振动试验台（精选12篇）
振动试验台 篇1
0 引言
国内外溃坝资料研究结果表明,防洪标准低、泄洪能力不足、设计不合理、施工质量差、坝体裂缝、坝体滑坡、坝基渗透破坏、运行管理不善、泄洪设施失效等是造成堤坝工程事故的主要因素。其中,渗透破坏造成的失事占有相当大的比重,堤基管涌对堤防的威胁最大。因此,防渗处治是堤防工程建设的关键问题。
常用的防渗加固技术有灌浆和防渗墙等。振动沉模防渗墙技术是一种薄型插板式防渗墙[1],该技术采用大功率、高频振动器将H形矩形空腹钢模板振动沉至设计深度,起拔模板时,灌注防渗浆料,从而形成单元防渗墙壁。防渗料的性状是振动沉模防渗墙处治中的关键技术,而分层性状又是影响混合砂浆防渗料的和易性、可泵性、流动性、离析性和泌水性的控制性指标。分层性也直接影响着墙体的质量和纵向均匀性。
为了保证堤防振动沉模防渗墙体的纵向均匀性,使墙体与堤防填料协调变形,需深入研究混合砂浆防渗料的分层性,进一步降低防渗料的分层性及其刚度;揭示不同振动模型对分层性的影响规律,研究混合砂浆防渗料分层规律。
1 混合砂浆的振动模型试验
采用直径为15 cm,高30 cm～90 cm的四组圆柱体试筒组成分层模型,确定混合砂浆防渗料的性能指标沿深度的变化规律。圆柱体试筒分别为2节～5节,试筒最下节的高度为10 cm,其上各节试筒高度均为20 cm,每节试筒间设有橡胶垫圈。本试验采用粉土黏土双掺的粉煤灰水泥砂浆。取四组不同的分层模型,分别将分层模型置于振动台上,试样一次装入试筒内,振动1 min,使混合砂浆防渗料的分层性充分地表现出来,本研究采用相同配比及振动时间的模型试验。振动后,自上而下分别取出各节试筒内的砂浆,测定各性能指标,具体试验结果见表1。
1.1 分层性测试
砂浆的分层性指标包括稠度和分层度。稠度由砂浆稠度仪测定,分层度由砂浆分层度测定仪测定[2]。
稠度试验是将砂浆拌合物一次装入容器内,使砂浆表面低于容器口10 mm左右,用振捣棒自容器中心向边缘插捣25次,然后敲击5下～6下,整平砂浆表面,将容器置于稠度测定仪上进行测定。容器中的砂浆只允许测定一次稠度,重复测定时,应重新取样。取两次试验的算术平均值,精确至1 mm。
分层度试验是将砂浆拌合物一次装入分层度试筒内,装满后,用木锤在试筒周围四个不同的部位敲击1下～2下,当砂浆沉落而低于筒口时,应随时添加砂浆,刮去多余的砂浆并抹平;静置30 min后,去掉试筒上节中的砂浆,倒出试筒下节中的砂浆,放入拌合器内拌2 min后测定下节砂浆的稠度。砂浆拌合物的稠度与静置30 min后下节砂浆的稠度之差即为分层度,取两次平行试验的算术平均值作为砂浆的分层度。
1.2 抗压强度测试
抗压强度根据《建筑砂浆基本性能试验方法》[2],试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。试验中以六个试件为一组,当六个试件的最大值或最小值与平均值的差超过20%时,以中间四个试件的平均值作为该组试件的抗压强度值。
1.3 弹性模量测试
弹性模量是防渗材料的一项重要力学性能。本研究应用超声波法,通过测定砂浆试件的动弹性模量变化来反映振动对防渗墙体纵向均匀性的影响。超声波声速与固体介质的弹性模量之间存在一定的数学关系,利用超声波法测量水泥砂浆的动弹性模量,实质是让超声波穿透试件,超声波作为载体获得试件的信息,根据测得的超声波传播速度与水泥砂浆动弹模量之间的密切关系,计算出水泥砂浆试件的动弹模量[3]。
1.4 抗渗性能测试
抗渗性是防渗材料的一项重要技术性能指标。抗渗性的好坏决定着防渗墙的质量,进而关系到大坝的安全性。本文将采用吸水率作为混合砂浆试件的抗渗性能指标。
测试吸水率采用边长为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块,三块为一组。将达到28 d龄期的试块从养护室中取出,烘箱内进行干燥,温度在100 ℃以上,干燥时间为12 h。然后将试块在真空装置中进行抽气、浸泡,浸泡5 h达到水饱和后,将试块取出,用使劲拧干的湿布迅速擦掉试块表面的水,用电子秤称出试块吸水后的质量[4]。吸水率的计算表达式为:
其中,a为塑性混凝土的吸水率;M2为试块在饱水状态下的质量;M1为试块在干燥状态下的质量。
1.5 试验结果分析
根据混合砂浆防渗料的分层模型试验结果,混合砂浆的分层强度、动弹性模量、渗透性和稠度沿深度成线性变化。但是其变化的趋势受到了所取试筒模型高度的影响,如果将性能指标对应的深度Z换算成相对深度h(所在深度Z与所取模型的高度H的比值),则可去除所取模型类型的影响因素。
本文将具体研究混合砂浆的分层强度(Rh)、分层动弹性模量(Edh)、分层吸水率(ah)及稠度(Dcdh)与相对深度h所对应的关系。图1～图4表示混合砂浆在振动后各种性能指标随相对深度的变化规律。
从图1～图4可见,混合砂浆的分层强度(Rh)、分层动弹性模量(Edh)、分层吸水率(ah)及稠度(Dcdh)与相对深度h有较好的线性关系。由此所推导的线性公式可消除所取试筒模型高度对混合砂浆性能指标的影响,使推算结果得以简化。
2 结语
从模型试验中可以看出混合砂浆的稠度、抗压强度、动弹性模量、吸水率沿深度成线性变化,而随着模型高度的增加,模型最高层与最低层的差异也在增大,但是相邻层之间的差异性却在逐渐减小。所以,在有关振动沉模施工法的室内试验中选择较高的试筒模型可以减小相邻层间混合砂浆试件的分层性。由本文所推导的线性公式可消除所取试筒模型高度对混合砂浆性能指标的影响,使试验得以简化。
摘要：结合振动沉模防渗墙技术,通过分层模型的振动台试验,研究了混合砂浆防渗料的分层性随振动模型的变化情况,揭示了混合砂浆防渗料的性能指标随振动模型的变化规律。
关键词：振动沉模,混合砂浆,分层性
参考文献
[1]白永年.中国堤坝防渗加固新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2001.
[2]JGJ/T 98-96,建筑砂浆基本性能试验方法[S].
[3]申爱琴.超声波法测定水泥砂浆弹性模量的可靠性分析[J].西安公路学院学报,2000,14(2):44-47.
[4]SL 237-1999,土工试验规程[S].
振动试验台 篇2
振动试验系统在冲击响应谱试验中的应用
随着爆炸冲击环境逐渐受到重视,模拟这种复杂振荡波形的设备也随之增多.文章介绍了在冲击响应谱试验中,振动试验系统的工作原理和使用方法,并对其实用性进行了分析.长期的、大量的`试验研究结果表明,使用振动试验系统进行冲击响应谱试验不仅可行,而且还有一定的优势.
