斜拉索參激振動演示實驗裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于教學及科研演示和實驗儀器，涉及非線性振動力學參激振動現象演示儀器和實驗儀器，尤其涉及一種斜拉索參激振動演示儀和實驗裝置。
【背景技術】
[0002]參激振動亦稱為參數振動(parametrically excited vibrat1n)是除自由振動、受迫振動和自激振動以外的又一種振動形式。參數振動由外界的激勵產生，但激勵不是以外力形式施加于系統，而是通過振動系統內固有參數質量、剛度、阻尼的周期性改變間接地實現。這樣導致系統的動力學方程為非線性方程。因此，參激振動與自激振動一樣也屬于非線性振動。關于非線性振動理論與線性振動理論相比有本質的區別，對于大多數工程技術人員和青年學生極少有非線性振動的感性認識。在實際的工作中斜拉索參激振動現象的概念比較抽象，難于理解，使人往往造成概念模糊不清。目前學生學習非線性振動課程時只停留學會一些研宄方法，沒有任何實驗裝置可供學生實習，不利于教學以及科研的開展。當前尚未有合適、直觀的斜拉索參激振動現象演示的教學儀器，影響教學質量，延宕科研實踐。為了滿足教學、科研的需要，研制斜拉索參激振動演示儀很有必要。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種斜拉索參激振動演示實驗裝置。將斜拉索參激振動現象用簡單的機械和動力系統演示出來，克服斜拉索參激振動現象比較抽象、難于理解、往往使人造成概念模糊等問題，給人直觀的感性認識、便于對斜拉索參激振動概念的理解，利于教學和科研。
[0004]本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的:
[0005]斜拉索參激振動演示實驗裝置，包括底臺、斜拉索、固定支撐架、測力傳感器和激振器，其中:
[0006]所述固定支撐架包括橫梁、立柱、翼梁、三角支架和定滑輪，橫梁和翼梁固定在底臺上且兩者在底臺水平面內相互垂直，以使所述固定支撐架穩定固定在底臺上，在斜拉索振動的情況下整個固定支撐架穩定在底臺上，且不與底臺發生脫離；橫梁的頂端伸出底臺，且在伸出底臺的橫梁上等間距的設置有通孔，優選圓形通孔；所述立柱設置在橫梁和翼梁的垂直交匯處，且與底臺水平面垂直，優選加固支架設置在立柱、橫梁和翼梁的連接處，三角支架設置在立柱的中下部，定滑輪設置在立柱的中上部；
[0007]所述測力傳感器固定設置在固定支撐架的三角支架上；斜拉索的一端穿過定滑輪后與測力傳感器的測力接頭相連，斜拉索的另一端穿過橫梁的通孔后，與卡頭相連，所述卡頭與橫梁相接觸，以使整條斜拉索繃緊；激振器設置在底臺上，且其位于伸出底臺的橫梁的下方，激振器動作端與橫梁相接觸；
[0008]在所述斜拉索上設置第一加速度傳感器，所述第一加速度傳感器與信號分析儀器相連，以測試拉索的面內振動；在沿通孔至定滑輪方向上，所述第一加速度傳感器設置在斜拉索長度的三分之一到四分之一之間的位置，優選四分之一的位置。
[0009]在上述技術方案中，所述測力傳感器的信號輸出接口與測力儀相連，通過測力儀測量斜拉索的拉力。
[0010]在上述技術方案中，所述定滑輪采用V形定滑輪，可以防止斜拉索的側滑導致的剛體運動。
[0011]在上述技術方案中，所述橫梁伸出底臺側面300-400毫米，方便激振位置的布置；所述伸出底臺的橫梁上的圓形通孔直徑為4-6mm ;所述伸出底臺的橫梁上的圓形通孔的數量為5-8個，通過斜拉索穿過不同的圓形通孔并配合卡頭將其卡緊，可以調整斜拉索的斜度和長度，從而改變斜拉索的固有頻率。
[0012]在上述技術方案中，所述激振器為電動式激振器，激振器位于伸出底臺的橫梁的下面，電動式激振器動作端在工作時會上下運動并激振橫梁的底面，通過對橫梁底面的激勵，使橫梁伸出端做梁的彎曲振動，激振器動作端位于斜拉索穿過的通孔的外側，兩者的水平距離為30— 50毫米。
[0013]在上述技術方案中，所述斜拉索的一端與測力傳感器的測力接頭采用螺母和墊圈進行固定連接，在螺母上鏨出一個接近環形的溝槽使斜拉索通過，然后依靠螺母的螺紋力和墊圈來夾緊斜拉索。
[0014]在上述技術方案中，所述卡頭設置在伸出底臺的橫梁2的下表面，卡頭用于卡緊斜拉索，卡頭和橫梁的下表面之間依靠斜拉索的拉力緊貼在一起，這樣通過在卡頭和橫梁的下表面之間添加墊片來增加斜拉索的張緊力，從而改變斜拉索的固有頻率。
[0015]在上述技術方案中，所述第一加速度傳感器通過鋁片粘結在斜拉索上，即先將輕質鋁片粘結在斜拉索上，再將第一加速度傳感器粘結在鋁片上。
