CN110930832B - 一种自由振动实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种自由振动实验装置，涉及振动实验设备技术领域。所述实验装置包括支架、振动杆、质量块以及电磁定位和释放装置；振动杆为与支架可拆卸连接的至少一个，质量块为与振动杆可拆卸连接的至少一个，电磁定位和释放装置为与质量块匹配设置的至少一组。本发明公开的一种自由振动实验装置，通过调整振动杆与质量块的数量或形状，即可完成多种不同的结构动力学自由振动教学演示实验，以增加学生对自由振动的感性认识；同时，电磁定位和释放装置的设置，利用电磁铁通电后产生吸引力，断电后吸引力同时消失的特性，精确设定各质量块偏移平衡位置的初始位移，同时保证各质量块自偏移位置同时释放，提高实验结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及振动实验设备技术领域，具体涉及一种结构动力学自由振动实验装置。
背景技术
大学结构动力学目前的教学方法以课堂理论讲解为主，缺少相关的教学实验。在进行自由振动教学时，学生对自由振动涉及的一些基本概念如：自由度、主振型、振型叠加、平动和扭转振动、弯曲形和剪切形振动、阻尼、阻尼比等，缺乏感性认识，以致学生对自由振动的知识掌握不好。造成这种弊端的原因之一是：市场上缺少用于自由振动教学和研究的实验设备。
因此，鉴于以上问题，有必要提出一种用于教学研究的自由振动实验装置，以完善教学设备，帮助学生更好理解自由振动的相关理论知识。
发明内容
根据本发明的目的提出的一种自由振动实验装置，包括支架、振动杆、质量块以及电磁定位和释放装置。
所述振动杆为可拆卸固定连接于支架上、竖直向下悬垂的至少一个；所述质量块沿振动杆延伸方向布置、与振动杆可拆卸连接、为可移动固定连接于振动杆上的至少一个；所述质量块由铁磁性材料制作而成。
所述电磁定位和释放装置为与质量块匹配设置的至少一组，所述电磁定位和释放装置包括控制系统、可移动固定连接于支架上的底座以及设置于底座上的电磁铁；所述控制系统包括控制开关以及用于为电磁铁供电的直流电源，所述电磁铁与控制开关串联；闭合控制开关，电磁铁通电产生吸引力，吸引质量块偏离平衡位置；断开控制开关，电磁铁失去吸引力，释放质量块。
优选的，所述支架包括两侧立柱、上横梁、下横梁，于立面上形成门形；所述支架在下横梁两端垂直于门形立面的方向上设置有纵梁，所述纵梁与其对应的立柱之间设置有斜撑。
优选的，所述支架上横梁下表面设置有若干夹具，所述振动杆通过夹具与支架可拆卸固定连接；所述夹具包括定块和动块，所述定块固定连接于上横梁上，所述动块与定块匹配设置，并与定块可拆卸固定连接，连接处形成竖直向下延伸的夹持面。
优选的，所述质量块为质量球或质量板或质量杆。
优选的，所述质量球由两个半球可拆卸固定连接组成，两个半球相对面形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆的夹持面。
优选的，所述质量板包括中间板以及可拆卸固定连接于中间板两端的两个夹板，夹板与中间板之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆的夹持面；穿过质量板的振动杆为对称设置、与质量板上夹持面数量相匹配的两个。
优选的，所述质量杆包括中部杆以及可拆卸固定连接于中部杆两端的实心球；所述中部杆中部成型有U型槽，所述U型槽内设置有与U型槽相匹配、可拆卸固定连接的嵌块，所述嵌块与U形槽底面之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆的夹持面。
优选的，所述夹持面中相对两个面的中心处均对称设置有竖向凹槽，所述凹槽的截面为直角三角形。
优选的，所述支架由铁磁性材料制作而成，所述底座为由永磁铁制作而成的磁座，所述磁座与支架吸附固定。
优选的，所述电磁定位和释放装置还包括定杆和动杆，所述定杆一端与磁座可拆卸固定连接，另一端与动杆可拆卸固定连接；所述动杆为中空圆柱形杆，其两端分别设置有带中心圆孔的前端盖和封闭的后端盖，所述动杆中空腔内设置有用于复位电磁铁的弹簧，所述弹簧一端与后端盖固定连接，另一端固定连接一触杆，所述触杆伸出前端盖上的圆孔与电磁铁可拆卸固定连接；所述触杆由直径不同的两段圆柱体组成，其与电磁铁连接的一端直径与圆孔直径一致，与弹簧连接的一端直径与动杆中空腔直径一致；所述动杆上设置有刻度标识。
与现有技术相比，本发明公开的自由振动实验装置的优点是：
(1)本发明中振动杆与支架可拆卸连接，质量块与振动杆可移动、拆卸连接，通过调整振动杆与质量块的数量或形状，可以完成包括单自由度和多自由度的弯曲形平动振动、剪切形平动振动、扭转振动在内的不同的结构动力学自由振动教学演示，以增加学生对自由振动的感性认识。同时可进行主振型的激发条件和主振型演示，振型叠加，自由振动的衰减和阻尼比测定等实验项目的研究。