作 者：王招霞 王剑 樊世超 Wang Zhaoxia Wang Jian Fan Shiehao 作者单位：北京卫星环境工程研究所,北京,100094 刊 名：航天器环境工程 ISTIC英文刊名：SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)： 26(2) 分类号：V416.8 关键词：振动试验系统 冲击谱 控制谱 时域谱振动试验台 篇3
【关键词】正弦定频 正弦变频和随机振动
引言
运输包装检测是通过包装试验对包装件的性能进行确认，以判断包装件是否能够适应流通环境中出现对应的运输危害。自20世纪80年代，我国国标4857系列陆续制定了23个包装件测试标准。测试标准大致可以分为四类：温湿度试验、振动试验、冲击试验、压力试验。
其中运输包装件振动试验分为三类：第一，GB-T 4857.7-2005正弦定频振动试验方法；第二，GB-T 4857.10-2005正弦变频振动试验方法；第三，GB-T 4857.23-2012随机振动试验方法。这三种试验方法的试验原理和试验目的各不相同，在选择使用过程中需要明确试验目的，避免选择不合适的试验方法而不能达到预期的目的。
在运输过程中，振动试验是一种能量小、持续时间长的疲劳试验。汽车、火车和飞机运输时都不可避免会产生振动，这是包装件必须面对的一种运输危害，无法从技术手段消除运输振动的产生。因此，包装必须有足够的能力减少外界振动传递给内装产品，或者产品设计强度足够承受外界的振动危害。振动试验不仅评价包装的缓冲保护性能，同时也能发现产品的设计缺陷，为改进产品提供依据。
1 三种试验方法简要介绍
首先介绍一下三种试验方法的试验步骤。
1.1 正弦定频振动试验
正弦定频振动试验用于评定运输包装件在正弦振动情况下的强度及包装对内状物的保护能力。
将试验样品按预定的运输状态居中放置在振动台台面上。如果样品不固定在台面上，可以使用围栏，既可以做单个样品，也可以在样品顶部添加载荷。
方法A：选定0.5g-1g之间的加速度后，在选定振动峰峰值位移对应的频率进行振动试验。
方法B：选定振幅，2Hz频率下开始振动，逐渐提高频率，直到样品按照规定要求跳离台面。
试验结束后按照有关规定检查包装及内状物的损坏情况，并分析试验。
1.2 正弦变频振动试验方法
正弦变频振动试验方法用于评定运输包装件在正弦扫频或共振情况下、振动情况下的强度及包装对内状物的保护能力。
将试验样品按预定的运输状态居中放置在振动台台面上。如果样品不固定在台面上，可以使用围栏，既可以做单个样品，也可以在样品顶部添加载荷。
方法A：扫频范围3-100-3Hz，扫频速率0.5oct/min，扫描2次。
方法B：方法A确定共振点后，选取0.2g-0.5g内一个加速度值，在共振频率的±10%范围内进行共振试验，每个点试验15min。这种方法又称驻频试验。
试验结束后按照有关规定检查包装及内状物的损坏情况，并分析试验。
1.3 随机振动试验
随机振动试验评定运输包装件经受随机振动时，包装对内状物的保护能力。
将试验样品按预定的运输状态居中放置在振动台台面上。一般情况下样品不固定，四周安装护栏，护栏与样品有10mm的间隙。只有包装件在实际运输过程中需要固定时，样品才固定在台面。
按照选定的随机振动图谱进行随机振动试验，试验时间推荐180min。
当知道运输距离时也可以根据公式t=S/K
式中：t—试验时间，单位为分（min）；S—运输总距离，单位为千米（km）；K—试验时间估算常数，K取6，单位为千米每分（km/min）。
试验过程中，如需对产品进行观测，可以在外包装上不重要的位置开观测孔。试验结束后按照有关规定检查包装及内状物的损坏情况，并分析试验。
2 三种试验方法使用注意事项
2.1 正弦定频振动试验的问题
国标方法A中根据加速度和位移，并且样品不跳离台面进行振动试验，按照标准给定的图形可以有很多种选择，没有给定具体的试验参数，试验目的不明确。
方法B中选定的振幅没有给出一个推荐范围值，所以选择多大的振幅就存在争议。另外，两种试验方法都没有给定试验时间，需用户自行确定。
结合ASTM D999中方法A1和ISTA测试程序中固定位移振动试验，建议国标正弦定频振动试验参数确定为：振幅25.4mm，在频率2Hz-5Hz范围内确定样品按规定跳离台面，振动时间1h。样品四周安装护栏，不能限制样品垂直方向的运动。
2.2 正弦变频振动试验的问题
方法A中没有给定振动加速度值；方法B加速度给定了一个范围。
结合ASTM D999的规定，建议国标正弦变频振动试验参数确定为频率范围3-100-3Hz，加速度0.5g，扫频速率0.5oct/min，扫描2次；共振试验加速度为0.5g，试验时间每个共振点15min，样品通过适当方式与振动台面刚性连接在一起。
2.3 随机振动试验
随机振动试验的试验方法和试验要求没有规定不完善的。只是振动时间方面写的比较笼统。ASTM D4169中规定了随机振动的推荐时间是180min，推荐时间范围是30min-6h。因为有些情况下产品在3h内就会出现过应力或磨损，而有些疲劳失效的时间多于3h。但试验时间最长为6h。ASTM对试验时间做出了更明确地说明，有助于更好地确定试验时间。
试验过程中，样品一般不固定在台面，并且按照实际运输层数进行试验。
3 试验方法的选择
正弦定频振动试验建议的试验参数更适合包装件，严格意义上来说并不是振动试验振动，而是一种连续冲击试验，因为试验过程中包装件会与振动台面发生连续的碰撞。直观表象为包装件在台面上发生了弹跳。这个试验不是对真实运输过程的模拟，虽然包装件在运输过程中也会发生弹跳，但却不是恒定频率和振幅的弹跳。该试验方法用于评定运输振动显然不合理，但是作为筛选试验是一种非常不错的方法。
正弦变频振动试验是平滑的振动，在包装测试中主要用于寻找产品敏感部件、关键部件等的共振点，然后通过驻频试验确定共振点的潜在危害。这种试验方法不适用于评价运输危害。更加适合考核产品的结构强度。
随机振动试验是一种非确定性振动，它的振动物理量随时间的变化规律无法用确定的数学关系式来表达，而只能用概率论和统计学的方法来描述，需将实际的时域信号通过傅里叶变化转化为频域信号来实现实验室随机振动试验。这个试验更加符合实际的运输振动情况，这种振动与实际的车辆振动情况比较接近，也是目前实验室用于评定包装件振动性能的主要试验方法。
结语
综上所述，随机振动试验是评价运输包装件抵抗振动的最有效的试验方法。因为它能够最接近模拟真实的运输情况。需要注意，不同的运输工具和运输条件，随机振动的PSD图谱都不一样，所以在选择随机振动PSD图谱时一定要结合实际的运输条件和工具来选择。
最重要的一点，如果在实际运输过程中，样品在运输工具上没有固定，那么试验过程中样品也不能固定在振动台台面上。否则在试验与实际运输就出现了偏差，不能正确评估包装件的抵抗振动的性能。
参考文献
[1]GB/T 4857.7-2005.包装 运输包装件基本试验第7部分：正弦定频振动试验方法.
[2]GB/T 4857.10-2005.包装 运输包装件基本试验第10部分：正弦变频振动试验方法.
[3]GB/T 4857.23-2012.包装 运输包装件基本试验第23部分：随机振动试验方法.
[4]ASTM D999-08 Standard Test Methods for Vibration Testing of Shipping Containers
[5]ISTA resource book 2014
振动试验的应用研究 篇4
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.
振动试验台 篇5
转子越过临界转速的振动特性试验研究
以盘偏置单盘双简支试验器转子为对象,由加速与减速的幅频特性曲线确定转子的`临界转速.以幅频特性曲线模态计算法确定盘处的偏心距和阻尼比,用弯、扭耦合传递矩阵法计算临界转速及稳态不平衡响应,同时分析了偏心距及初始弯曲按一阶振型分配时,转子越过临界之振动特性.由试验与理论分析结果表明,加速度对振动特性有明显的影响.