[0016]在上述技術方案中，在斜拉索穿過的通孔處設置有第二加速度傳感器(圖中未標出)，第二加速度傳感器與信號分析儀器相連，以測試斜拉索端點(即斜拉索穿過的圓形通孔處)的振動。
[0017]在上述技術方案中，在所述斜拉索上設置第三加速度傳感器，所述第三加速度傳感器與信號分析儀器相連，以測試拉索的面內振動；在沿通孔至定滑輪方向上，所述第三加速度傳感器設置在斜拉索長度的三分之二到四分之三之間的位置，優選在四分之三的位置，采用第一加速度傳感器的方式將第三加速度傳感器與斜拉索進行設置；這樣一來在進行測試時，即可通過第一和第三兩個加速度傳感器采集斜拉索的有關振動信號。
[0018]利用上述本發明的技術方案分別實現如下運行方式，即不同的使用方法:
[0019]演示參激振動現象:首先由DASP軟件計算斜拉索的一階固有頻率W1和二階固有頻率w2，然后激振器的頻率范圍內逐漸改變激振頻率，同時第一加速度傳感器測試斜拉索的面內振動(即斜拉索的振動情況)，第二加速度傳感器測試斜拉索端點的振動，所述斜拉索端點為穿過橫梁通孔處的斜拉索；在進行加速傳感器設置時，可根據需要設置第三加速度傳感器，并進行斜拉索振動信號的采集；
[0020]在測試過程中，改變激振器的振動幅值，可獲得穩定頻率下，不同振動幅值產生的斜拉索振動的位移響應變化；改變斜拉索穿過通孔位置來改變斜拉索的斜度和長度，從而改變斜拉索的固有頻率，再根據改變后的斜拉索的固有頻率，逐漸改變激振頻率，以獲得不同固有頻率下的斜拉索振動變化；通過在卡頭和橫梁的下表面之間添加墊片來增加斜拉索的張緊力，從而改變斜拉索的固有頻率，再根據改變后的斜拉索的固有頻率，逐漸改變激振頻率，以獲得不同固有頻率下的斜拉索振動變化；將測力傳感器的信號輸出接口與測力儀相連，以獲得在不同測試條件下，斜拉索的拉力的變化。本發明通過簡單的機械結構和簡單的動力系統，將抽象的參激振動理論直觀的演示出來，克服參激振動理論比較抽象、概念難于理解、使人造成概念模糊的問題。由于參激振動演示儀給人以直觀的感性認識，加強了對參激振動概念的理解，有利于教學和科學研宄，填補了該項教學儀器的空白，既有經濟效益又有社會效益。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明的整體結構示意圖；
[0022]圖2是本發明中的固定支撐架和測力傳感器的結構示意圖；
[0023]圖3是圖2中V處的局部發大圖；
[0024]圖4是本發明中伸出底臺的橫梁部分的俯視圖。
[0025]上述圖1一4中I為激振器，1-1為激振器動作端，2為橫梁，2-1為通孔，3為斜拉索，4為定滑輪，5為立柱，6為測力傳感器，6-1為信號輸出接口，6-2為測力接頭，7為三角支架，8為加固支架，9為翼梁，10為底臺，11為卡頭，12為第一加速度傳感器。
[0026]圖5是索的一階振型振動形態示意圖，其中虛線所示的位置為相對平衡位置，實線為索的振動形態。
[0027]圖6是索的二階振型振動形態示意圖，其中虛線所示的位置為相對平衡位置，實線為索的振動形態。
[0028]圖7是選擇激勵頻率53.4Hz時，斜拉索在10至13秒的時間歷程和振動頻譜示意圖。
[0029]圖8是選擇激勵頻率53.4Hz時，斜拉索在15至18秒的時間歷程和振動頻譜示意圖。
[0030]圖9是選擇激勵頻率53.4Hz時，斜拉索在46至48秒的時間歷程和振動頻譜示意圖。
[0031]圖10是選擇激勵頻率為53.4Hz時，斜拉索在102至104秒的時間歷程和振動頻譜示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
[0033]參見附圖1一4，本發明的斜拉索參激振動演示實驗裝置，包括底臺、斜拉索、固定支撐架、測力傳感器和激振器，其中:
[0034]所述固定支撐架包括橫梁、立柱、翼梁、三角支架和定滑輪，橫梁和翼梁固定在底臺上且兩者在底臺水平面內相互垂直，以使所述固定支撐架穩定固定在底臺上，在斜拉索振動的情況下整個固定支撐架穩定在底臺上，且不與底臺發生脫離；橫梁的頂端伸出底臺，且在伸出底臺的橫梁上等間距的設置有通孔，優選圓形通孔；所述立柱設置在橫梁和翼梁的垂直交匯處，且與底臺水平面垂直，優選加固支架設置在立柱、橫梁和翼梁的連接處，三角支架設置在立柱的中下部，定滑輪設置在立柱的中上部；
[0035]所述測力傳感器固定設置在固定支撐架的三角支架上；斜拉索的一端穿過定滑輪后與測力傳感器的測力接頭相連，斜拉索的另一端穿過橫梁的通孔后，與卡頭相連，所述卡頭與橫梁相接觸，以使整條斜拉索繃緊；激振器設置在底臺上，且其位于伸出底臺的橫梁的下方，激振器動作端與橫梁相接觸；
[0036]在所述斜拉索上設置第一加速度傳感器，所述第一加速度傳感器與信號分析儀器相連，以