振动试验的应用研究

振动试验的应用研究（精选10篇）

振动试验的应用研究 篇1

目前，航空航天产品中使用的机载设备和仪器大部分都必须进行环境适应性试验，该试验是军品可靠性试验的重要组成部分。振动试验是环境适应性试验项目之一，前人做了大量的实验研究和工程应用工作，通过振动试验来测定产品在振动条件下的品质、功能及其稳定性。取得了很好的成效。

振动试验主要是环境模拟，就是使产品经受到与实际使用过程的振动环境相同或相似的振动激励作用，来验证考核产品在预期的振动环境作用下，能否达到设计规定的性能指标。从振动试验的的历史来看，试验是从正弦定频→正弦扫描→随机振动发展的，由于随机振动试验能更接近于实际振动环境，对试件的考核也较严格，已成为产品研制中环境振动试验优先选用的试验方法。

我们在研制某测控产品中，为了满足客户对该产品在剧烈振动条件下相关技术参数指标的稳定性、可靠性要求，设定了随机振动试验作为产品验收的重要环节之一。

1 试验

1.1 试验装置

振动试验系统硬件主要由振动台、传感器、功率放大器、控制部分、试验夹具及计算机几部分组成。

1)振动台。试验使用的电动振动台具有频率范围宽、波形平滑、失真和噪声较低等优点，并能够适应高加速度、高控制精度的振动试验。其技术参数如下：型号：ET-3;激振力：正弦振动3000N (300kgf);随机振动2400Nr.m.s (240kgf);频率范围：5～4000Hz;最大加速度：1000m/s2;最大速度：1.6m/s;最大载荷：120kg;最大位移：25mm;运动部件有效质量：2.7kg。2)功率放大器。所用的开关功率放大器具有软启动、体积小、转换效率高。型号：DA-3;输出功率：3KVA;频率范围：5～4000Hz;输入信号电压：≤2Vrms;输入阻抗：≥10KΩ;励磁电源：三相全波桥式整流，输出DC270V、DC9A。3)控制器。控制器的主要功能是作振动试验的控制及信号分析。所使用的是运行于Windows视窗界面的RVC-2型数字式振动控制系统。型号：RVC-2;频率范围：1～5000Hz;控制通道：1～4;测量通道：1～8(可扩充为16通道);最大动态范围：正弦控制80db;随机控制55d B;控制精度：±0.5db;分析方式：RMS、跟踪滤波、峰值。4)传感器。传感器的功能是将振动的参数如位移、速度、加速度等转换成便于处理和存储的信号，选用的是压电式加速度传感器。5)夹具。为使振动台的振动和能量不失真地传递给被试产品或试件，防止夹具在试验频率范围内发生结构共振而影响试验产品。我们使用的A3钢材料夹具，用螺杆、压板的方式对产品或试件固定安装。

1.2 试验方案确定

1)试验方法和分类。试验方法：考虑到车辆运输和飞行器飞行时所遇的主要振动环境为宽带随机加窄带随机或宽带随机加正弦，并且由于共振的相互影响(因随机振动包含所有的振动频率分量)，随机振动对产品施加的应力更复杂和更强，比使用单纯正弦振动更易损坏产品的材料结构及功能。我们选用了随机振动方式，采用具有功率谱密度(PSD)控制功能的伪随机振动的方法，检测评价产品抗实际环境振动的能力。试验分为功能试验和耐久试验两个部分：功能试验选择设备全功能正常工作时所预期的最大量值，试验主要发现与振动最大量值相关的性能下降、失灵类故障。耐久试验量值和时间按疲劳等效原则处理，选择国军标GJB150.16-86中推荐的1.6倍功能试验量值。耐久试验发现的主要是累积损伤模型故障。2)试验条件。随机振动试验条件包括试验频率范围、功率谱密度、加速度总试验均方根、持续时间和试验方向等。根据试验规范确定试验参数见表1。

1.3 试验准备

为提高控制精度和试验准确性，主要从试验系统的动态范围、均衡速度、均衡精度、控制点、试件安装的合理性几方面着手。

1)计算复核。试验前必须对加上负载后参数值进行计算，与设备额定范围值及范围核实。如加速度、角速度、位移、负荷(及夹具)重量等。2)夹具和试件安装。产品或试样借助于夹具紧固于振动台上，夹具连接台面应无间隙松动，尽量避免其他附加的约束。3)控制点选择。传感器响应点选择在试验样品敏感部位上，选择试验样品或夹具面上作为控制点较好。对小试件，可选择接近台面中心位置作为控制点。传感器的安装方向应与振动方向一致。

2 试验数据及分析

2.1 数据采集

产品数据测试点为：编码值在00～01跳变处的电压值(V1)

编码值在FE～FF跳变处的电压值(V2)

在试验中监视输入电信号不应有跳变或变化较大现象。

2.2 数据处理

精度计算公式：η1=(V1-v1)/L×100%

式中：v1———在00～01处标准电压信号值

v2———在FE～FF处标准电压信号值(见表2)

L—测试量程

2.3 合格判定

若计算值η1、η2绝对值均满足不超过0.9%，则判定合格。

3 结论

随机振动试验正被普遍用作产品可靠性和耐久性评定方法，采用合适的随机振动试验系统和可行的试验方案，能很好地应用于实际产品的环境适应性试验项目。随机振动试验的控制系统较为复杂，各个环节都很重要，需要不断去改进、发展。

参考文献

[1]殷雪岩.随机振动试验技术研究[J].北京航空航天大学学报, 1995.

[2]苗青.产品随机振动试验中的若干测试技术问题[J].测试技术学报, 1998.

[3]韩雪山等.运输包装随机振动加速试验探讨[J].中国包装, 2011.

振动试验的应用研究 篇2

桥墩地震动水效应的水下振动台试验研究

进行了水下桩基础桥墩的振动台试验研究.从试件模型、试验装置和工况设置等方面介绍了水下桥墩振动台试验的实施过程.通过模型试验,分析与讨论了动水力对桩基础桥墩地震动响应的影响程度以及不同地震动输入条件下结构与水的`相互作用规律.试验结果表明水的存在会改变结构动力特性和地震动响应.

作 者：赖伟 王君杰 韦晓 胡世德 Lai Wei Wang Junjie Wei Xiao Hu Shide  作者单位：赖伟,Lai Wei(四川省建筑科学研究院,四川,成都,610081)

王君杰,韦晓,胡世德,Wang Junjie,Wei Xiao,Hu Shide(同济大学桥梁系,上海,92)

刊 名：地震工程与工程振动  ISTIC PKU英文刊名：EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION 年，卷(期)： 26(6) 分类号：P315.952.5 P315.97 关键词：水下桥墩   振动台   地震   动水力  

振动试验的应用研究 篇3

摘要：在输入未知条件下，为了识别非线性参数系统，并消除噪声异常点的影响，引入修正Levenberg-Mar-quardt法和矩形窗法，建立SVD-mLM法，改进了复合反演算法。为了验证改进算法，设计一个五层单跨钢框架模型进行振动台试验，测试获得含有真实噪声的动力响应，采用改进的复合反演算法，研究了结构物理参数时域识别和输入反演问题。振动台试验研究表明结构物理参数识别和输入反演结果是可信的，验证了SVD-mLM法、矩形窗法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。

