框架传力拉杆与框架连接板通过拉杆调节螺母连接；所述的参照框架由框架柱、上框架板、下框架板、柱脚板、框架连接底板组成；所述的控制框架由框架柱、上框架板、下框架板、柱脚板、框架连接底板、磁流变阻尼器、单摆质量球、橡胶隔震垫组成；磁流变阻尼器一端依次与力传感器、磁流变阻尼器支架通过螺纹连接，另一端依次与磁流变阻尼器连接板、框架板通过螺栓连接；单摆质量球与上框架板通过单摆线连接；橡胶隔震垫上端与柱脚板通过螺栓连接，下端与框架连接底板通过螺栓连接；所述的数据采集及控制系统由电荷放大器及数据采集及控制卡、电流控制器、计算机及控制软件系统、加速度传感器、力传感器组成。

控制框架与参照框架结构动力特性及振动响应的直观对比可以通过观察两个水槽中红色水体的激荡程度判断。控制框架与参照框架结构动力特性及响应的定量对比可通过实测实验数据得到，所需对比信号由加速度传感器采集，经传感器数据线传输至电荷放大器、数据采集及控制卡（A/D转换器、控制器、D/A转换器，数字I/O、编码器、2路可编程PWM、PCI接口等的集成，可采用东华DH5920数据采集系统及Quanser公司的HIL控制卡的Q8系列）、计算机及控制软件系统（可采用东华数据分析软件及Quanser公司开发的WINCON实时控制软件），对所采集的数据进行分析（安装使用磁流变阻尼器时，需控制卡、控制软件以及电流控制器同时工作）。

本发明可用于比较控制框架与参照框架结构在动力加载装置（电机、振幅调节盘、旋转传力杆、框架传力拉杆、框架连接板）的作用下在导轨上水平同步运动时，两种框架结构的不同层的响应。当框架连接底板在动力加载装置确定的水平作用下运动时，参照框架结构的响应始终是确定的，而控制框架结构在安装不同控制装置以及控制装置的不同组合方式情况下，振动响应各不相同，由此可说明控制框架与参照框架结构具有不同的动力特性的响应。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用控制框架与参照框架结构包含在一个动力特性及响应对比和检验的实验中，可以直观（观察红色水体的激荡程度）、定量（数据采集系统采集、分析振动响应信号）地体现控制框架与参照框架结构动力特性及响应，并且本发明具有结构设计简单、价格低廉、维护方便、操作简易的优点。

2、本发明的框架结构为结构动力学中的基本结构概念，在建筑物和构筑物中其骨架作用并承受动荷载的重要部分，包含了框架柱、框架板典型结构。

3、振幅调节盘上的振幅调节曲槽设置可以实现控制框架与参照框架结构的不同振幅振动，并且振幅调节具有连续性。传力拉杆底座是为框架传力拉杆提供了一个水平自由度的装置，有效实现了控制框架与参照框架结构只在一个水平自由度的同步振动。

4、控制框架中的单摆质量球、橡胶隔震垫、磁流变阻尼器三种控制装置既可单独使用成为单独控制方式，也可以混合使用成为混合控制方式。

5、本发明加速度传感器可以连接参照框架与控制框架结构上位置相同的任意一个点上，可以方便地检测参照框架与控制框架结构任意点的动力响应变化，并将传统的形象化特点和现代检测技术定量化得特点相结合，不仅直观而且还可定量地体现参照框架与控制框架结构的动力特性及响应。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为振幅调节盘结构简图；

