基于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅低频加速度传感器

由于粘贴于等强度悬臂梁的光纤Bragg光栅受振动质量块驱动而产生应变,一种光纤Bragg光栅低频加速度传感器被研制和定义为基座运动引起的单自由度系统的受迫振动模型。模型计算表明该加速度传感器的固有频率fn为16.96 Hz.固定于激振器的光栅加速度传感器受正弦激励。加入硅油后,光栅加速度传感器的频响范围从原来的3-11Hz增大为3-22 Hz.试验结果表明：当激励振动频率接近系统固有振动频率时,阻尼系统决定了传感器的工作范围。然而,由于悬臂梁的粗端固定在基座上,传感器的频响受限于悬臂梁的固有频率。

光纤光栅位移传感器的开发及应用

针对全光纤结构健康监测系统中对位移监测的需求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅(FBG)位移传感器,它具有结构简单、测量精度高、温度自补偿等优点。通过对传感器进行标定试验,结果显示其线性相关系数可以达到0.999以上,传感器的测量精度为0.326%FS。该传感器在桥梁支座监测中的成功应用表明其可靠性高、对结构自身影响小,可直接测量支座位移,适合于长期工程结构监测。

考虑集中质量的旋转悬臂梁的动力学建模与频率分析

对考虑集中质量的旋转悬臂梁的刚柔耦合动力学建模和频率特性进行了研究。在精确描述柔性梁非线性变形基础上,利用Lagrange方程和假设模态法,在计入柔性梁由于横向变形而引起的轴向变形的二阶耦合量的条件下,推导出考虑"动力刚化"项的动力学方程。利用狄拉克δ函数,将任意位置的集中质量纳入梁的横向振动动力学方程,避免增加系统自由度。引入无量纲变量,对横向振动动力学方程做无量纲化处理,通过数值计算分析集中质量对柔性梁横向弯曲振动固有频率的影响。研究发现,随着集中质量比率的增大,第1阶固有频率轨迹线在下降;悬臂梁横向弯曲振动的固有频率并非随集中质量位置比率单调变化。

TMD等强度悬臂梁实际应用时的频率精确分析

为了确定实际应用中调谐质量阻尼器(TMD)刚度单元的梯形悬臂梁参数,建立了梯形悬臂梁频率的精确计算公式,计算了梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁频率的误差,利用梯形悬臂梁频率计算公式确定了TMD等强度悬臂梁的设计步骤与程序,给出了工程示例,并使用仿真软件ANSYS进行了验证。结果表明:悬臂梁自由端的宽度小于固定端宽度的12.65%时,梯形等强度悬臂梁与三角形等强度悬臂梁的频率相对误差小于5%;所用程序可以用于确定满足频率精度要求的TMD等强度悬臂梁的参数,对工程实际有较大指导意义。

端部质量对有无损伤悬臂梁的模态影响分析

工程实际中许多结构可简化为端部带有集中质量的悬臂梁,笔者通过数值模拟软件建立了端部带有集中质量的悬臂梁有限元模型,并进行了模态分析.研究了端部集中质量的改变对悬臂梁固有频率的影响,同时建立带有I型裂纹的悬臂梁(端部带有集中质量与不带有集中质量两种)模型,改变裂纹的位置和深度,研究了裂纹深度和裂纹位置对悬臂梁的频率变化规律.通过对比发现,裂纹越靠近端部对梁的频率影响越小,集中质量对带有裂纹悬臂梁固有频率有一定的影响.

基于等强度悬臂梁的光纤传感器设计研究

根据光纤Bragg光栅和等强度悬臂梁的结构原理,推演了传感器设计的理论依据,并依据此原理设计了光纤光栅传感器,在实验室环境进行了测试,利用matlab进行数据处理,结果表明,该传感器可以应用于工程实践。

均质简支梁简化为单自由度系统条件研究

简支梁是土木工程中的常见结构形式,工程计算中常将其简化为单自由度系统进行初步分析和计算.本文系统地讨论了简谐荷载作用下将简支梁简化为单自由度系统进行竖向位移计算的限定条件.对限定条件分析发现将梁上质量的一半集中到梁跨中处所得近似结果精度最好.给出公式可以通过单自由度系统的位移得到梁上任意点处的竖向位移.本文对结构力学教材中的集中质量法进行了进一步的分析和讨论,给出的近似计算公式对土木工程中简支梁在简谐力作用下竖向位移的快速估算具有一定的参考价值.

基于多尺度方法的带颗粒阻尼悬臂梁自由振动半解析分析

被动式颗粒阻尼器原理简单、性能优越,广泛应用于结构减震领域。极端环境容易激起结构的高频振动,颗粒阻尼的非线性特性使得多模态振动的减振特性相互耦合。采用模态综合法分析自由端带集中质量块的悬臂梁、离散单元法模拟颗粒阻尼器中颗粒集的运动,基于多尺度分析的球-墙耦合模型建立了揭示结构多模态振动条件下颗粒阻尼减振机理的半解析分析模型。分析表明,颗粒阻尼器具有良好的减震效果,减振性能受结构振动模态影响很大。与单一模态振动减振性能相比,多阶模态振动同时存在时,低阶模态幅值的衰减出现了滞后,而高阶模态幅值的衰减则明显加快。因此,采用单一模态获得的等效阻尼比不足以表征复杂振动条件下颗粒阻尼器的减振性能。