作 者：杨伸记 赵明 杨秉玉 戚先萍 任平珍 Yang Shenji Zhao Ming Yang Bingyu Qi Xianping Ren Pingzhen 作者单位：西北工业大学航空动力与热力工程系,西安,710072刊 名：推进技术 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGY年，卷(期)：“”(2)分类号：V231.96关键词：转子速度 加速度 临界转速 模态振动试验
振动试验台 篇6
关键词：橡胶粉；水泥稳定碎石；试验
引言
水泥稳定碎石，主要由粒料和灰浆体积组成。粒料为级配碎石，灰浆体积包括水和胶凝材料，胶凝材料由水泥和混合材料组成。而在水泥稳定碎石中加入橡胶粉，会极大的改善水稳基层力学性能和稳定性。而本文就不同橡胶粉水泥稳定碎石振动击实试验进行了探讨，相信对有关方面的需要有一定帮助。
1试验准备
1.1原材料
水泥采用P.C32.5水泥，技术指标符合规范要求；集料为石灰岩，技术指标符合规范要求；橡膠粉采用10～40目0.3～3mm连续级配胶粒，表观密度为1220kg·m-3。
1.2级配的选择
采用嵌挤理论计算不同级别集料的孔隙率，再逐级填充从而确定主骨料的级配。骨架密实型级配范围如表1所示。最终选定的水泥稳定碎石骨架密实级配如表2所示。
表1骨架密实型级配范围
表2试验采用级配
1.3试验仪器的选择
考虑到振动压实与静力压实机理的不同，混合料在振动和冲击的作用下，颗粒表面形成一层水膜，从而使颗粒更容易移动而达到密实状态，所以采用室内振动压实试验的方法。根据水泥稳定碎石水稳基层对振动压路机振幅和工作频率的选择要求，一般名义振幅为0.8～2.0mm。工作频率选择范围为25～40HZ，为达到最佳振动效果，振动试验仪的参数选取见表3。
表3振动参数选择
2最大干密度与最佳含水量随橡胶粉
含量的变化规律水泥剂量为4.0%时，掺入含量为0%、2%、4%、8%、10%的橡胶粉，分别进行细度为2～1.2mm（10～20目）、1.2～0.5mm（20～30目）、0.5～0.4mm（30～40目）的a、b、c三组试验。试验前将试料放入烘箱中烘干至恒重；采用强制搅拌的方式保证橡胶粉在混合料中均匀分布；将湿混合料加入试模中，振动击实1～2min；进行试件最佳含水量和最大干密度的测试。
图1为三组试件在加入不同剂量橡胶粉时测得的最大干密度。由图1可知，对于一定粒径的橡胶粉，随着含量的增加，混合料的最大干密度先增大后减小，变化量在0.1kg·m-3左右；橡胶粉掺量在2%～3%范围时，混合料的最大干密度达到最大值；c类橡胶粉可使混合料的最大干密度产生较大变化，其峰值较a、b类大。
图1 橡胶粉含量与最大干密度的关系
分析其原因认为，少剂量的橡胶粉能够填补集料骨架密实结构的空隙，在振动试验条件下，橡胶粉颗粒表面形成的水膜可以促进颗粒移动，达到比较好的密实状态，粒度越细，越有利于增强振动效果；随着橡胶粉含量的继续增加，橡胶粉不再起填充作用，开始在混合料中占据一定体积，从而使干密度下降；c类橡胶粉对混合料最大干密度的影响效果比较明显，因此在实际应用当中选择合适剂量的c类橡胶粉能够提高基层的密实效果。
图2为橡胶粉含量与最佳含水量的关系。由图2可知，混合料的最佳含水量随着橡胶粉含量的增加迅速增加，这是由于橡胶粉的吸水率较大，而且吸水较快。对于相同剂量的橡胶粉，粒度越细，比表面积越大，吸水效果越明显，且掺加c类橡胶粉混合料最佳含水量的值与增长率比a、b类均大。
图2 橡胶粉含量与最佳含水量的关系
3无侧限抗压强度随橡胶粉含量的变化规律
将掺有不同剂量橡胶粉的水泥稳定碎石混合料投入试模振动成型机，得到150mm×60mm的圆柱体试件。把试件置于温度为（20±2）℃、相对湿度不小于95%的养护室内雾化加湿养护7d后，分别进行无侧限抗压强度测试。无侧限抗压强度随橡胶粉含量的变化规律如图3所示。
图3 橡胶粉含量与无侧限抗压强度的关系
由图3可以看出，掺入0%～2%的橡胶粉时，混合料的无侧限抗压强度稍有提高；随着橡胶粉含量的增加，混合料的无侧限抗压强度逐步降低。
主要原因为：橡胶粉具有良好的吸水性和保水性，嵌挤在骨料中，与混合料形成密实结构；橡胶水泥稳定碎石内部存在橡胶颗粒与水泥砂浆包裹界面、橡胶颗粒与碎石之间粘结界面和橡胶颗粒之间或碎石颗粒之间粘结界面等三类界面，随着龄期增长，橡胶水泥稳定碎石试件结构内部第三类界面增多；橡胶粉是一种强度较低的软弹性材料，其含量增加将造成试件整体强度下降，而且由于橡胶粉的弹性效应在一定程度上减弱了水稳碎石混合料后期强度的发展，因此抗压强度较未掺橡胶粉的混合料略有降低。
4冲刷特性研究
水泥稳定碎石材料的冲刷性能与其强度形成过程、材料组成及其空间结构有关。实际工程当中，从道路面层进入基层交界面的雨水，在反复行车载荷作用下会产生动水压力和真空水压，最终引起基层脱空等病害。因此有必要对橡胶水泥稳定碎石进行冲刷特性研究。
采用MTS试验台来做水泥稳定碎石混合料的冲刷试验，该试验原理考虑了水对试件的侵蚀作用和车载对基层顶面的“泵吸作用”，且作用力的大小和频率可控，能够实现精确测量。试验频率为22HZ，作用载荷为1.2MPa。
图4为未掺橡胶粉和掺有2.5%的c类橡胶粉的水泥稳定材料不同龄期的冲刷量直方图，冲刷次数为8000次。由试验结果可知，掺入2.5%的橡胶粉，降低了结合料的冲刷量，随着龄期的增长，冲刷量有所下降，但降幅不明显。
图4 不同龄期的冲刷量变化
产生上述现象的原因是：加入的橡胶粉被水泥浆充分包裹，加强了内部颗粒物质的相互联接，由于橡胶颗粒的弹性，对“泵吸作用”起到缓冲作用；随着冲刷作用的进行，碎石骨料承受主要载荷作用力，颗粒物质内部的联结已经达到稳定状态，细颗粒物质不再直接承受载荷作用，只承受运动水流的冲刷作用。
5干燥收缩性能试验
将掺有不同剂量c类橡胶粉的水泥稳定碎石混合料分别投入试模振动成型机，得到150mm×60mm的圆柱体试件。把试件置于温度为（20±2）℃、相对湿度不小于95%的养护室内雾化加湿养护7d后，在自然温度、湿度的条件下，测定不同失水率下试件的干缩量。通过手持应变仪读取不同时间试件的干缩值。图5为平均干缩系数随橡胶粉含量的变化曲线。由图5可知：随着橡胶粉含量的增加，结合料的平均干缩系数先下降后上升，变化幅度在5%～10%。
图5 橡胶粉含量与平均干缩系数的关系
主要原因是：随着水分的蒸发、水化反应的进行，结合料内部发生毛细管作用、吸附作用、分子间作用等反应，引起水泥稳定碎石混合料的体积收缩。对于未掺入橡胶粉的混合料，骨架孔隙率比较大，受到的毛细张力、吸附作用、分子间作用也较大，因此干缩系数比较大；掺有一定量橡胶粉的混合料，其内部的空隙被填充，由于橡胶粉具有良好的保水性和弹性，对毛细张力、吸附作用、分子间作用表现不太敏感，所以干缩系数有减小的趋势；随着橡胶粉含量的继续增加，混合料的比表面积增大，橡胶颗粒表面的水膜由于蒸发作用逐渐变薄，颗粒间的分子引力相互作用，引起收缩系数增大。因此，掺入一定量橡胶粉有利于降低结合料的应变收缩。
6结语
综上所述，本文通过探讨了不同橡胶粉水泥稳定碎石振动击实的试验，对不同掺量的橡胶粉水泥稳定碎石作了论述，旨在能为类似的方面提供参考范例。
参考文献：
[1]蒋应军.基于振动法设计的抗裂型水泥稳定碎石基层应用研究[J].2008（12）.