图3为传力拉杆底座示意图；

图4为框架传力拉杆及旋转传力杆示意图。

图中：

1 ——框架柱；                         19 ——磁流变阻尼器连接板；

2 ——上框架板；                       20 ——磁流变阻尼器；

3 ——下框架板；                       21 ——单摆质量球；

4 ——柱脚板；                         22 ——单摆线；

5 ——框架连接底板；                   23 ——水槽；

6 ——底板；                           24 ——橡胶隔震垫；

7 ——导轨；                           25 ——振幅调节曲槽；

8 ——滑轮组；                         26 ——电机转子孔；

9 ——框架连接板；                     27 ——电荷放大器及数据采集及控制卡；

10 ——拉杆调节螺母；                  28 ——电流控制器；

11 ——框架传力拉杆；                  29 ——计算机及控制软件系统；

12 ——传力拉杆底座；                  30 ——加速度传感器；

13 ——旋转传力杆；                    31 ——力传感器；

14 ——参照框架；                      32 ——传感器信号线；

15 ——控制框架；                      33 ——电机调速器；

16 ——振幅调节盘；                    34 ——激励及传动系统；

17 ——电机；                          35 ——红色水体。

18 ——磁流变阻尼器支架；              36 ——数据采集及控制系统

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示本发明的框架结构动力特性及响应对比实验装置，它包括参照框架（14）、控制框架（15）、框架连接底板（5）、滑轮组（8）、导轨（7）、底板（6）、激励及传动系统（34）、数据采集及控制系统（36）、水槽（23）、红色水体（35），其特征在于：参照框架（14）与控制框架（15）并列连接在一个框架连接底板（5）上；框架连接底板（5）通过滑轮组（8）、导轨（7）与底板（6）连接；激励及传动系统（34）与框架连接底板（5）通过螺栓连接；数据采集及控制系统（36）与参照框架（14）、控制框架（15）连接；水槽（23）中盛有红色水体（35），并粘接在参照框架（14）与控制框架（15）上；振幅调节盘（16）、电机转子孔（26）振幅调节曲槽（25）、电机（17）、电机调速器（33）、旋转传力杆（13）、框架传力拉杆（11）、传力拉杆底座（12）组成激励及传动系统（34）；电机转子孔（26）与振幅调节曲槽（25）位于振幅调节盘（16）上；电机转子孔（26）与电机（17）通过键连接；旋转传力杆（13）一端采用活动螺杆连接振幅调节曲槽（25），另一端采用活动螺杆连接框架传力拉杆（11）；框架传力拉杆（11）穿过传力拉杆底座（12），传力拉杆底座（12）和电机（17）通过螺栓固定在底板（6）上；框架传力拉杆（11）与框架连接板（9）通过拉杆调节螺母（10）连接。

所述的参照框架（14）由框架柱（1）、上框架板（2）、下框架板（3）、柱脚板（4）、框架连接底板（5）组成。

所述的控制框架（15）由框架柱（1）、上框架板（2）、下框架板（3）、柱脚板（4）、框架连接底板（5）、磁流变阻尼器（20）、单摆质量球（21）、橡胶隔震垫（24）组成；磁流变阻尼器（20）一端依次与力传感器（31）、磁流变阻尼器支架（18）通过螺纹连接，另一端依次与磁流变阻尼器连接板（19）、框架板（3）通过螺栓连接；单摆质量球（21）与上框架板（2）通过单摆线（22）连接；橡胶隔震垫（24）上端与柱脚板（4）通过螺栓连接，下端与框架连接底板（5）通过螺栓连接。

所述的数据采集及控制系统（36）由电荷放大器及数据采集及控制卡（27）、电流控制器（28）、计算机及控制软件系统（29）、加速度传感器（30）、力传感器（31）组成。

实施实例1

图1所示结构为同材料、同几何尺寸的控制框架（15）和参照框架（14）结构的布置方式，电机（17）动力依次通过旋转传力杆（13）、框架传力拉杆（11）、框架连接板（9）传递至框架连接底板（5）上，从而实现参照框架（14）与控制框架（15）一个水平自由度的同步振动，两个水槽（23）中分别盛有等体积红色水体（35）。通过调节旋转传力杆（13）与振幅调节曲槽（25）连接位置实现不同振幅的水平振动。