光纤光栅在等强度悬臂梁均匀应变区的转换与有限元分析

等强度悬臂梁作为力学传感器的关键转换元件,不同尺寸和材料的悬臂梁,其自由端的挠度和作用力的量程及光纤光栅的最大微应变也不同。采用光学测量中的基本元件光纤光栅及等强度悬臂梁为模型基础,设计模型平面节点坐标有六个,平面节点坐标可以改变等强度悬臂梁的尺寸,模型厚度依次设置为0.005m、0.010m、0.015m、0.020m、0.030m。对初始尺寸,厚度为0.005m,材料选择为碳素钢的悬臂梁的仿真,结果表明,光纤光栅工作在均匀应变区时,其自由端挠度的量程为0~2.767×10-2 m,作用力的量程为0~437N,光纤光栅的最大微应变为171με。

非线性系统带集中质量悬臂梁易损件跌落冲击特性

以三次非线性缓冲包装系统为研究对象,建立系统跌落冲击动力学方程;综合龙格-库塔和有限元法设计动力学方程的求解算法;探讨了集中质量和主体振动频率对易损件响应的影响。数值分析表明:系统跌落冲击过程,易损件最大位移和加速度响应均位于悬臂梁自由端,易损件与主体连接部内应力最大;易损件相对主体质量较小时,系统耦合作用对易损件响应影响不明显;随集中质量增加或主体振动频率向易损件第一阶固有频率接近时,易损件内应力响应、自由端相对位移响应幅值显著增大。在含弹性易损件产品系统包装设计中,连接部的内应力和易损件相对位移是关注的重要参数。研究结论可为带集中质量悬臂梁产品缓冲包装设计提供理论依据。

中低频集中质量悬臂式簧片仪基频分析方法研究

簧片仪是一种中低频冲击响应谱测量装置,设计时可将其简化为端部附带集中质量的悬臂梁。簧片仪的振型方程中存在超越函数,对于等截面簧片仪来说,可使用二分法等数值方法求解,计算量较大,该方法不适用于复杂截面簧片仪基频设计。首先利用悬臂梁自由端受集中力的挠度公式,推导出其等效刚度等效单自由度的弹簧振子系统,利用弹簧振子相关频率公式解决求解集中质量等截面悬臂梁的基频问题,该方法与振型方程求解的基频对比,发现在10 Hz以下的中低频区域,可以很好的保证等截面悬臂梁的基频精度,大于10 Hz的中频段,误差随频率的升高而迅速增大。接下来,通过Mohr积分的方法,推导出等强度集中质量悬臂梁自由端的最大挠度,并给出其基频的设计公式,该方法与试验进行对比,发现误差与等截面悬臂梁有相同趋势,因此利用瑞利能量法修正设计公式中的质量参数,修正后与实验误差在5%左右。经理论与试验验证,所提出的簧片仪设计方法简单可行、计算结果可信。

基于双等强度悬臂梁的光纤光栅加速度振动传感器

研制了一种基于双等强度悬臂梁式光纤布拉格光栅(FBG)振动传感器。首先采用ANSYS软件对传感器进行数值计算与仿真,得到在各个阻尼比下传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线,不断变化传感器结构参数,寻找最优谐振频率与加速度灵敏度,从而得到传感器最优结构参数;根据仿真所得的最优结构参数,进行传感器加工;利用所加工的振动传感器进行振动台试验研究并对所得实验数据进行处理,将处理后的数据与ANSYS软件仿真得到的数据进行比较,结果表明,振动平台所测得的实验结果与ANSYS软件仿真结果相吻合,传感器的谐振频率为80.74Hz,可实现50Hz以下低频振动信号的实时监测,在5～50Hz之间的加速度灵敏度约为20.85pm/m.s-2。

集中荷载作用下双层弹性悬臂梁动力学分析

通过研究动集中载荷对双层弹性悬臂梁的动力学影响,旨在探讨悬臂式电磁发射装置的轨道及壁板的受力及振动规律。采用双层弹性基础梁理论,对悬臂式双层弹性基础梁在动集中载荷作用下的受力和振动情况进行了分析,将电磁发射装置的轨道及壁板简化为双层弹性悬臂梁力学模型,采用Dirac函数表示运动状态下电枢作用在轨道上的集中力,得出了内梁和外梁的动力学微分方程,应用模态函数正交性,求得了内外梁弯矩和应力的解析解。通过算例,分析了内梁和外梁的动力响应,并在相同条件下应用ANSYS进行了数值模拟,最后将解析解与数值解进行了比较,解析解的可靠性得到验证。将电磁发射装置简化为双层弹性悬臂梁要比单层弹性悬臂梁更加接近实际工况。研究成果有助于电磁发射装置的理论研究,可供相关工程设计参考。

光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的标定与不确定度分析

研制了一种等强度悬臂梁结构的光纤Bragg光栅称重传感器。为了确定其称量结果的可靠性,通过分析载荷信息传递过程与光栅敏感元件的感知原理,推演传感器设计的理论依据,设计了采用标准质量块进行标定的静态载荷实验装置,通过MATLAB实现静态传感数据分析,并分析标定过程中存在的不确定因素进而确定了传感器的不确定度指标。实验表明:所研制的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器的灵敏度为0.0069 nm/N,非线性误差为4.93%,重复性误差为2.59%,迟滞误差为3.21%FS,称重传感器的测量不确定度为0.409 N。设计的光纤Bragg光栅等强度悬臂梁型称重传感器静态特性良好,在它量程范围内测量不确定度对结果的影响较小,满足性能要求,标定方法有效提高了标定效率和精度,为其他类型传感器综合性能定量分析提供了思路与工程实践。