振动试验台 篇7
随着市场竞争的日趋激烈, 对摩托车的乘坐舒适性与结构强度等方面提出了越来越多的要求, 摩托车振动的主要振源来自发动机激励和路面激励[1,2], 因此必须重视摩托车的振动问题[3,4,5,6]。振动耐久试验的目的就是确保装备在整个寿命期的结构完整性[7]。为了适应国标GB 14622-200X[8] 的要求, 许多科研机构进行摩托车振动耐久实验平台的研究和开发, 例如, 重庆理工大学研制的基于虚拟仪器的摩托车振动测试系统[9];中北大学研制的基于虚拟仪器的道路模拟试验信号采集与处理系统[10]。本文研究的摩托车振动耐久试验台将摩托车振动耐久试验的全过程在室内自动进行, 用计算机控制代替人的操作, 既降低了劳动强度, 节约了成本, 又保证了实验在统一的环境条件下运行, 提高了摩托车耐久试验的准确性。
1 系统软硬件设计原理
摩托车振动耐久试验台主要由试验台架、前后轮滚筒、前后轮夹持机构, 以及电控部分组成。其中电控部分主要由工控机及研华的采集卡组成, 其结构框图如图1所示。
摩托车在试验台架上装夹稳定后, 由工控机控制滚筒按照一定的速度模式曲线旋转, 滚筒表面加装凸块, 凸块的安装个数和种类可以改变。模拟车辆在凹凸路面行驶时的振动状态, 当滚筒按照一定的模式曲线旋转时, 摩托车就会按照一定的振动频率振动行驶。
1.1 主要硬件电路设计
摩托车振动耐久试验台现场存在许多的强干扰源, 例如电动机、变频器等。硬件电路设计考虑了抗干扰性和可扩展性, 以工控机为控制核心, 具有开放性, 可靠性和可扩展性, 便于日后系统的软硬件升级。为了采样车速的脉冲信号, 采用华远公司的定时/计数板卡6220[5]。车速控制电路主要由华远公司的数/模转换板卡1232, V/I转换模块, 以及变频器组成。数字量输入板卡6110检测各种传感器的开关状态, 例如, 车轮左右偏摆, 轮胎压力以及变频器的运行状况。车辆如果在运行过程中发生严重的左右偏摆, 轮胎压力严重不足或者爆胎, 工控机会通过数字量输入板卡, 实时检测到故障原因, 自动停机并警示。硬件结构框图如图2所示。
振动耐久试验台的硬件原理图如图3所示, 主要包括车速控制、检测电路和状态监测电路。
1.2 测控系统的软件设计
摩托车振动耐久试验台软件在Windows 2000系统平台下运行, 采用VC++ 6.0为开发工具, 系统软件的主要功能模块如图4所示。
用户通过主界面输入试验台的基本参数, 如凸块个数、循环模式、摩托车型号。同时, 通过主界面, 还可以方便地操作试验台, 例如启动、停止、保存数据等。软件的主界面如图5所示。
1.3 车速控制策略
振动耐久控制过程中, 摩托车不发动, 摩托车的速度由滚筒带动车轮旋转产生, 滚筒由电动机驱动, 电动机采用变频器控制, 由于变频器的输入电流与输出转速成正比, 控制工控机给D/A板输出的数字量, 就可以实现对车速的控制, 获得该数字量的控制算法如下:
式中:Dnum为向D/A板输入的数字量;KP为比例系数;KI为积分系数;KI=T/TI;KD为微分系数;KD=TD/T。
车速的采集通过安装在滚筒轴上的光电编码器和基于ISA总线的定时/计数板卡6220完成。车速控制框图如图6所示。
2 实验与分析
如何控制车速按照给定的模式曲线运行是本文研究的重点和难点。图7是国标14622-200X规定的11LAPS运行模式 (65 km/h) 。该曲线作为本实验的目标曲线。
基于PID控制策略, 根据公式 (1) , 进行车速控制实验, 首先利用PID控制的参数归一整定法, 根据Ziegler-Nichle条件, T=0.1TK, TI=0.5TK, TD=0.125TK, 式 (1) 整定为式 (2) :
根据式 (2) , 改变参数KP, 会产生不同的控制效果, 图8是不同的KP控制效果比较。
实验表明, 不同的比例系数KP下, 产生的速度偏差是不同的, 表1具体显示了不同参数和不同时刻的速度偏差。
km/h
根据表1, KP=0.21时, 控制效果较好, 然而, 不论如何整定参数KP, 总会在速度拐点处出现控制超调。为此, 结合振动耐久台的实际控制情况本文对标准的PID控制算法进行了改进。将距离速度拐点的时间差作为一个参数加入了控制公式中。改进后的PID控制算法如式 (3) 所示:
式中:ti, ti+1为模式曲线中距离速度拐点的时间, 见图7;t为实际采样速度。
车速控制策略的改进机理就是在距离速度拐点远的时刻加强控制效果, 而在接近速度拐点的时刻削弱控制效果, 以防止在拐点处超调。根据改进后的控制算法, 车速控制曲线如图9所示, 控制效果明显改善, 整个控制过程中的速度偏差小于1 km/h。
3 结 语
本文利用PID控制的参数归一整定法, 通过改变参数KP, 在一定程度上改善了控制效果。然而, 对于存在速度拐点的标准曲线来说, 实际运行曲线总是存在速度偏差。因此, 本文对传统的PID控制算法进行改进, 把距离拐点的时间作为影响因子加入了控制算法, 使控制效果得到明显改善。
参考文献
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[9]董绍江, 米林.基于虚拟仪器的摩托车振动测试系统[J].重庆工学院学报:自然科学版, 2009, 23 (5) :15-18.
振动试验中相关参数的应用 篇8
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。
随机振动试验前的参数估算 篇9
关键词：随机振动,试验,参数估算
随机振动试验是目前最常用的一种模拟试验.被广泛的应用在各种不同领域的产品中, 在检验产品的可靠性和质量方面扮演着重要的角色.在做随机振动试验时有可能遇到试验量级超出试验台极限的情况, 这对样品和试验设备都会产生一定的破坏作用.为了试验的顺利进行, 为了提高试验的质量, 在振动试验前有必要对试验参数进行初步估算以了解试验能否进行.
1 影响振动试验的几个关键指标
试验推力:试验推力对试验起着决定性的作用.所需推力超过额定推力则试验不能进行, 但是推力远远小于额定推力, 容易造成资源浪费.通过推力计算合理选择振动台.
最大位移:目前大多数电动振动台额定位移行程为25.4 mm (单峰) .随机振动试验时, 从振动条件上看不出随机振动的最大位移, 而其值也是不确定的.因此有必要在试验前估算最大位移, 避免因超过行程而损坏振动台.
加速度:对于随机振动是指均方根加速度.它是表征随机振动总能量的统计参数.
频率范围:目前电磁振动台的频率多数可以达到3 000～5 000 Hz, 基本可以满足产品试验的要求.
2 随机振动试验参数的估算
目前随机振动试验采用最多的是宽带随机振动.根据试验样品给出的振动要求, 计算试验所需的量值, 通过与振动台的极限值进行对比, 估算试验能否进行.振动台极限参数见表1, 产品参数见表2.
2.1参数估算的依据
随机振动试验需要估算的有:随机推力和随机振动最大位移.随机振动一般给出功率谱密度与频率的关系曲线如图1所示, 根据该曲线及相关计算公式即可计算出总均方根加速度, 根据加速度估算出随机推力.
(1) 加速度均方根的计算公式[1]
图1中, A1为升谱, 斜率为3 dB/oct;A2为平直谱;A3为降谱, 斜率为-6 dB/oct, Wb和W1分别为fb、f1点对应的功率谱密度, W为平直谱对应的功率谱密度.