关键词：振动台试验；结构物理参数识别；地震动反演；复合反演算法；非线性参数系统

中图分类号：TU352 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2016）01-0114-06

0 引言

复杂系统的动力特性往往需要通过系统识别确定出来，以便满足某些需求。结构动力学中的系统识别方法，通常是用来求解逆问题，利用已测量的数据识别结构的动力特性。随着计算技术、试验技术和有效数学工具的高速发展，系统识别已成为土木工程领域内的重要研究方向，这是因为系统识别技术能够调查并减小土木结构与其设计模型的差异，对于数值分析中建立完善有限元模型和振动台试验中优化设计试验模型，都有着至关重要的现实意义。在结构健康检测中的损伤识别方面，系统识别也扮演着同样重要的角色，可以通过系统识别方法获得动荷载（如地震、爆炸等）作用后结构的动力特性，了解结构系统的当前状况，并开展相应的处理措施。

对于土木工程的动力学系统，在通常情况下数学模型是已知的，系统识别的过程仅需要获得结构参数，故可称为参数识别。在过去的四十多年里，国内外许多学者开展了大量的参数识别研究，并提出了许多行之有效的研究方法。如：人工神经网络法（Artificial Neural Network Approach，简称ANN）（Huang et al，2003）、小波分析法（Wavelet Analysis Method，简称WAM）（Shi，Chang，2012）、基于傅里叶变换的方法（FourierTransform Based Method，简称FTM）（Rocco et al，2012）、基于有限元迭代最小二乘法（Finite Ele-ment-based Iterative Least-squares Methods，简称ILS）（Wang，Haldar，1994；王祥建等，2008，2015；Wang，Cui，2011）、多模型自适应遗忘与外生变量自回归耦合法（Adaptive Forgettingthrough Multiple Models and auto-regression with Ex-ogenous Variables，简称AFMM-ARX）（Gong et al，2014）、频域分解法（Frequency Domain Decomposi-tion，简称FDD）（Brincker et al，2001）、自然激励技术与特征系统实现算法联合法（Natural Excita-tion Technique and Eigen-system Realization Mlgo-rithm，简称NExT-ERA）（Siringoringo，Fujino，2008）、随机减量技术（Random Decrement Tech-nique，简称RDT）（Ibrahim，1977）、扩展卡尔曼滤波技术（Extended Kalman Filter Technique，简称EKF）（Toki et al，1989；尚久铨，1991）等。

一般来说，利用动力测试数据识别结构参数时，时域法能够避免频域法中时频变换引起的截断误差，从而提高参数识别的精度。用结构物理参数评估结构状态，比模态参数更直观明了。采用单元水平的有限元迭代最小二乘法，能够识别出每个单元（每个构件或者再细分的每段构件）的结构参数，这样即可非常准确的定位损伤。在实际工程动力测试中，因各种制约条件的存在，输入信息往往很难被准确获得（王祥建，201 1）。针对这些原因，王祥建等（2011，2015）基于复合反演方法、引入矩形窗法建立SVD-mLM（sin-gular value decomposition coupled with modified Lev-enberg-Marquardt）方法求解非线性参数方程，数值结果表明改进的复合反演法在噪声存在的条件下，能够较高精度地识别结构参数或损伤。本文将通过对五层结构模型的振动台试验，进一步验证该改进的复合反演法的鲁棒性和有效性。

1 方法

1.1 复合反演法

针对线性参数系统（参数识别方程为线性），基于经典最小二乘法可获得结构参数的估计值

1.2 矩形窗法

在工程结构的动力测试时，每个测试数据常含有测量噪声，且噪声污染程度各不相同，其中受噪声污染严重的测试点称为异常点，利用含有异常点的一段测试信息识别参数和反演输入，计算结果势必存在较大的误差。

若已获得L个连续采样数据，采用固定长度为S（S≤L）的矩形窗选取采样数据，设定参数初值，利用复合反演法进行第一次参数识别和输入反演；然后，以上一次参数识别值为参数初值，将矩形窗向前移动一个数据（即增加1个新数据，剔除最前端1个旧数据），再次进行复合反演运算；持续计算，直至矩形窗无新数据或者达到矩形窗设定个数，共进行了M（M≤L-S+1）次复合反演计算，获得M组参数估计值和M段输入反演时程，该方法称之为矩形窗法。对应同名参数或同时刻输入，再利用统计平均法，即可获得最终的参数识别值和对应的输入反演时程，这样即可减弱数据异常点引起的较大误差。为了提高精度，还可剔除参数识别异常值对应的复合反演结果。

1.3 SVD-mLM法

对于Rayleigh比例阻尼的n自由度剪切型结构而言，参数识别方程为非线性方程：其中，θ为待识别参数向量；θ_k为刚度参数向量，α和β为比例阻尼系数；k_i为θ_k的第i个刚度分量。

利用修正的Levenberg-Marquardt（简称mLM）法求解非线性参数识别方程（6）（非线性最小二乘问题），可取

显然，mLM法需要给定参数初值，因结构刚度和阻尼参数的量级相差特别大，该法对参数初值非常敏感。为解决这一问题，联合不需参数初值的线性SVD法，即：首先利用SVD法确定参数的近似估计值，以此作为参数初值，再利用mLM法求解非线性参数识别方程，简称SVD-mLM法。

2 试验

2.1 试验概况

本文设计了一个5层单跨钢框架结构试验模型（模型立面图和平面图如图1所示；实际模型及传感器布置如图2所示），进行振动台试验（振动台振动方向为图1a立面图平面内左右方向，也即图1b平面图平面内上下方向；柱子尺寸为图1b中楼板两侧的4根横截面8mm×80mm钢板柱），以测试剪切型结构在地面运动作用下的动力响应，验证结构物理参数时域识别的改进的复合反演算法。

试验采用的传感器型号（制造单位或品牌）：位移计为SW-1型相对位移传感器（中国地震局工程力学研究所）；速度计为941B型拾振器（中国地震局工程力学研究所）；加速度计为LC0405T型压电传感器（朗斯）；放大器为CA-3积分电荷放大器（北戴河电子仪器厂）；数据采集系统为太平洋6000数采系统（太平洋设备公司）；采集软件为P1660（太平洋设备公司）。

采用集中质量法，试验模型各层的质量为：m₁=102.5856kg，m₂=101.9866kg，m₃=m₄=101.3875kg，m5=98.8915kg。假定阻尼为Ray-leigh比例阻尼，在振动台试验之前先进行模态试验，采用初位移法（顶层钢板施加）和初速度法（第3、4层钢板之间施加）分别确定模型结构沿该方向第一、第二阶振型，并确定相应频率和阻尼比。由模态分析的结果计算出Rayleigh阻尼系数为：α=0.439193075；β=0.00035487。

本文分别以峰值为0.48g的EL Centro地震波和峰值为0.1g、频率为5Hz的余弦波为激励输入进行振动台试验，测试获得结构模型各层的加速度响应时程（速度及位移响应测试仅用于试验数据重构信息的比较），然后假定输入信息未知，采用改进的复合反演算法进行结构物理参数的时域识别和基底输入的反演研究。

2.2 余弦波（0.1g，5Hz）

图3和图4分别为余弦波激励时振动台面实测加速度时程曲线和各层相对加速度时程曲线（仅以第1、3、5层示例）。利用基于矩形窗法、SVD-mLM法改进的复合反演算法识别非线性参数系统，参数初值为1.0。结构模型物理参数识别结果列入表1，地震动反演结果如图5所示。