单摆质量球（21）通过单摆线（22）连接至上框架板（2），控制框架结构的振动控制效果可以通过调节单摆线（22）的长度来实现。加速度传感器（30）采集参照框架（14）、控制框架（15）以及框架连接底板（5）的振动响应信号，通过传感器信号线（32）传输至电荷放大器及数据采集及控制卡（27）（A/D转换器、控制器、D/A转换器，数字I/O、编码器、2路可编程PWM、PCI接口等的集成，可采用东华DH5920数据采集系统）、计算机及控制软件系统（29）（可采用东华数据分析软件），对所采集的数据进行显示并分析，可以形象且定量地对控制框架（15）和参照框架（14）结构动力特性及响应进行对比。通过观察两个水槽中红色水体（35）的激荡程度可直观地判断控制框架（15）和参照框架（14）结构动力响应特性。

实施实例2

控制框架（15）和参照框架（14）结构的布置方式与实施实例1相同。

分离控制框架（15）的柱脚板（4）与框架连接底板（5），将橡胶隔震垫（24）上端通过柱脚板（4）与框架柱（1）连接，下端与框架连接底板（5）连接（控制框架结构的振动控制效果可以通过增加或减小橡胶隔震垫（24）的厚度来实现），加速度传感器（30）采集参照框架（14）、控制框架（15）以及框架连接底板（5）的振动响应信号，通过传感器信号线（32）传输至电荷放大器及数据采集及控制卡（27）、计算机及控制软件系统（29），对所采集的数据进行显示并分析，可以形象且定量地对控制框架（15）和参照框架（14）结构动力特性及响应进行对比。通过观察两个水槽中红色水体（35）的激荡程度可直观地判断控制框架（15）和参照框架（14）结构动力响应特性。

实施实例3

控制框架（15）和参照框架（14）结构的布置方式与实施实例1相同。

磁流变阻尼器（20）一端通过力传感器（31）连接磁流变阻尼器支架（18），另一端通过磁流变阻尼器连接板（19）连接下框架板（3）（控制框架结构的振动控制效果可以通过增加或减小输入磁流变阻尼器（20）的电流大小来实现），加速度传感器（30）采集参照框架（14）、控制框架（15）以及框架连接底板（5）的振动响应信号，力传感器（31）采集磁流变阻尼器（20）的力信号，通过传感器信号线（32）传输至电荷放大器及数据采集及控制卡（27）（控制卡可采用Quanser公司的HIL控制卡的Q8系列）、计算机及控制软件系统（29）（控制软件可采用Quanser公司开发的WINCON实时控制软件），对所采集的数据进行显示并分析，同过振动控制算法计算磁流变阻尼器（20）实时所需输入电流，再通过电流控制器实时输出磁流变阻尼器（20）所需输入电流，对控制框架结构实施实时半主动控制。由此可以形象且定量地对控制框架（15）和参照框架（14）结构动力特性及响应进行对比。通过观察两个水槽中红色水体（35）的激荡程度可直观地判断控制框架（15）和参照框架（14）结构动力响应特性。

实施实例4

控制框架（15）和参照框架（14）结构的布置方式与实施实例1相同。

将上述3个实例中的任意两种或三种控制装置进行组合，进行混合振动控制实验。加速度传感器（30）采集参照框架（14）、控制框架（15）以及框架连接底板（5）的振动响应信号，通过传感器信号线（32）传输至电荷放大器及数据采集及控制卡（27）、计算机及控制软件系统（29），对所采集的数据进行显示并分析，安装使用磁流变阻尼器（20）时，需控制卡（27）、控制软件（29）以及电流控制器（28）同时工作，并且力传感器（31）采集磁流变阻尼器（20）的力信号，通过振动控制算法计算磁流变阻尼器（20）实时所需输入电流，再通过电流控制器实时输出磁流变阻尼器（20）所需输入电流，对控制框架结构实施实时半主动控制。由此可以形象且定量地对控制框架（15）和参照框架（14）结构动力特性及响应进行对比。通过观察两个水槽中红色水体（35）的激荡程度可直观地判断控制框架（15）和参照框架（14）结构动力响应特性。