加速度总均方根值由曲线下总面积的和经过开方运算得到, 用以下公式表示
式中, A1为升谱曲线所含的面积, A2为平直谱曲线所含的面积, A3为降谱曲线所含的面积.图谱曲线所含的面积通过谱密度函数在频率上进行积分算出.
直谱曲线所含的面积为
A2=W·△f=W× (f1-fb) (2)
升谱曲线所含的面积为
降谱曲线所含的面积
式中, m=N/3;N为谱线的斜率 (dB/octive) .若N=3则m=1时, 式 (4) 中的分母为零, 必须采用下式计算降谱面积
(2) 试验推力的计算公式
F= (m0+m1+m2) G (6)
式中, F为推力 (激振力) (N) ;m0为振动台运动部分有效质量 (kg) ;m1为辅助台面质量 (kg) ;m2为试件 (包括夹具、安装螺钉) 质量 (kg) ;G为试验加速度 (m/s2) .
(3) 位移的计算公式
准确的方法应该找出位移谱密度曲线, 计算出均方根位移值, 再用均方根位移算出最大峰值位移.在工程上往往只要估计一个大概的值.这里介绍一个简单的估算公式, 通过估算的值比实际要大.
式中, Xp-p为最大的峰峰位移 (mmp-p) ;fo为下限频率 (Hz) ;wo为下限频率 (fo) 处的功率谱密度值 (g2/Hz) .
2.2随机振动试验的参数估算
例如, 一个试验样品的振动要求如图2所示, 其中B1为升谱, 斜率是4 dB/oct;B2为平直谱;B3为降谱, 斜率是-6 dB/oct.
(1) 均方根加速度的计算
根据式 (2) 计算平直谱面积, 从图2可以得到w=0.25, f1=1 000 Hz, fb=300 Hz, 将参数带入式 (2) 得到
B2=W× (f1-fb) =0.25× (1 000-300) =175
根据式 (3) 计算升谱面积, 从图2可以得到m=N/3=4/3, wb=0.25, fa=15, fb=300, 将参数带入式 (3) 得到
根据式 (4) 计算降谱面积, 从图2可以得到m=N/3=6/3=2, w1=0.25, f1=1 000, f2=2 000, 将参数带入式 (4) 得到
根据式 (1) 计算均方根加速度, 将B1, B2, B3值带入式 (1) 得到
(2) 推力计算
根据式 (6) 计算试验最大推力, 查振动台参数可知m0=8.3 kg, m1=25 kg;从表2可知m2=25 kg;G=Grms=18 g, 将参数带入式 (6) 得到
F= (m0+m1+m2) G= (8.3+25+25) ×
18×9.8=10.28 kN
(3) 随机振动最大位移的计算
根据式 (7) 计算位移, 从图2可知f0=fa=15, w0=0.04, 将以上参数带入式 (7) 得到
所以单峰位移Xp-0=1.84 mm
3 估算结果分析
将所估算的结果与振动台的极限参数进行对比, 见表3.
通过表3中数据表明, 振动台完全可以胜任该试验样品的试验条件要求.
4 结 论
根据最常用的宽带随机试验图谱估算出了试验可能达到的最大推力和位移, 通过与振动台极限参数进行对比, 可以初步判定该试验样品能否在这个振动台上进行试验.但是实际情况往往很复杂, 除了估算外还要在振动台上进行试振.试振没问题就可以进行正式试验了.
参考文献
[1]胡志强, 法庆衍, 洪宝林.随机振动试验应用技术[M].北京:中国计量出版社, 1996:184-191.
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固体推进剂振动试验夹具设计 篇10
固体火箭发动机在海洋舰载条件下会随舰颠簸振动[1,2],长期的加速度载荷会影响固体推进剂的力学性能。为研究加速度载荷对固体推进剂的影响,需对固体推进剂进行振动试验,测试其力学性能参数,从而判定舰载振动环境对固体推进剂力学性能的影响。由于按照国标测试固体推进剂的力学性能时需要的固体推进剂试件较多,为使同一批次的试件受载均匀,设计合理的符合环境振动试验要求的夹具是保证振动试验质量的关键。
振动夹具的作用是把振动台加速度载荷传递到试验样品,使样品产生与要求的振动谱性相一致的受迫振动。在工程实践中,因夹具的动力特性较差会引起试件的“过试验”和“欠试验”,使同一批次的试件受载不均匀,影响试验结果的准确性[3]。夹具设计的关键是在保证连接可靠的前提下提高传递精度,将振动台台面上的振动信号传递到试件的失真程度降到最小,提高夹具的固有频率,可有效避免试件、夹具、振动台共振现象的发生[4]。
1 夹具设计
夹具的设计要考虑试件的尺寸、质量以及自身的重心、试验方向的固有频率等,试件安装完成后夹具的重心应该和振动台面的几何重心重合。夹具设计应做到:1) 夹具的固有频率应大于4/3倍的试验上限频率;2) 传递系数(动力放大系数)应基本为1,可将振动台体能量不失真的传到试件上;3) 夹具上任一点的加速度、振幅等指标均相同;4) 适当考虑试件和夹具安装的方便性[5]。
1.1 设计要求
为研究舰载振动环境对固体推进剂力学性能的影响,设计了固体推进剂振动试验。固体发动机舰载条件下振动频率一般不高于1Hz,加速度值不大于1g。常温下固体推进剂老化较慢、振动试验耗时较长,故对固体推进剂进行高温加速老化,为使试验时推进剂振动次数和舰载时振动次数相同,根据时-温等效原理,拟定试验每天振动时间为30min,估算振动频率为200Hz。单个推进剂试件的质量约为53g,每次试验约需40个试件,考虑振动台的实际输出激振力,拟定试验加速度值为10g,振动夹具的质量不超过10kg。试件安装完成后夹具的重心位于振动台的轴心上。
1.2 设计方案
测试固体推进剂力学性能时,按照QJ924-85《复合固体推进剂单向拉伸试验方法》的规定执行,试件的形状为哑铃形,其尺寸如图1所示(单位:mm)。
常用固体推进剂夹具有L型夹具、方型夹具、T型夹具、锥状夹具、板状夹具等。测试固体推进剂力学性能指标主要有最大抗拉强度和最大延伸率,由于需要的试件较多,在夹具内的安装方式为吊挂,所以夹具采用矩形板状结构。在夹具的上下端面安装用于固定试件的挂钩,下端面也作固定面,和振动台台面联接、固定,上下端面用6根杆联接。由于上下端面上固定的挂钩较多、试验时上端的挂钩相对于上端面的位置需要调整,所以夹具成形采用螺栓连接方式。同等刚度下为降低夹具质量,上下端面以及挂钩材料选用LY12,联接杆材料采用Q235。为试件安装方便以及考虑温湿度试验箱工作室尺寸限制,上下端面板的尺寸为350mm×286mm×8mm,联接杆尺寸为d14×124mm,其中上下端面板各开3个48mm×236mm槽,在槽两侧开26个D4.5的孔,在上下端面板上各开10个D10.5孔,其中6个孔用于夹具上下端面联接,另外4个孔用于夹具固定在振动台上,夹具的质量约为7kg,试件质量约为 2.1kg。夹具实体效果如图2所示。
2 固有频率计算
2.1 代数方程法
由于设计的振动夹具结构复杂,难以精确计算固有频率,故将夹具分解成板、梁等组成部分,再分析各个部分在振动方向上的响应情况并计算各自的固有频率,最后用邓克莱法估算夹具的固有频率:
undefined(1)
式中:f0为夹具的固有频率;f1,…,fn为各组成部分的固有频率。
按照上述分解原则,将夹具分解为可独立计算的板和梁模型。在进行推进剂的振动试验时,振动方向为试件的悬挂方向,故只需验算夹具的竖直方向的固有频率。