2.3 EL Centro地震波（0.48g）

图6和图7分别为EL Centro波激励时振动台面实测加速度时程曲线和各层相对加速度时程曲线（仅以第1、3、5层示例）。利用基于矩形窗法、SVD-mLM法改进的复合反演算法识别非线性参数系统，参数初值为1.0。结构模型物理参数识别结果列入表2，地震动反演结果如图8所示。

从表1可知，振动台激励为峰值0.1g振幅稳定变化的余弦波时，识别得到的Rayleigh阻尼系数α和β与模态试验的分析结果相比较，误差分别为10.82%和45.10%，说明结构实际的阻尼是非常复杂的。从图5可知，反演的输入时程和振动台台面实测时程是完全吻合的，这也能说明结构模型物理参数识别结果是可信的。

从表2可知，振动台激励为峰值0.48g振幅急剧变化的EL Centro地震波时，基于10～16s时间段的测试数据识别得到的阻尼系数出现负值，说明真实阻尼并不完全符合Rayleigh比例阻尼假定；随矩形窗的前移，参数识别值有所变化（阻尼系数变化较大），表明在真实的震动作用下结构模型实际状态非常复杂。从图8可知，反演的地震动时程与振动台台面实测时程存在较大误差，但前者能够很好地追踪到后者的变化和峰值，这也说明识别出的参数平均值能够反映结构模型在10～16s地震动作用下所处的复杂状态。

结构模型在两种不同输入激励下，识别的结构物理参数有较大差异，分析其可能原因为：输入为小振幅平稳变化的余弦波时，结构模型侧移幅度较小，每层钢板重量基本垂直施压在立柱上并向下传递，大质量钢板在一定程度上约束了立柱，增大了刚度、减小了侧移，试验模型更接近于理想的剪切型结构。输入为大振幅急剧变化的地震波时，结构模型侧移幅度较大且剧烈摇摆，较柔的立柱弯曲角度较大，致使钢板与立柱连接的角钢螺栓发生松动，板柱连接不再是刚性连接，层间有效高度增大、刚度减小，侧移增大，在螺栓松动的情况下，钢板和立柱也会发生碰撞，使试验模型在地震动激励下处于复杂状态。

基于振动台试验测试数据，利用修正的复合反演算法，识别结构物理参数和反演输入，产生误差的原因有：（1）材料误差（实际值与设计值不符）；（2）设计误差（节点的角钢螺栓连接影响有效高度等）；（3）制作误差（尺寸不准、螺栓不紧等）；（4）试验误差（振动台、仪器等产生的误差）；（5）计算误差（试验模型理想化、测试噪声、数值模型简化等问题）等。

3 结论

在输入未知条件下，为了识别非线性参数系统，并消除噪声异常点的影响，引入修正Leven-berg-Marquardt法和矩形窗法，建立SVD-mLM法，改进了复合反演算法，数值研究已经验证了改进的复合反演算法的有效性和鲁棒性。本文设计了一个5层单跨钢框架模型，采用改进的复合反演算法，开展了噪声真实存在情形下结构物理参数时域识别和输入反演的振动台试验研究，结果验证了矩形窗法、SVD-mLM法和改进的复合反演算法在识别结构物理参数和反演输入时的可行性和有效性。

振动试验中相关参数的应用 篇4

1 模拟件振动数据采集

受试件最好制作模拟件, 以便得出测试各点振动响应状态。由振动试验完成。

机械振动转化为电信号是一种数据采集方式, 振动传感器分为:位移传感器, 速度传感器, 加速度传感器, 按测量原理分:变换电阻的有电位计式, 应变式、压阻式传感器等等, 这里采用压电式传感器, 优点, 结构简单、牢固、体积小、重量轻、频率响应范围宽, 动态范围大, 性能稳定、抗外界干扰能力强,

本工作提供分析振动环境下的应用分析, 在实验室完成, 振动试验条件选择《GJB150》执行, 数据采集方法依据《GB.电工电子产品环境试验设备基本参数检验试验方法》。频率选择在5-2000变幅值进行扫频试验。

2 夹具设计思路

试验夹具设计思路, 首先考虑材料, 铝镁合金较佳, 有效减少在复杂的振动环境下带来的振动不确定因素, 材料应具有高频特性及疲劳强度、刚性, 阻尼大的特点, 结构稳固切对称, 结构形式, 为圆锥形、圆柱体型、梯形较为适宜, 做到夹具与试件质心与振动台面质心相同, 并尽可能将质量重心降低。通常振动台工作台面8等分圆安装螺孔, 要将受试产品安装在振动台上, 必有安装夹具, 夹具设计是一种相当复杂问题, 因为产品要能够真实将振动试验幅值传递于产品, 夹具质量要求非常严格, 质量大受试件响应较好, 但是会带来振动台超负荷, 质量轻综合复杂数据干扰较多, 试验室数据与实际数据差异较大。

振动夹具设计思路应具备 (1) 掌握受试产品的试验要求。及产品工作状态。 (2) 熟练试验应用规范, 试件测试方法。 (3) 安装方式, 同实际试件安装方式一致。 (4) 考虑三轴向使用同一夹具。 (5) 避开试件的固有频率。 (6) 测试传感器安装, 应反映各部位真实数据。

3 振动试验参数识别

3.1 共振频率识别

在各种参数识别方法中, 主要是各类多输入、多输出的方法, 尤其多点随机激励多点模态分析方法, 优点是速度快, 精度高, 识别参数完整, 多点正弦扫频能够很好测试出逐阶谐振频率与多部位试验数据。当激励频率等于r阶固有频率时, 则相位共振准则。

3.2 阻尼因子和广义质量测量

3.3 交越点与交越频率

交越点是指试验曲线改变定振方式的转折点, 是反映定加速度, 定位移的折线, 直接量化此点的变化情况, 以便确定在交越点的抖动、突变, 所以在试验中曲线平滑为佳。如表1反映出在不同频率幅值变化。

从表1可见, 正弦振动试验规定交越频率有一定的范围, 试验严酷等级, 所以, 交越频率设置要精确, 从而定加速度、定位移转换显平滑。

3.4 采样频率高控制分辨率

3.5 传感器布控

实验室振动试验是复现外界振动环境的现象, 为了确保外界振动环境真实可靠, 传感器数据测试信号是重中之重, 传感器布控位置的控制与测试直接模拟反应近似实际状态。

(1) 固定点是在受试件与台面点处。

(2) 测试点, 根据《GB2423》受试件所承受实际振动量值。

(3) 检测点, 在振动中采用监测与测量所产生的响应, 也可是薄弱点, 敏感点。

(4) 基准点, 根据《GB2423》参与控制所用, 可单点或多点控制。

4 结论

实验室模拟振动试验是验证产品的有效方法, 能够真实有效的数据采样, 数据处理等, 而数据的真实性是保证试验的基础, 本文通过实验室进行试验, 阐述相关参数的必要性, 从而判断数据有效性、正确性。

摘要：通过受试产品及试验模拟件在振动试验中, 对数据进行应用分析, 针对产品在振动试验在不同状态下, 受试产品及模拟件在多部位的响应及传递参数响应分析方法, 为产品在结构设计及安装工艺提供有效的基础支持, 及其有着重要意义。在振动环境问题, 提出需要熟悉振动测量技术应用, 与数据采集分析。

振动试验的应用研究 篇5

飞机结构件复合加载振动环境试验技术研究

从总体思路、夹具设计、载荷耦合影响消除等方面阐述了振动分别与疲劳载荷及多点静载的复合加载技术,并分别应用于两个型号结构件的`振动环境试验.试验曲线表明提出的方法是简便可行的.

