СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ И ОБОБЩЕННОЙ МАССЫ ИСПЫТЫВАЕМОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2013 года по МПК G01M7/00 

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к резонансным испытаниям механических конструкций, обеспечивает экспериментальное определение характеристик собственных колебаний испытываемого объекта и может быть использовано в автостроении, машиностроении, ветроэнергетике и т.д.

Известный способ резонансных испытаний («Авиационная энциклопедия», НИ «БРЭ», ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского, Москва, 1994 г., стр.479-480) включает механическое возбуждение испытываемого объекта гармоническими силами с пошагово изменяемой частотой, измерение вибраций (перемещений, скоростей или ускорений), построение амплитудных и фазовых частотных характеристик или синфазных и квадратурных составляющих вибраций, определение резонансных частот и амплитуд, собственных форм колебаний, декрементов колебаний и обобщенных масс. Возбуждение колебаний осуществляют электординамическими вибростендами (ЭДВ) в одной или нескольких точках испытываемого объекта. В последнем случае используют силы возбуждения с фазовыми сдвигами 0 или 180° и различными амплитудами и единой частотой. Измерения проводят при неизменных амплитудах сил возбуждения. Все данные признаки присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.

Недостатком принятого в качестве прототипа известного способа резонансных испытаний является то, что определяемые известным способом резонансные частоты и обобщенные массы не являются собственными частотами и обобщенными массами испытываемого объекта, а являются соответствующими характеристиками системы, состоящей из испытываемого объекта, совокупности подвижных частей вибраторов и устройств, соединяющих объект испытаний с подвижными частями вибраторов, что особенно существенно для объектов малой массы.

Предлагаемым изобретением решается задача экспериментального определения частот и обобщенной массы собственно испытываемого объекта.

Для достижения названного технического результата предлагается способ экспериментального определения частот собственных колебаний и обобщенной массы испытываемого объекта, включающий последовательное двукратное механическое возбуждение испытываемого объекта гармоническими силами с пошагово изменяемой частотой, создаваемыми электродинамическими вибраторами, с разными массами подвижных частей при первом µ_1i и втором µ_2i возбуждениях, установленными в неизменных точках B_i (i=1,…n) испытываемого объекта, измерение вибраций (перемещений, скоростей или ускорений), построение амплитудных и фазовых частотных характеристик или синфазных и квадратурных составляющих вибраций; определение резонансных частот f_r1 и f_r2 и амплитуд вибраций u_r1(B_i) и u_r2(B_i) при первом и втором возбуждениях и вычисление для каждого тона колебаний собственных частот f_s и обобщенных масс m_s(В) испытываемого объекта, приведенных к выбранной точке возбуждения В, перемещение которой приняты за обобщенные координаты, как комбинации резонансных частот f_r1 и f_r2 и амплитуд u_r1(B_i) и u_r2(B_i) по формулам:

$$f_S=f_{r1}\cdot f_{r2}\sqrt{\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)-\Delta m_{r1}\left(B\right)}{f_{r2}^2\cdot \Delta m_{r2}\left(B\right)-f_{r1}^2\cdot \Delta m_{r1}\left(B\right)}}$$ ,

$$m_S\left(B\right)=\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)\cdot f_{r2}^2-\Delta m_{r1}\left(B\right)\cdot f_{r1}^2}{f_{r1}^2-f_{r2}^2}$$ ,

где

$$\Delta m_{rk}\left(B\right)=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\mu }_{ki}\cdot u_{rk}^2\left(B_i\right)}}{u_{rk}^2\left(B\right)}$$ ,

а масса подвижных частей µ_ki определяется как сумма масс подвижной части вибратора, других элементов, крепежа, грузов, связанных с подвижной частью данного вибратора и (или) установленных на испытываемом объекте в точке B_i.

Отличительным признаком предлагаемого способа является то, что возбуждение производят дважды с одних и тех же точек возбуждения B_i гармоническими силами с неизменными амплитудами сил электродинамическими вибраторами с разными массами µ_ki (k=1, 2) подвижных частей, при каждом возбуждении определяют резонансные частоты f_r1 и f_r2 и амплитуды резонансных колебаний u_r1(B_i) и u_r2(B_i) в точках возбуждения B_i, а собственные частоты f_s и обобщенные массы m_s(B) испытываемого объекта, приведенные к выбранной точке возбуждения В, перемещение которой приняты за обобщенные координаты, для каждого тона колебаний вычисляют как комбинации резонансных частот f_r1 и f_r2 и амплитуд u_r1(B_i) и u_r2(B_i) по формулам:

$$f_S=f_{r1}\cdot f_{r2}\sqrt{\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)-\Delta m_{r1}\left(B\right)}{f_{r2}^2\cdot \Delta m_{r2}\left(B\right)-f_{r1}^2\cdot \Delta m_{r1}\left(B\right)}}$$ ,

$$m_S\left(B\right)=\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)\cdot f_{r2}^2-\Delta m_{r1}\left(B\right)\cdot f_{r1}^2}{f_{r1}^2-f_{r2}^2}$$ , где

$$\Delta m_{rk}\left(B\right)=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\mu }_{ki}\cdot u_{rk}^2\left(B_i\right)}}{u_{rk}^2\left(B\right)}$$ ,

и масса подвижных частей µ_ki определяется как сумма масс подвижной части вибратора, других элементов, крепежа, грузов, связанных с подвижной частью данного вибратора и (или) установленных на испытываемом объекте в точке B_i.