1) 板的固有频率计算
挂钩均用螺栓固定在端板上,且挂钩与端板材质相同,为简化计算,故将端板与固定在上面的挂钩等效为图3 模型。
端面板振形系数λ的计算公式为[6]:
λ2=5.2+2.5(b/L)2+(b/L)4 (2)
代入端面板数据计算可得:
λ2=5.2+9.74×(35/28.6)2+5.2×(35/28.6)4=31.3
用瑞利法求平板固有频率:
undefined(3)
式中:h为板高;b为板宽;g为重力加速度,E为弹性模量;ρ为材料密度;μ为泊松比。
代入数值计算得:f1=1490Hz。
2) 梁的固有频率计算
杆件试验时主要受轴向载荷,其刚度系数k=EA/L,则梁的固有频率为:
undefined(4)
式中:k为杆件刚度系数;m为杆件质量;E为弹性模量;A为杆件截面面积;L为杆件长度;ρ为材料密度。
代入数值计算得:f2=6663Hz。
3) 刚体平移的固有频率
试验时夹具用4个M10螺栓固定在试验台上,根据刚体平移固有频率计算公式[6]:
undefined(5)
式中:F为夹具的质量;A为螺栓的截面面积;E为弹性模量;L为螺栓受力长度;n为螺栓数量。
代入数值计算得:f3=434Hz。
由式(1)计算出夹具的固有频率:f0=397Hz
4) 试件安装后夹具的固有频率
在振动夹具上安装试件后,夹具的固有频率会发生变化,可按下列经验公式计算:
undefined(6)
式中:f为振动夹具安装试件后的固有频率;f0为未夹持试件时夹具的固有频率;W0为夹具的质量;WB试件的质量。
代入数值计算得:f=348Hz。
2.2 有限元模态分析
1) 物理模型及性能参数
固体推进剂振动夹具结构简单,可直接在ABAQUS中建模分析。振动夹具主要由端板、挂钩、梁组成,为简化计算,暂不考虑夹具上的螺栓孔、螺栓等细小特征影响。
进行有限元计算时,选择C3D8R(8节点六面体线性减缩积分单元)对模型进行网格划分,共划分36908个单元。在下端4个螺栓孔处施加固定边界条件。挂钩与上下端板用螺栓连接,在建模时忽略螺栓对结构模态的影响,对联接杆与上下端板之间的接触面施加绑定约束。由于联接杆与端板采用螺栓连接,故对挂钩与端板之间的接触面施加绑定约束。夹具材料的性能参数见表1。
2) 模态分析结果
对振动夹具的有限元模态分析,选用软件默认的Lanczos(分块兰索斯)法提取模型的前10阶自由模态。夹具的前10阶固有频率如图4所示。
有限元模态分析夹具最低固有频率为283.22Hz,查看分析数据文件可知第1、2阶振型主要在x方向(夹具的水平方向)起作用,第3阶振型主要在z方向(夹具的垂直方向)起作用,由此可知,振动夹具空载时垂直方向的最低固有频率为345.29Hz,符合设计要求。
3 正弦扫频试验
振动台只进行垂直方向的振动,测试夹具安装试件后垂直方向的动态响应,试验时采用夹具底部中心单点控制,采用正弦扫频测试条件,50Hz～1000Hz,0.1g, 10ct/min,垂直方向测试图谱如图5所示。
从实际振动图谱来看,夹具安装试件后的固有频率在300Hz左右,设计的夹具基本满足固体推进剂振动试验要求。虽然与振动夹具固有频率估算值存在一定的误差,但符合设计要求。
4 结语
1) 通过代数方程法和有限元模态分析法可计算夹具的固有频率,为夹具设计提供参考。
2) 正弦扫频试验测试振动夹具的固有频率为300Hz左右,满足固体推进剂振动试验要求。
参考文献
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振动试验台 篇11
(1.中南林业科技大学土木工程与力学学院， 湖南 长沙 410004； 2.中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075)
引 言
边坡与支挡结构在地震作用下组成一个复杂的非线性系统，目前有多种方法对其动力反应特性进行研究。作为一种易于在试验中操作控制的动力模型试验方法，大型振动台模型试验是研究支挡结构与边坡系统地震动力反应特性的重要手段[1]，在加筋土挡墙、土钉、桩板式挡墙及重力式挡墙等与边坡系统的地震反应性状研究领域中有着广泛的应用[2～5]，但目前在多级组合支挡结构与边坡的地震动力反应特性的研究中还较少涉及。近年来，有学者开展了这方面的研究工作，取得了有价值的研究成果，如文畅平等通过大型振动台模型试验[6～8]，研究了与锚杆框架结构二级支护边坡中重力式挡墙、桩板式挡墙的地震动位移模式及地震动力响应特性等；叶海林等通过大型振动台模型试验[9,10]，研究了抗滑桩与三级预应力锚索支护岩质边坡的地震动力响应特性等。但这方面的研究还处在探索阶段，需要进一步深入研究。
本文在相关科研课题的支撑下，以云南大理至瑞丽铁路(简称大瑞铁路)沿线支挡结构抗震性能为研究背景，重点研究多级支护条件下重力式挡墙的地震动力响应特性。处于云南滇西高烈度地震多发区的大瑞铁路，沿线大量的厚覆盖层和顺层岩质基岩边坡需要采用各种支挡结构进行支护，其中重力式挡墙与格构式锚杆框架护坡多级组合支护是其主要型式之一。课题组根据顺层岩石倾角20°，30°和40°，设计并完成了3个相似比尺为1∶8的厚覆盖层与顺层岩石边坡模型，通过3个大型振动台模型试验，对比研究了多级支护条件下，不同岩层倾角边坡中的重力式挡墙在汶川波地震作用下的加速度、动位移、动土压力等的响应特性和规律，以指导大瑞铁路沿线支挡结构抗震设计，并为相关类型支挡结构与边坡系统地震动力反应特性的研究奠定基础。
1 大型振动台模型试验
大型振动台模型试验在重庆交通科研设计院结构动力学国家重点实验室进行，地震模拟振动台为德国SCHENCK公司生产，由一个固定台和一个移动台组成的大型高性能三轴向六自由度宽频域地震模拟台阵系统，其主要技术参数见文献[6～8]。试验数据采集系统为Dewetron2010动态测试仪。
1.1 模型相似关系设计
采用重力失真模型和量纲分析方法对模型的相似关系进行设计[11～13]，并且以几何尺寸、密度和加速度做为控制量，其相似常数分别取Cl=8，Cρ=1，Ca=1。其余物理量的相似常数见文献[8]表1。
1.2 模型设计与传感器布设
根据大瑞铁路DK10+880～DK10+930段边坡确定本模型试验的原型边坡。本试验模拟的边坡高度为12 m，其中挡墙、护坡各6 m。模型边坡尺寸设计为150 cm(高)×150 cm(宽)，边坡坡率1∶1.25。3个模型中的岩层倾角α分别为20°，30°和40°，其支挡结构都为重力式挡墙+格构式锚杆框架结构二级支护。3个边坡模型见图1，格构式框架见图2。
图1 边坡模型及测点位置
图2 格构式框架图
试验采用刚性模型箱，内空尺寸为340 cm×150 cm×210 cm(长×宽×高)，其边界处理见文献[6]。模型设置加速度、动位移和动土压力等传感器，其型号及参数说明见文献[8]表2。
所有传感器沿模型边坡中轴线纵剖面布设，重力式挡墙各测点传感器布设说明如下：(1)在墙脚、墙中和墙顶布置水平向加速度传感器；(2)在挡墙墙面的墙脚和墙顶处设置水平向动位移传感器；(3)在墙背底、中和上部分别设置动土压力传感器。所有传感器按类别分别进行编号，墙脚测点距基座顶面5 cm。此外，在填土内也设置了加速度传感器以进行模态参数分析。
1.3 试验材料与模型制作