作 者：曹琦 邵闯 姚起杭 Cao Qi Shao Chuang Yao Qihang  作者单位：飞机强度研究所,五室,西安,710065 刊 名：航空学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERONAUTICA ET ASTRONAUTICA SINICA 年，卷(期)： 19(4) 分类号：V216.2 关键词：飞机   复合加载   振动环境   试验技术  

激光测振方法在振动试验中的应用 篇6

1 激光测振的常用方法

关于测振主要分为两个方面, 一方面是对设备和结构本身所具有的振动进行测量, 另一方面是对设备和结构在外界某种激励的作用下而产生的振动测量。随着光学技术和电子技术的发展, 激光测振作为光电检测中的一种重要检测方法, 改变了传统传感器接触式测量所带来的附加干扰问题, 以非接触式的振动测量方法得到更加准确、实时的测量结果。从目前激光测振的方法来看, 以下面三种方法为主:

1) 激光干涉法。此种方法以激光本身所具有的干涉特性为基础, 利用激光波长作为主要参数, 进行元件的测振。激光干涉测量法在光电测量领域应用广泛, 在非接触式振动检测方法中占有重要地位。但是这种测量系统中大部分光路是由各种玻璃光学元件分立构成, 在元件的安装和调试方面都要求极高的精度, 而且结构相对要复杂的多, 其系统的设置也受多方面条件的限制, 缺少灵活性;

2) 激光散斑法。激光散斑法将二次曝光技术加以利用, 对被测物体表面产生的面内位移和空间位移进行测试。如果激光光束在粗斑表面投射时, 会产生普通光所没有的斑点, 每个光点都可看作成子波源, 子波源产生的散射光互相叠加形成散斑。随着散斑研究的深入发展, 一种新的光程方法产生, 即散斑计量学;

3) 激光三角法。因为激光投射有不同的形状, 以此为基础, 激光三角法又可分为光带投影和光点投影两种形式, 也就是表示投影是一个光斑还是一条光带。通常, 激光三角法在物体面形信息的获取上, 多用逐点扫描方式或者逐线扫描方式来实现, 因此也叫做激光扫描法。激光三角法的优点在于具有快速的测试速度, 强大的实时处理性能, 结构上也先对简单, 较强的抗干扰性, 高精度的测量效果, 在光学测量中使用非常广泛。

2 激光测振试验

2.1 试验装置

本次试验次用的试验标准梁为A3钢材质, 长为90cm, 宽为1.5cm, 高为2cm。激光测振系统为扫描式测振系统, 主要任务是对标准梁的振动从弯曲振动和纵向振动两方面进行测量。

1) 首先根据弯曲振动理论计算公式对试验用的标准梁的横向振动进行理论计算, 得出结果;

2) 将试验梁在一个柔性支撑上水平放置, 建立一个模拟的自由梁的状态。试验装置如图1所示:

2.2 试验过程

激光扫描头在试验梁上采用线性扫描的方式形成扫描网格, 试验中按照扫描网格用激光点对每个测点按序进行扫描测量。采用电荷放大器将力锤信号与系统的信号采集箱相连接, 用力锤对试验梁进行激励施加。力锤对试验梁没进行一次敲击, 就相当于对梁产生一次激励施加, 相应的激光扫描点对网格内的每个测点进行一次逐个的扫描测量。位于激光扫描头内部的光学器件对光学信号进行接收, 然后向振动仪控制器进行传输, 控制器接收的光学信号后将其进行电子信号的转换。采用专门的软件对力锤产生的激励信号和激光测量的光学信号加以处理, 每进行完一个点的测量, 软件就对此点的激励信号和振动信号进行一次函数计算并将结果保存。每个测点均进行三次的振动测量。

2.3 试验结果分析

根据试验完成后软件给出的频响函数的曲线图结果, 对测量结果进行分析, 将其与理论计算结果与传统的使用传感器测量的结果进行对比, 如下表1所示:

从频率结果对比表来看, 在1阶和2阶, 梁的弯曲振动频率在理论计算的值和激光测振值相差不多, 因为实际试件与理论计算的试件模型在件体上存在差别, 导致在3阶上有一定的差别存在。传统的传感器测量访问与前两者有较大差别, 主要是因为在使用传感器测量法时有传感器的附加质量存在, 使其对试件的振动产生了影响作用, 因此, 相对来说, 传感器测振的误差也大一些。由此可见, 激光测振在准确度上要远高于传感器测量。

3结论

综上所述, 传感器测量方法因为对件体结构具有附加作用, 直接影响其振动测量的精度。激光测振作为一种新的光电测量的方法, 因为其非接触式的特点和高准确度的优势, 对振动实现高精度测量具有重要意义, 具有广阔的发展前景。

摘要：激光测振技术因为采用非接触式测量的方式, 其测量结果准确度高, 受到越来越广泛的关注和认可, 具有良好的应用前景。本文对激光测振技术进行介绍, 并采用激光测振系统进行标准梁的振动测量实验, 实验结果证明激光测振比原有的应用传感器测振准确度更高, 尤其对轻薄结构的测量不存在质量和刚度上的质量附加问题。

关键词：激光,振动,测量,振动试验,标准梁

参考文献

[1]张力, 薛景峰.激光测振技术的最新进展[J].航空计测技术, 2011 (5) :l-4.

振动试验的应用研究 篇7

为了提高固井质量, 防止固井后油气水窜, 国内外进行了大量研究和试验, 已研究出多种型式的固井振动装置。按其安放位置分有地面的、井口套管上的、井底套管上方的和非固定式振动波发生器。按作用原理分有机械式、磁致伸缩式等。大体可以分为三种:

(1) 顶部水泥浆脉冲振动固井技术;

(2) 底部水力脉冲振动固井技术;

(3) 非固定式固井振动技术[1]。

2 变频式固井水泥浆振动器工作原理:

固井水泥浆振动器由井下振动器和地面变频电源控制系统两部分组成, 二者通过测井电缆连接。地面变频电源控制系统采用380V/50Hz动力电源, 工作时, 由该系统变频变压后给井下振动器供电。振动器在套管井中产生100Hz~160Hz的机械振动波, 经过泥浆-套管传递到管外水泥浆, 在波的振动下, 对水泥浆进行振动“捣实”, 水泥浆中的气泡被排出, 从而可以增加水泥浆的密实度, 增强固井水泥环的强度, 达到改善固井质量的目的。

设备的技术指标如表1所示。

3 试验方法

结合江苏油田固井施工情况, 在固井作业结束, 及时采用电缆快速下井, 点振动和连续振动结合的方法, 在水泥浆稠化时间允许的情况下快速实施振动作业。

试验作业程序步骤:

(1) 固井前提前做好施工设计, 明确目标和任务, 为施工缩短时间。

(2) 固井时做好仪器刻度和检查, 并做好下井准备。

(3) 接井口后及时下井, 在安全条件下快速下到目的层段底部。

(4) 启动地面变频电源控制系统;设置振动频率。

(5) 启动井下振动器;按照设计的振动时间完成振动。

(6) 关闭井下振动器, 上提电缆到下一个振点深度。

(7) 重复步骤 (5) 和 (6) , 直至完成点振作业。

(8) 对于连续振动井段, 采用慢速 (一般采用1m/min) 上提电缆, 启动振动器连续振动。

(9) 在水泥浆稠化时间允许的条件下完成全部振动作业任务;结束振动。

(10) 提出井下仪器, 结束施工。

(11) 参考固井质量检测图对振动结果进行分析。

4 试验结果分析

根据固井质量图来检验和分析振动效果。试验井采用的固井检测技术均是扇区水泥胶结测井仪, 测井成果包括声幅、声波变密度和扇区水泥胶结成像。

第一界面:用声幅测井、能量、扇区声波成像测井来评价

第二界面:主要用声波变密度测井来评价

通过现场试验, 五口井的固井均达到优质, 现仅对Z11-9井进行具体分析:

该井于2013年8月7日振动施工, 振动井段1955-2440m, 点振8个点, 连续振动2段累计37m。

从声幅-变密度测井和扇区水泥胶结测井结果看, 本井1240-1923m大部分井段声幅低值, 声波变密度无套管波信号, 少部分井段套管波信号弱, 地层波信号较强-强, 扇区声成像图色深均匀 (局部色较淡) , 反映一界面和二界面固井质量以胶结良好为主, 局部为中等。

1923-2523m出现胶结好、中、差交互, 但是胶结好的累计厚度明显大于胶结中等和差的累计厚度。胶结好的井段, 声幅值小于5mv, 声波变密度无套管波信号, 地层波信号强, 扇区声成像图色深均匀;胶结中等的井段, 声幅值小于10mv, 声波变密度套管波信号较弱-较强, 地层波信号较强-较弱, 声成像图色较淡, 周向不均匀;胶结较差的井段, 声幅值大于10mv, 声波变密度套管波信号较强-强, 地层波信号较弱-无, 声成像图色淡-白色, 周向不均匀。

2424m振点位于37号层 (水淹层) 和38号层 (油水同层) 之间, 振动后水泥胶结情况变好, 表现在声幅低值, 地层波信号增强, 第一、第二界面胶结质量提高, 对提高产层间的封隔防窜具有重要意义。2440m振点位于39号层 (水层) 的下部, 也具有相同的结果。充分说明振动作业对提高该段水泥环的胶结强度具有较大的帮助。

5 几点认识

(1) 5口井的现场试验表明, 固井水泥浆振动作业对管外水泥浆具有“捣实”作用, 对增加水泥浆的密实度、提高固井质量具有较好的作用, 通过与固井质量图进行对比分析, 见到了较好的应用效果。

(2) 资料表明, 点振动的效果好于连续振动。一般情况下, 应首先选择点振动作业方式。

(3) 振点深度选择比较分散对振动的效果也有影响。建议振点选择应相对集中在某一目的井段, 间隔5m左右, 每点振时4-5min为宜。

(4) 固井振动作业无法克服地层产液造成的“混浆”影响。面对这样的层段, 振动效果不明显。

参考文献

振动试验的应用研究 篇8

电力机车振动试验是通过测试电力机车 (由轮对、电机和轴箱组成) 的振动幅度、油的温升来检验轮对装配、电机悬挂装置、轴箱装配的组装质量。传统的电机振动试验设备和方法由于操作时间长, 需观测的仪器多, 人工读取测试数据并进行数据分析、计算, 试验的质量和精度很难保证。测试理论的丰富、测试手段的进步、设备精度的提高以及自动化测试系统和计算机在测试中的广泛应用, 为电力机车振动试验的自动化提供了条件。将计算机数据处理能力和仪器设备的硬件测量、控制能力结合在一起, 通过软件实现对试验的控制和数据的运算、分析、处理、显示、打印及存储, 实现振动试验的自动化。

1 系统组成

电力机车振动试验系统主要由控制部分、信号采集部分与上位机监控管理部分等组成, 如图1所示控制部分主要由S7-300 PLC和变频器控制电机的启停, 并控制电机以特定的时间-转速测试曲线旋转。将整个时间-转速测试曲线按照斜率特性分成若干段通过编写相应PLC程序, 实时计算出每一时刻电机旋转的控制频率和方向, 并通过Profibus-DP协议与变频器通信, 由变频器控制电机旋转。信号的采集主要包括温度数据、振动数据、转速数据和电机实时驱动功率等数据。温度数据是采集齿轮轴箱不同部位油的温升, 通过热电阻采集, 并将采集信号通过PLC的温度模块转换成温度值;振动信号是采集轮对X、Y、Z轴方向的振动值, 通过振动速度传感器检测, 并通过PLC的模拟量输入模块得到振动数据;转速数据主要指轮对的转速, 在轮对轴上安装光电码盘, 并将配对的光敏元件接收到的脉冲信号通过PLC的高速脉冲模块进行计数, 可以得到电机的转速;电机的实时功率、电压、电流等相关数据, 由变频器提供, S7-30PLC通过Profibus-DP协议与变频器通信获得相关数据。上位机监控管理部分主要是对试验过程进行监控管理, 上位机监控管理系统基于OPC技术, 通过TCP协议与S7 300 PLC进行数据通信, 并对通信采集到的数据进行分析和处理, 实现测试结果的图表展示、储存、查询以及打印和参数设定等辅助功能。

2 OPC技术应用

2.1 OPC技术

OPC技术是用于过程控制的OLE (对象链接和嵌入) 技术, 是一个工业数据交换的标准。这些标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。管理这些标准的国际组织是OPC基金会, 其宗旨是在Microsoft COM、DCOM和Active X技术的功能规程基础上开发一个开放的和互操作的接口标准。这个标准的目标是促使自动化/控制应用、现场系统/设备和商业/办公室应用之间具有更强大的互操作能力。

OPC采用客户/服务器结构。应用程序为OPC客户端 (OPC Client) , 设备驱动程序部分为OPC服务器端 (OPC Server) 。OPC客户端应用程序通过OPC接口对OPC服务器上的数据进行交互。每个OPC客户端应用程序可以连接若干个OPC服务器, 每一个OPC服务器也可以为若干个客户端应用程序提供数据。不同的客户应用程序以及不同的OPC服务器程序只要遵循OPC标准, 都可以挂接在一起协同工作, 从而形成一种即插即用的软件总线结构。

2.2 OPC技术开发

OPC技术开发包括OPC服务器的开发和OPC客户端应用程序开发, OPC技术规范只规定了OPC服务器应提供的接口, 具体实现由各设备厂商根据设备的业务逻辑完成。OPC服务器向下需要实现与设备的数据通信, 向上则需要对数据进行封装, 提供标准的OPC访问接口, 大部分OPC服务器的开发是借助OPC快速开发包完成的。OPC客户端应用的OPC数据接口部分的开发, 只需要按照OPC规范定义的接口方法访问OPC服务器中的数据即可。目前OPC服务器一般由设备厂商或第三方专业开发商提供, 而OPC客户端应用需要根据具体的应用编程实现。

S7-300 PLC的OPC服务器产品很多, 典型的有西门子公司的SIMATIC NET软件和Softing公司的Softing S7/S5软件, 这些软件都可通过以太网、PPI、MPI等多种方式实现OPC服务器与PLC之间的通信, 并可实现通信通道冗余功能。电力机车振动试验系统采用Softing公司的Softing S7/S5软件对S7-300PLC的实时数据进行采集, 并封装成标准的OPC服务器与上位机监控管理软件进行交互。上位机监控管理系统需要实现OPC客户端的功能, 才能通过OPC服务器与PLC进行数据的交互。电力机车振动试验系统通信原理如图2所示。