Благодаря наличию указанного отличительного признака в совокупности с известными приобретается возможность экспериментального определения величин собственных частот и обобщенных масс непосредственно испытываемого объекта, свободных от ошибок, вносимых испытательным оборудованием.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих аналогичные признаки, не обнаружено.

Таким образом, можно сделать заключение о том, что предложенный способ неизвестен на уровне техники и, следовательно, соответствует критерию «патентоспособности».

Предложенное решение может найти применение везде, где требуется определение собственных частот колебаний и соответствующей им обобщенной массе, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «Промышленная применимость».

В качестве иллюстрации способа рассмотрим определение собственных частот и обобщенных масс двух первых тонов колебаний цельноповоротной трапециевидной пластины переменной толщины со свободными краями (фиг.1), закрепленной по оси вращения. Масса пластины М=10,8 кг. Возбуждение осуществлялось с точки В (фиг.1) электродинамическим вибраторами с массами подвижных частей µ₁=0,44 кг и µ₂=1,06 кг. Получены два первых тона колебаний с резонансными частотами f_r1 и f_r2, узловыми линиями I-I и II-II соответственно. По приведенным формулам для каждого тона колебаний рассчитаны обобщенные массы подвижных частей Δm_r1(B) и Δm_r2(В), собственные частоты f_s и обобщенные массы пластины m_s(B), приведенные к точке возбуждения В по формуле C_S=m_S(B)η_SS ², где η_SS - расстояния от точки возбуждения до соответствующей узловой линии, рассчитаны величины C_S, m_s(B) являются обобщенными массами пластины, при выборе в качестве обобщенных координат углов поворота пластины относительно узловых линий. Результаты приведены в таблице 1.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к резонансным испытаниям механических конструкций, и может быть использовано в машиностроении для определения характеристик собственных колебаний испытываемого объекта. Способ включает последовательное двукратное механическое возбуждение испытываемого объекта гармоническими силами с пошагово изменяемой частотой, создаваемыми электродинамическими вибраторами, с разными массами подвижных частей при первом и втором возбуждениях, установленными в неизменных точках испытываемого объекта, измерение вибраций (перемещений, скоростей или ускорений), построение амплитудных и фазовых частотных характеристик или синфазных и квадратурных составляющих вибраций. Технический результат заключается в повышении точности измерений при экспериментальном определении собственных частот и обобщенных масс колеблющихся конструкций испытываемого объекта. 1 ил.

Способ экспериментального определения частот собственных колебаний и обобщенной массы испытываемого объекта, включающий механическое возбуждение испытываемого объекта гармоническими силами с пошагово изменяемой частотой, измерение вибраций (перемещений, скоростей или ускорений), определение резонансных частот и амплитуд вибраций, отличающийся тем, что возбуждение производят дважды с одних и тех же точек возбуждения B_i гармоническими силами с неизменными амплитудами сил электродинамическими вибростендами с разными массами µ_ki (k=1, 2) подвижных частей, при каждом возбуждении определяются резонансные частоты f_r1 и f_r2 и амплитуды резонансных колебаний u_r1(B_i) и u_r2(B_i) в точках возбуждения B_i, а собственные частоты f_s и обобщенные массы m_s(B) испытываемого объекта, приведенные к выбранной точке возбуждения В, перемещение которой приняты за обобщенные координаты, для каждого тона колебаний вычисляют как комбинацию резонансных частот f_r1 и f_r2 и амплитуд u_r1(B_i) и u_r2(B_i) по формулам:
$$f_S=f_{r1}\cdot f_{r2}\sqrt{\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)-\Delta m_{r1}\left(B\right)}{f_{r2}^2\cdot \Delta m_{r2}\left(B\right)-f_{r1}^2\cdot \Delta m_{r1}\left(B\right)}},$$
$$m_S\left(B\right)=\frac{\Delta m_{r2}\left(B\right)\cdot f_{r2}^2-\Delta m_{r1}\left(B\right)\cdot f_{r1}^2}{f_{r1}^2-f_{r2}^2},$$
где
$$\Delta m_{rk}\left(B\right)=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n{\mu }_{ki}\cdot u_{rk}^2\left(B_i\right)}}{u_{rk}^2\left(B\right)},$$
и масса подвижных частей µ_ki определяется как сумма масс подвижной части вибратора, других элементов, крепежа, грузов, связанных с подвижной частью данного вибратора и (или) установленных на испытываемом объекте в точке B_i.