模型试验采用边坡岩土原型材料，考虑其最大粒径的相似关系，控制试验土石混合料最大粒径不大于2 cm，土石质量比为4∶6。通过土工试验得到有关参数为：最大干密度ρdmax=2.18 g·cm-3，最佳含水量wopt=5.34%，粘聚力c=6.2 kPa，内摩擦角φ=34°。模型底座和基岩采用C25号混凝土，支挡结构和边坡岩层采用加气微粒混凝土，设计抗压强度为5 MPa，钢筋和锚杆采用直径4 mm的镀锌铁丝。支挡结构尺寸分别见图1和2。
边坡模型装配完成后，总重量最大不超过300 kN，小于振动台标准荷重，模型全貌见图3。
那阵子，在我按市专家的处方每天上、下午到小区的西医诊所各点一组头孢后，我的症状明显减轻了。其中最显著的例子就是晚上能睡个安稳觉了。虽说睡梦中还是难免不时地咳上几声，但绝不会咳醒。这还是老婆告诉我的。正因如此，市专家嘱我半月后回市医院复诊，我都没去，而是听从了小区西医诊所中那位小护士的建议，停止滴流后继续口服头孢及化痰药。
图3 模型边坡全貌
1.4 地震波与加载制度
试验采用汶川波作为振动台的输入地震波，时间压缩比为2.83，分别采用水平向(X向)、竖向(Z向)和水平竖直双向(XZ向)(由X向和Z向合成)三种方式加载，代号分别为：WC-X、WC-Z和WC-XZ。激振方向X向和Z向见图1所示。汶川波加速度时程曲线及傅氏谱分别见图4和5。
图4 汶川波加速度时程曲线
图5 汶川波傅氏谱
试验研究的地震烈度为VII～X，根据相关规范[14～16]，将相应的加速度峰值调整为：0.1g，0.2g，0.4g和0.6g。试验在此基础上增加了0.8g和1.0g两种工况。当X向加载时，按上述加速度峰值逐级加载；当Z向加载时，考虑到竖向地震较少与水平向同时达到加速度峰值[17]，因而按X向加速度峰值的2/3折减后逐级进行加载[14]。除白噪声外，共18个加载工况，具体加载制度见文献[7]表3。
2 试验结果与分析
2.1 加速度动力响应特性分析
采用加速度响应峰值和加速度响应峰值放大系数(记为PGAA)2个指标，对重力式挡墙加速度动力响应特性进行分析。分析以台面加速度传感器响应峰值作为控制点，并且对PGAA做如下规定：X向单向激振时，PGAA为测点与台面X向响应峰值的比值；Z向单向激振时，PGAA为测点与台面Z向响应峰值的比值；XZ双向激振时，X向PGAA为测点与台面X向响应峰值的比值，Z向PGAA为测点与台面Z向响应峰值的比值。
以汶川波XZ双向激振、水平向激振加速度峰值0.4g为例，三组模型试验挡墙各测点水平向PGAA沿墙高分布情况见图6。
图6 汶川波XZ双向激振水平向PGAA沿墙高分布
(1)汶川波XZ双向激振时，挡墙加速度动力响应峰值最大，X向激振时次之，Z向激振时最小。说明挡墙加速度动力反应主要受水平向地震波的影响，不受顺层岩石倾角的影响。
(2)PGAA沿挡墙高度分布特性受顺层岩石倾角的影响显著。岩层倾角α=20°时各加载工况下，PGAA沿墙高呈现出近似线性增大的特征；岩层倾角α=30°时PGAA沿墙高呈现出非线性增大的特征；岩层倾角α=40°时PGAA沿墙高呈现出显著的非线性增大的特征。
(3)岩层倾角α为20°和30°时的PGAA比较接近，而α为40°时的PGAA稍大，说明岩层倾角对PGAA值的影响较小。三个模型试验中，当激振加速度峰值不大于0.4g时，每个加载工况PGAA平均值为1.05～1.30。因此，当地震烈度不大于9度时，重力式挡墙水平向地震荷载拟静力值的放大系数可取1.05～1.30。
(4)根据3个模型坡体内各测点模态参数的均值进行对比分析。各工况白噪声激励后模型X向振动的第一阶模态参数变化规律见图7和8。模态参数总的变化趋势是：模型自振频率逐渐降低，阻尼比逐渐增大，说明边坡土体随激振加速度峰值增大逐渐软化。岩层倾角对模态参数影响较小。
图7 模型自振频率变化情况
图8 模型阻尼比变化情况
2.2 动位移响应特性
根据动位移传感器与支挡结构的相对位置，确定位移方向为：向土体方向移动的位移为“+”，离开土体向外侧移动的位移为“-”。以动位移响应峰值和永久位移，研究重力式挡墙水平向动位移响应特性。以汶川波XZ双向激振、墙顶测点为例，动位移响应峰值随激振加速度峰值变化情况，见图9。
图9 汶川波XZ双向激振动位移峰值随激振加速度峰值变化
(1)汶川波Z向激振下，各测点的动位移响应峰值很小。因此可以认为，重力式挡墙水平方向的位移是由水平向地震波所产生。
(2)汶川波X向激振下，挡墙动位移响应与岩层倾角基本无关，只是总体上随激振加速度峰值的增大而增大。XZ双向激振下，且激振加速度峰值小于0.6g时，挡墙动位移响应与岩层倾角无关，随激振加速度峰值的增大而增大。
(3)通过测点永久位移值分析挡墙动位移模式。挡墙动位移模式不受岩层倾角的影响。汶川波X向、XZ双向激振下，挡墙动位移模式为离开土体向边坡外侧平移与绕墙趾向土体外侧转动的耦合。
2.3 动土压力响应特性
地震动土压力是指不考虑静力作用、由地震引起的增加的土压力。以汶川波XZ双向激振为例，三个模型试验动土压力响应峰值沿墙高分布规律，分别见图10，11和12。
(1)各测点动土压力响应峰值总体上随激振加速度峰值的增大而增大。汶川波X向或Z向激振下都会产生动土压力，但X向激振所产生的动土压力响应峰值大于Z向激振。
(2)激振方式和岩层倾角对动土压力响应峰值影响较大。汶川波X向激振，岩层倾角α=20°时所产生的动土压力响应峰值最大；汶川波Z向激振时，α=40°时所产生的动土压力响应峰值最大。XZ双向激振时，α=20°墙底动土压力响应峰值最大，α=30°墙底动土压力响应峰值最小；当水平向激振加速度峰值AXmax≥0.6g时，α=20°的墙中和墙顶的动土压力响应峰值最小。
(3)岩层倾角对动土压力分布特性影响较大。α=20°且AXmax不大于0.2g时，动土压力响应峰值沿墙高呈现出上大下小的倒三角形分布，当AXmax≥0.2g时动土压力响应峰值沿墙高呈现出上小下大的非线性分布形式。α=30°时，AXmax不大于0.2g(竖向激振加速度峰值AZmax≤0.133g)时，动土压力响应峰值沿墙高变化较小，当AXmax≥0.4g(AZmax≥0.267g)时，动土压力响应峰值沿墙高呈现出上小下大的非线性分布形式。α=40°时，呈现出与α=20°时相似的特征。
(4)根据规范法和Mononobe-Okabe公式(M-O法)计算地震动土压力值[16]，并且与实测值对比发现，M-O法计算值最大，实测值次之，规范法最小。当激振加速度峰值不大于0.4g时，三者相差较小；而当激振加速度峰值不小于0.6g时，实测值与规范法、M-O法计算值相差较大。
由于规范法在墙高不大于12 m时不考虑水平地震惯性力沿墙高的放大效应[16]，故而导致计算结果小于试验值。
图10 α=20°时动土压力响应峰值沿墙高分布情况
图11 α=30°时动土压力响应峰值沿墙高分布情况
图12 α=40°时动土压力响应峰值沿墙高分布情况
(5)当地震动峰值加速度不大于0.4g时，若水平地震作用沿墙高增大系数采用1.10时[16]，按规范法计算的动土压力值稍大于实测值。当地震动峰值加速度不小于0.6g时，若水平地震作用沿墙高增大系数采用1.15时，按规范法计算的动土压力值与实测值接近，采用1.30时则与M-O法的计算结果接近。这与2.1节PGAA平均值为1.05～1.30相吻合。