上位机监控管理软件的OPC客户端接口的开发, 主要是实现通过标准的OPC接口方法与OPC服务器进行交互, 间接与S7-300 PLC进行数据交互。以.Ne开发环境为例, 说明OPC客户端接口开发的主要步骤:

(1) 添加OPC自动化接口服务。在.NET环境下, 添加应用OPC DA的自动化封装库文件。

(2) 创建OPC服务器连接。系统使用的OPC服务器名为“Softing.OPC.S7.DA.1”。

(3) 向服务器中添加数据项组, 组是数据管理的基本单位, 它定义了数据的交互方式。

(4) 向组中添加数据项, 建立与上位机管理软件与OPC服务器中数据源中数据点的对应关系。

(5) 数据交互。OPC客户端应用可以通过OPC接口主动与OPC服务器进行数据交互, 也可以通过数据组设定数据订阅, OPC服务器中数据更新时, 主动通知OPC客户端应用。

(6) 断开OPC服务器。OPC客户端的连接会占用OPC服务器的资源, 当长时间不需要使用OPC读写数据时, 则应断开OPC连接, 释放资源。

3 监控软件的开发

上位机监控管理软件采用微软的.Net技术进行开发, 采用XML作为通信参数的配置文件, 采集的振动数据采用算数平均和中值滤波算法, 温度数据采用惯性滤波算法, 并将实时数据处理后存入关系数据库。软件实现了参数配置、在线数据处理、动态监测、历史查询以及报告打印等功能, 可以对每个监测数据进行多维度的分析。上位机监控管理界面如图3所示。

4 结语

系统应用结果表明, 基于OPC的电力机车振动试验系统可以稳定、可靠地实现对试验设备测试过程的自动化监控, 实现了上位机和下位机PLC部分的程序设计的独立性, 保证了上位机与下位机PLC之间通信的稳定性和健壮性。上位机监控管理系统不依赖于具体的下位机PLC硬件组成, 提高了系统的扩展性和维护性。

参考文献

[1]周新民.基于OPC技术的PC与S7-200 PLC的实时通信[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2008, 32 (2) :355-357

振动试验的应用研究 篇9

基于振动的基桩损伤检测方法是通过结构的反应或动力特性的变化来对结构的整体性能进行损伤检测的。检测时, 首先对待测结构进行激励, 然后通过振动测试、数据采集、信号分析与处理, 由系统的输入和输出确定结构的动力特性, 根据结构系统的动力特性来反推结构的质量、刚度等物理特性。可见, 基于振动的结构损伤检测是一个明显的反问题, 其核心思想是模态参数 (频率、振型等) 是结构物理特性 (质量、刚度等) 的函数, 只要结构系统的物理特性发生改变, 必然会导致模态特性的改变, 将结构系统的实测模态特性与健康结构的模态特性进行比较, 来判断结构是否发生损伤。

2 模态分析方法

传统的振动测试通常认为结构的动态特性是其物理整体性的敏感标志, 任何裂缝或局部损伤都可以导致结构的刚度下降、阻尼增加, 同时引起结构固有频率的下降。对一个系统而言, 正常状态的固有频率是可知的, 而当系统出现局部损伤时, 其固有频率又是可测的, 那么, 理论上根据两者的变化就可以识别出系统的局部损伤。

从模态分析的实质上看它是一种坐标变换, 其目的是为了把原物理坐标系统中描述的相应向量, 转换到“模态坐标系统”中来描述, 模态试验就是通过对结构或部件的试验数据的处理和分析, 寻求其“模态参数”。一般用于结构振动测量和结构动力学分析时, 可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态阻尼、模态质量和模态刚度。

3 基于振动的损伤检测方法

模态试验技术大约是在20世纪50年代探讨对飞机整机如何做地面共振试验时提出的。近30年来, 有关模态试验技术发展较成熟, 其理论依据较充分, 模态试验与分析的专用软件也比较实用。

模态分析是结构动力学中一种重要的分析方法, 它的主要内容就是确定描述结构动力特性的频率、振型等模态参数。它是基于振动的损伤检测方法的基础。

试验模态分析全过程包括五个阶段:试件仿真;激振器和传感器的布置;频率响应测试;模态参数识别;结果的输出与显示。

传统的振动测试通常认为结构的动态特性是其物理整体性的敏感标志, 任何裂缝或局部损伤都可以导致结构的刚度下降、阻尼增加, 同时引起结构固有频率的下降。对一个系统而言, 正常状态的固有频率是可知的, 而当系统出现局部损伤时, 其固有频率又是可测的, 那么, 理论上根据两者的变化就可以识别出系统的局部损伤。

4 损伤结构的有限单元法模型

弹性铰动态子结构法将裂缝看作两个由弹簧连接起来的子结构, 以弹簧来模拟裂缝, 弹簧的刚度来反映裂缝的深度, 可以导出固有频率、裂缝位置和程度的关系。弹簧的位置表示裂缝的位置, 弹簧的刚度系数表示裂缝的损伤程度, 损伤程度越大, 刚度越小, 损伤程度越小, 刚度越大。由此, 梁中裂缝诊断变换为确定x和kx。裂缝梁包含三部分:梁的两部分和一个弹簧。以动态子结构法对三部分进行综合分析, 显然对于某一确定的损伤, 其位置和损伤程度是唯一的, 因此, 将其应用于损伤杆的不同模态应给出相同的结论即:对于各阶损伤模态其所有 曲线必有一交点, 该点的横坐标表示损伤位置, 纵坐标表示损伤程度, 从而实现对损伤的识别——损伤定位与损伤定量。

5 结构损伤识别的数值模拟研究

通过Ansys软件对一自由-弹性支承杆进行了数值模拟如下:

5.1 分析模型

图1为一等截面杆模型, 左端自由、右端弹性支承。给定杆件的材料特性为ρ=2.5t/m3, E=3.0E7k N/m2, 截面特性为A=b×h=0.1×0.05=5.0E-3, 杆长l=1m, 支承弹簧刚度为k0=5.0E5k N/m, 此即自由-弹性支承杆件模型。为了模拟杆的损伤在杆中间预设一裂纹, 裂纹距弹性支承端为x=0.5m宽度为1mm, 深度为10mm构成损伤结构。

5.2 数值模拟

为了提高计算效率以便获得更多的模拟结果和方便分析比较, 考虑以1m为基准, 杆长从自由端向支承端每次去掉5cm后计算一次, 获得相应于不同长度杆的模态。

5.3 诊断结果

图2绘制了杆长为0.95m和0.90m的 曲线, 直观地描述了本方法诊断自由-弹性支承杆损伤的效果。

6 结果分析

从图3中可以看出, 当损伤程度α≥40%时, 接近线性变化, 因此, 此处拟合出如下关系式: 式中, Kx=EA (65-76α) 为损伤截面“弹簧”的刚度;E为材料的弹性模量;A为模型的截面积。

由自由杆识别效果图示可以看出, 该方法可以识别损伤的存在, 也可以识别损伤的程度, 而在识别损伤位置时会给出两个可疑位置。这是由该种约束情况结构的振动特性而决定的。本方法的识别结果能够满足工程精度的要求。进一步完善后本方法可推广到工程应用中。

参考文献

[1]马宏伟, 杨桂通.结构损伤探测的基本方法和研究进展[J]力学进展, 1999 (4) .[1]马宏伟, 杨桂通.结构损伤探测的基本方法和研究进展[J]力学进展, 1999 (4) .