3 结 论
本文设计并完成了3个1∶8比尺的厚覆盖层与顺层岩石边坡的大型振动台模型试验，对比分析了不同岩层倾角条件下，二级支护边坡模型中重力式挡墙在汶川波不同激振加速度峰值、不同激振方式下的动力响应特性，主要结论如下：
(1)重力式挡墙主要受水平向地震波作用的影响，产生水平向加速度动力反应。顺层岩石倾角对挡墙水平向加速度放大系数沿墙高分布特性的影响显著，但对挡墙水平向加速度放大系数值的影响较小，当激振加速度峰值不大于0.4g时，每个加载工况水平向加速度放大系数平均值为1.05～1.30。因此，当地震烈度不大于9度时，重力式挡墙水平向地震荷载拟静力值的放大系数可取1.05～1.30。
(2)重力式挡墙水平向位移主要由水平向地震波的作用所产生。顺层岩石倾角、地震波作用方式等，对挡墙的动位移响应特性、动位移模式等的影响较小。重力式挡墙的动位移模式为离开土体向边坡外侧平移与绕墙趾向土体外侧转动的耦合。
(3)水平向和竖向地震波作用下都会产生动土压力，但水平向地震波作用所产生的动土压力响应峰值大于竖向地震波。地震波作用方式和顺层岩石倾角等，对动土压力响应峰值、及其沿墙高分布特性等的影响较大。在不同的岩层倾角和激振加速度峰值条件下，动土压力响应峰值沿墙高表现出上大下小的倒三角形分布、上小下大的非线性分布、以及上下大小基本相同的线性分布等形式。
(4)重力式挡墙与锚杆框架结构组合支护边坡的抗震设计中，采用现有抗震设计规范计算地震土压力能够满足抗震要求。当地震动峰值加速度不大于0.4g(地震烈度不大于9度)时，水平地震作用沿墙高增大系数采用1.10，地震动峰值加速度不小于0.6g(地震烈度大于9度)时，水平地震作用沿墙高增大系数采用1.15～1.30是适宜的，当然这仍需更多的试验和理论研究进行验证。
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航空电子产品振动试验夹具设计 篇12
1.1 振动夹具的基本设计要求
根据多年的工作实践经验,同时翻阅了的大量的文献资料,我们认为合理可靠的振动夹具首先要保证在试验频率范围内不会与受试产品发生共振耦合,导致振动失真,其次应尽可能地减少夹具的重量,增大其刚度和阻尼。一个优质的振动夹具主要应满足以下几项要求:
①最佳的夹具应使其最低的固有频率比所需的最高施振频率高50%左右,以免试验时产生谐振,大多数航空电子产品的随即振动试验频率范围为10~2000Hz,因此夹具的理想一阶固有频率应在3000Hz左右;
②夹具的第一阶固有频率应高于受试产品第一阶固有频率的3~5倍,以避免发生夹具与受试产品的共振耦合,导致过振动;
③夹具应做得尽可能的小而简单,由于振动台的推力有限,为保证有足够的推力富余量,在不降低刚度的情况下,夹具重量要尽量的轻;
④夹具应采用对称设计,重心位置应当靠近振动台的几何中心,以减小振动偏载力矩,高度方向上重心要低,以减小横振力矩。
1.2 振动夹具材料的选择
制作夹具首先要选择材料,材料性能方面应具有较小的密度、较大的刚度和较高的阻尼,且应当易于加工,同时要兼顾加工成本。直接影响夹具固有频率与性能的因素是材料的弹性模量E与材料密度ρ之比,比值E/ρ非常重要,E决定材料的刚度,ρ决定材料的重量,其值越大越好。一般选择的材料为铝硅合金、铝镁合金或者ZL101,而不推荐使用钢材。
1.3 振动夹具加工方式的选择
夹具制造加工方法性能上的优先级是:首先选择铸造成型,其次用整块材料机械加工,其次选择焊接,最后选择螺接连接。整体机加夹具是最快最省的方法,且性能良好,大量应用于结构简单、尺寸较小的产品中;此法不可行时应优先考虑铸造夹具,铸造夹具最显著的优点是铸造合金的阻尼相当高,但由于需要制作模具,所以生产成本较高;焊接夹具一般采用连续焊缝的惰性气体保护焊,在焊接过程中容易因高温而变形,此时应考虑焊后的热处理和机械补充加工;螺栓连接夹具由于是局部连接,容易形成微振动,且在高频段容易失真,可靠性较差,要谨慎选用。
1.4 电装部分的设计
航空电子设备在进行随即振动时,需要对试验样机进行监测,很多时候需要在振动夹具上布置电装部分进行转接,电装的设计主要应注意两个方面:第一,选用高强度印制板,印制板上的元器件和连接器应当具备较好的抗震性能,并应采取一定的防震措施;第二,电缆布置要合理,长电缆要采取固定措施,如果对抗干扰无严格要求,优先选用半柔电缆。
2 振动夹具的设计与仿真
2.1 建立三维模型
下面以现在航空电子产品中应用较多的LRM模块为例来分析夹具的设计,夹具模型如图1所示,该夹具采用左右对称设计,由60mm厚的2A12铝合金扳机加而成,通过11个M8的螺钉固定在振动台上,另外该夹具还具有以下几个特点:第一,夹具有两条平滑的导轨,用于装夹LRM模块,且尺寸、位置和表面精度均较高;第二,该夹具有带印制板的电子装置,对电装部分应加以保护;第三,夹具自身有多处螺钉连接(螺钉连接部位不是夹具主体部分),在装配螺纹时,涂螺纹锁固剂乐泰243。
2.2 模态仿真
利用ANSYS有限元仿真分析软件,对夹具进行模态仿真,试验样机的振动试验频率为10~2000Hz,则夹具的一阶固有频率在3000Hz左右为宜。由于夹具的电装部分作为辅助装置对试件的振动环境没有明显影响,因此在模态仿真时,可以去除夹具电装,简化后的夹具外形及网格划分效果如图2所示;发生在电装位置的固有频率对夹具主体无影响,不作为夹具整体的固有频率。夹具的一阶固有频率如图3所示,频率值为3522.7Hz,表现为夹具两侧的翻动。频率值较高,表明夹具还有优化设计的余地。
2.3 优化设计
由于该夹具整体的结构设计是满足夹具设计原则的,因此只需减小其重量。返回CAD软件修改夹具的三维模型,减小了夹具底部、侧面和加强筋的厚度尺寸,原夹具的重量为5.52kg,优化之后的重量为4.63kg,共减重了0.89kg,然后重新对夹具进行仿真分析,其一阶固有频率如图4所示,频率值降为3108.6Hz,已经基本满足设计要求。优化后的试验夹具在投入使用的一年中,共经历了30余次随即振动试验,效果良好。
3 结论
优质的振动夹具应保证能够准确地将振动台的能量传递到试验样机,且不会发生共振耦合,本论文提供了一种夹具设计的思路,首先要了解夹具设计的基本原则,包括材料和加工方式的选择、电装部分的设计等内容;其次使用CAD软件建立三维模型;然后利用有限元仿真分析软件(如ANSYS)进行模态仿真;最后才能生产使用。有限元分析软件的应用大大地简化了对固有频率的计算,是提高结构设计质量和效率的有效手段。
摘要：振动试验夹具用于连接振动台和试验产品,并能尽可能不失真的将振动台输出的能量传递给试验产品,在振动试验中发挥着非常重要的作用,试验的成功与否,试验结果的可信程度,与试验夹具的设计、制作及安装使用水平息息相关。不合理的夹具将导致“过振动”或“欠振动”,使振动条件失真,无法达到预期效果,严重的会对试验样件造成破坏。本文首先阐述了振动夹具的设计要点,然后以LRM模块为例设计其振动夹具,并使用ANSYS有限元仿真分析软件进行模态仿真,根据仿真结果对夹具进行优化处理,最后设计出优质的振动夹具。
关键词：振动,夹具,ANSYS
参考文献
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