[2]李蕾红, 陆秋海, 任革学.特征系统实现算法的识别特性研究及算法的推广[J].工程力学, 2002, (1) .[2]李蕾红, 陆秋海, 任革学.特征系统实现算法的识别特性研究及算法的推广[J].工程力学, 2002, (1) .

振动试验的应用研究 篇10

关键词：集装箱岸桥,相似比尺,缩比模型,减隔震控制,模态试验,振动台试验

0 引言

集装箱码头岸边装卸起重机(简称岸桥)是大型港口用于装卸集装箱的重要工具,因此提高岸桥装备抵御地震灾害的能力,是岸桥设计研究的重要组成部分。目前,郑培等[1,2]以岸桥在地震激励下的破坏形式为基础,以我国第一台具有减隔震装置的岸桥结构为原型,构建了具有减隔震装置的岸桥试验模型和有限元模型;Jacobs等[3,4,5]根据模型的相似准则为岸桥建立了一个1∶20的缩比模型;在此基础上,他们进行了一系列相关的地震试验,对岸桥在Taft地震波下的地震特性进行了系统的研究。但这些研究多数是对一条地震波下的动态行为进行分析,这不足以映射出岸桥在不同地质下的相关特性。因此,研究岸桥结构在不同地震波下的动态行为将成为本文的重点。

此外,大型工程结构的建模和动态分析已有大量的研究成果,但这些研究多关注于超高层建筑[6,7]、重力大坝[8,9]及长跨桥梁[10,11],对港口起重机及相关减隔震装置的研究尚显不足。

因此,本文首先建立了岸桥1∶50缩比模型及其隔震装置,然后基于锤击模态试验法测量了模型在有无隔震装置下的动态特性(包括固有频率、模态振型及阻尼比),最后利用LDS V8振动测试系统对模型进行详细的地震试验研究,分析其在不同地震载荷下的变形行为及抗震能力。

1 岸桥1∶50 缩比模型的设计

岸桥主要由门架结构(主要包括海陆侧上横梁、海陆侧下横梁、海陆侧立柱、门框横梁及撑杆系统)、前后拉杆、前后大梁、操作机房、运行小车及吊具等组成,主要对集装箱进行装卸作业。大车在码头的地面轨道上横向运行,小车在大梁的轨道上纵向运行,对停靠船舶进行集装箱装卸。岸桥金属结构材料取为Q345钢,其力学性能如下:屈服极限为345MPa,弹性模量为206GPa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3[12]。

岸桥结构较为庞大,对实际结构进行试验研究几乎是不可能实现的。因此,基于相似理论设计出岸桥结构的缩比模型就成为研究的关键。

1.1 相似比尺的确定

为使缩比模型能够准确地反映出原型结构的地震行为和特性,合理地选取相似准则[13,14]变得至关重要。在缩比模型中,当一些基本比尺被确定后,其余的相似比尺均可由上述的基本比尺推导出来[15]。根据相关的试验条件和要求(包括振动台的参数与台面大小、实验室的空间范围以及测量结果的可预测性),将几何比尺λ、密度比尺λρ和弹性模量比尺λE作为基本比尺。

由于弯曲梁是集装箱岸桥结构的主要组成构件,因此本文采用Euler梁的弯曲理论来推导出相应的导出比尺。关于这些比尺的详细推导过程见文献[16]。岸桥原型结构和1∶50缩比模型之间的详细比尺见表1。

注:相似比尺的大小为原型的物理量除以缩比模型的物理量,如λ为原型的长度与模型的长度之比。

1.2 1∶50缩比模型的建立

本文以一个长150m、高75m、总质量1220t的岸桥为原型结构,并结合表1中的相似比尺,设计出了岸桥的1∶50缩比模型,其主要尺寸如图1所示。

设计过程中的重点是确定缩比模型的截面参数。由于岸桥结构复杂,不可能给出每一个构件的截面参数,因此本文仅仅列出了主要构件(弯曲梁构件)的截面参数。图2所示为原型和缩比模型的梁截面形状。基于原型与缩比模型弯曲刚度的相似原则,计算出了1∶50缩比模型的截面尺寸,如表2所示。

基于上述的相关分析,制造出了岸桥结构1∶50缩比模型的试验模型,见图3。在加工模型的过程中,将操作机房加工成一个矩形的质量板。

岸桥1∶50缩比模型和原型结构(包括有限元模型和试验模型)的前8阶固有频率及相应的误差分析如表3所示。其中,fm为1∶50 缩比模型的固有频率;fp为原型的固有频率。由表3可见,1∶50缩比模型能够准确地预测出原型结构的固有频率并具有较小的误差。

2 1∶50 缩比模型隔震装置的设计

为有效地降低岸桥结构在地震激励下的动态响应,合理设计隔震装置则变得至关重要。根据实验室的试验要求,本文为岸桥的1∶50缩比模型设计了一个隔震装置。该隔震装置具有滑移及恢复力机制,主要由顶部连接板、底部连接板、安全销、限位条、滑移摩擦板和铅芯叠层橡胶垫系统(型号为LRB 100,包括上下覆盖版、橡胶层和钢片层)所组成,详细见图4[12]。由于该隔震装置主要是基于岸桥1∶50缩比模型设计的,因此在对其参数进行设计时也考虑了缩比问题。

该隔震装置的主要工作原理如下[12]:无地震发生时,隔震装置不起作用,可将其视为一个连接上部模型和底部振动台的刚体结构;小震作用下,内部的铅芯首先断裂,但安全销并没有被剪断,摩擦板不滑动,此时该隔震装置与基础隔震装置的工作原理一致;大震作用下,安全销将会被剪断,摩擦板将会滑动,消耗地震能量的同时也减少水平地震力向上部结构的传递。

将天然橡胶材料作为隔震装置的橡胶层。值得注意的是,由于橡胶材料本身的特殊性,加工后隔震装置的水平刚度系数k和阻尼系数c与最初的设计值有一定的偏差。经过测量,实际的隔震装置的水平刚度大约为156kN/m。此外,采用国际上常用的聚四氟乙烯板-不锈钢板作为隔震装置的滑移摩擦板。经过检测,摩擦滑移板的摩擦因数μ在0.015～0.030之间。基于上述说明,加工制造了岸桥缩比模型的隔震装置,如图5所示,其具体的尺寸详细见图4。

在图5所示的隔震装置中,两侧竖向的小钢板可以在一定范围内左右转动,其目的是限制滑移摩擦板产生过大的位移,防止岸桥上部结构产生侧翻。

3 锤击模态试验

本节主要通过单点激励多点输出的锤击模态法[17]来测量岸桥1∶50缩比模型在有无隔震装置下的固有频率、模态振型及阻尼比。本试验中,52个测点分别布置在缩比模型的前大梁、后大梁及门架结构处,用以测量模型在不同位置加速度的响应。

表4所示为模型在有无隔震装置下的前8阶固有频率和阻尼比;图6、图7所示为模型在有无隔震装置下的前8阶模态振型。由表4及图6、图7可见,使用隔震装置后,模型的1阶纵向频率及横向频率均发生了明显的降低,且1阶纵向模态及横向模态均转化为刚体模态(刚体的平动);各阶振型的阻尼比均有明显的增大。这些测试结果表明该隔震装置的设计是准确、合理的。值得注意的是,加入隔震装置后,虽然结构的固有频率发生了降低,但这并不意味着它对所有的地震记录均有效。实际上,隔震装置的有效性与地震特性密切相关,对于某一些地震记录而言,如果这些地震记录本身的频率特性与隔震后结构的频率相近,隔震装置可能就会变得无效。

4 地震振动台试验

4.1 试验方案

本节主要利用一系列的振动台试验来测量模型在不同激励作用下的地震行为,从而研究岸桥结构自身的抗震特性并评价隔震装置的有效性。

由于岸桥的主要失效模式为沿着纵向的脱轨与倒塌,因此本节主要对岸桥在纵向上的地震特性进行系统地研究。为了更加全面地分析岸桥结构的地震特性,3条典型的地震波被选取作为模型的纵向输入:EL-Centro(N-S,40s)、Northridge(N-S,40s)和SHWN2(上海人工地震波,35s)。其中,N-S代表南-北方向的地震波[12]。

由于上海地区的地震设防烈度为7度,因此本文将原型结构3条地震波的峰值加速度(PGA)均调整为0.1g,如图8所示;对于缩比模型而言,基于表1 中的相似比尺(λt=50,λa=0.02),每一条地震波的时间轴均被调整为原型的1/50,而峰值加速度(PGA)则被调整为5.0g,用于代表原型的0.1g[12]。

值得注意的是,缩比后这些地震波的输入时间将变得很短,试验过程相对较快,为反映模型的前8阶模态特性,振动台的工作频率不得低于89Hz。一般的地震试验台难以完成这个过程。因此,本文采用Ling Dynamic System生产的LDS V8 Vibrator 振动测试台进行地震试验研究,该振动台能够实现短时的信号输入,且工作频率的范围也相对较大,可以实现整个实验过程,其主要参数如下:台面尺寸为1m×1m,最大加速度为±20g,最大行程为±31mm,最大承载质量为1.5t,频率范围为2～2300Hz。另一方面,在数据采集过程中,可将数据采集系统的采样频率调整得高一些,以避免数据的遗漏。最终,将采集到的数据进行滤波处理[12]。

在试验中,14个应变片(S1～S14)安装在模型门架结构上的不同位置,如图9所示。此外,为了监测实际的地震载荷,在振动台的边缘安装了一个加速度传感器。

4.2 无隔震装置的测量结果

本文中,模型的加工材料为Q345钢。基于弹性阶段的应力应变关系可知,应变ε为应力σ和弹性模量E的比值,因此模型在地震作用下的屈服应变εy=345×106/(2.06×1011)=1674.75×10-6,根据本文的分析需要近似为1600×10-6。

表5所示为不同测点(图9)在3条纵向地震激励下的最大弯曲应变值。由于模型具有良好对称性,因此仅一侧测点的数据被列在表5中。

由表5中的测量结果可见:①在纵向地震的作用下,模型的最大应变集中在海侧立柱2的上端部(测点S4);②在加速度峰值为0.1g的地震激励作用下,应变地最大测量值为555.61×10-6,小于规定的屈服应变值1600×10-6,岸桥结构处于弹性状态。这表明岸桥结构具有相对较大的地震抵抗力,能够满足基本烈度为7 度的抗震设计的要求。

图10所示为试验模型和原型有限元模型在纵向地震激励下,海侧立柱2 上端部(测点S4)的应变-时间曲线(试验的结果已按相似比尺转换)。从图9可以发现,试验模型的测量结果与原型的数值仿真结果基本一致。这进一步表明1∶50缩比模型的设计是准确、合理的,能为后续的减隔震研究提供一个可靠的试验模型。

4.3 有隔震装置的测量结果

4.3.1 应变响应

受相关试验条件的限制,振动台无法对罕遇地震下的动态行为进行测量,即无法从试验的角度来研究结构的非线性地震特性。表6所示为纵向地震作用下,模型不同测点在有无隔震装置下的最大弯曲应变值;图11所示为模型在有无隔震装置下,海侧立柱2上端部(测点S4)的应变时程曲线。

由上述测量数据的对比可见,隔震装置开启后,各测点应变的幅值均发生了明显减小。其中,纵向地震激励下,测点S4的应变下降幅度均超过了26%,这说明该隔震装置的减震效果明显。

4.3.2 加速度响应

为验证隔震系统是否有效,除观察结构应变响应的变化情况外,观察结构加速度响应的变化情况也至关重要。本节中,5个三向加速度传感器被安装在模型中不同的位置用于测量岸桥在地震作用下的动态响应[12],如图12所示。

表7所示为地震作用下,模型各测点在有无隔震装置下的水平加速度响应。由表7可见:①使用隔震装置后,各测点的水平加速度幅值均有显著的减小,这进一步说明了隔震效果的明显;②地震作用下,最大水平加速度响应发生在前大梁的端部A1处,且结构的水平加速度响应随高度增加而增大;图13为地震作用下,前大梁端部A1在有无隔震装置下的加速度时程曲线。由图13并参照表7中的数据可见:当使用隔震装置后,3条地震波在前大梁端部的加速度响应幅值分别下降了约为32.9%(EL-Centro)、35.6%(Northridge)和36.6%(SHWN2),与门架结构相比,隔震装置对前后大梁的减隔震效果更为显著。

此外,还有两点值得注意:(1)通过试验的观察可以进一步发现,正常的生产状况下,岸桥结构总体的位移及应变响应均不是很大,且减隔震装置隔震层的振动幅值也很小(大约1～2mm),结构具有较高的稳定性和安全性。(2)尺寸效应问题。集装箱岸桥结构相对复杂,其主要由弯曲梁构件、拉压杆构件、集中质量及刚体运动构件所组成。由于笔者能力及相关试验条件的限制,在设计1∶50缩比模型并对其进行相关的试验研究时,并没有考虑所有构件截面变薄后的尺寸效应(仅考虑了弯曲梁构件)。但对比试验结果与原型的有限元结果可以发现,1∶50缩比模型能够准确地反映出原型结构的动态特性。因此,可以认为构件截面变薄后的尺寸效应对缩比模型的影响不大。

5 结论

①岸桥1∶50缩比模型(试验模型)的设计准确、合理,能够反映出原型结构的动态特性和地震行为。②在加速度峰值为0.1g的地震激励作用下,应变的最大测量值为555.61×10-6,小于规定的屈服应变值1600×10-6,岸桥结构处于弹性状态。这表明岸桥结构具有相对较大的地震抵抗力,能够满足基本烈度为7 度的抗震设计的要求。③使用隔震装置后,模型的1阶纵向频率及横向频率均发生了明显的降低,且1阶纵向模态及横向模态均转化为结构的刚体模态(刚体的平动),各阶振型的阻尼比均有明显的增大。④使用隔震装置后,各测点应变及加速度响应幅值均有显著的减小,这表明为岸桥所设计的隔震装置合理有效,且减震效果明显。试验结果为岸桥结构的抗震设计和安全评估提供了一定的参考。⑤根据测量中的一些试验现象可以判断出,除响应较大的部位相对薄弱外,还有一些薄弱的部位也需要注意,即岸桥前后大梁销轴连接的部位、隔震装置与上部结构的连接部位、前后拉杆与大梁的连接处,建议能够对原型结构的相关部位予以重视。