(2)本发明中设置有电磁定位和释放装置，利用电磁铁通电后的吸引力使各质量块偏移平衡位置，精确设定各质量块偏移平衡位置的初始位移。同时将各电磁铁组成串联电路，断电后各电磁铁吸引力同时消失，可以做到各质量块自偏移位置同时释放。
(3)本发明设备简单、结构耐用，采用低压直流电源供电，使用安全，便于推广普及应用。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为支架主视图。
图2为支架左视图。
图3为支架俯视图。
图4为夹具结构图。
图5为电磁定位和释放装置结构图。
图6为动杆透视图。
图7为电磁定位和释放装置电路原理图。
图8为实施例1主视图。
图9为实施例1俯向剖视图。
图10为实施例1中质量球结构图。
图11为实施例2主视图。
图12为实施例2俯向剖视图。
图13为实施例2中质量板结构图。
图14为实施例1、2中带“一”字型定杆的电磁定位和释放装置俯视图。
图15为实施例3主视图。
图16为实施例3俯向剖视图。
图17为实施例3中质量杆结构图。
图18为实施例3中带“L”型定杆的电磁定位和释放装置俯视图。
图中的数字或字母所代表的零部件名称为：
1-支架；11-夹具；111-定块；112-动块；12-上横梁；13-下横梁；14-立柱；15-纵梁；16-斜撑；2-振动杆；3-电磁定位和释放装置；31-控制系统；311-控制开关；312-直流电源；32-导线；33-底座；34-电磁铁；35-定杆；351-“一”字型定杆；352-“L”型定杆；36-动杆；361-前端盖；362-后端盖；363-弹簧；364-触杆；37-锁定装置；4-质量球；41-半球；5-质量板；51-中间板；52-夹板；6-质量杆；61-中部杆；611-螺纹杆；612-U型槽；613-嵌块；62-实心球；621-螺纹孔；7-螺钉；8-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
图1-图18示出了本发明较佳的实施例，分别从不同的角度对其结构进行了详细的剖析。
一种自由振动实验装置，包括支架1、振动杆2、质量块以及电磁定位和释放装置3。
如图1、2、3所示，支架1包括两侧立柱14、上横梁12以及下横梁13，其于立面上形成门形。支架1在下横梁13两端垂直于门形立面的方向上设置有纵梁15，纵梁15与其对应的立柱14之间设置有斜撑16。为了增加支架1的稳定性，当采用钢管等空心材料制作支架1时，可以在钢管空腔内灌注铁砂、黄砂或混凝土等材料。支架1上横梁12下表面设置有若干夹具11，振动杆2通过夹具11与支架1可拆卸固定连接。
如图4所示，夹具11包括定块111和动块112，定块111固定连接于上横梁12上，动块112与定块111匹配设置，并与定块111通过螺钉7连接，连接处形成竖直向下延伸的夹持面。具体的，定块111与动块112相对面的中心位置对称设置有竖向凹槽8，凹槽8截面为等腰直角三角形。当振动杆2为方形振动杆时，依靠夹持面即可固定；当振动杆2为圆形振动杆时，可通过竖向凹槽8防止振动杆2偏斜。两个凹槽8所组成的矩形通孔的内切圆直径小于圆形振动杆2的外径，以保证夹持的有效性。
振动杆2为可拆卸固定连接于支架1上、竖直向下悬垂的至少一个。振动杆2可以由具有一定刚度的金属、塑料、竹木等材料制作而成，在质量块偏移平衡位置时可产生一定的形变。振动杆2断面形状可以为圆形、方形、矩形或其它形状，实验时，根据需要将振动杆2夹持在夹具内。
质量块沿振动杆2延伸方向布置、与振动杆2可拆卸连接、为可移动固定连接于振动杆2上的至少一个。质量块由铁磁性材料制作而成，根据不同实验需求，可以为质量球4、质量板5或质量杆6。调整振动杆2与质量块的数量或类型，可以完成不同的振动实验。
如图5所示，电磁定位和释放装置3为与质量块匹配设置的至少一组，用于设定质量块的初始位移以及同步释放质量块。电磁定位和释放装置3包括控制系统31、可移动固定连接于支架1上的底座33以及通过定杆35和动杆36设置于底座33上的电磁铁34。
如图7所示，控制系统31包括控制开关311以及用于为电磁铁34供电的直流电源312，电磁铁34与控制开关311串联。闭合控制开关311，电磁铁34通电产生吸引力，吸引质量块偏离平衡位置；断开控制开关311，电磁铁34失去吸引力，释放质量块。
底座33为由永磁铁制作而成的磁座，支架1由铁磁性材料制作而成，磁座与支架1上立柱14吸附固定。具体的，磁座包括两块永磁铁和一个设置于磁座外的开关。当开关闭合时，转动两块永磁铁，使磁路与外界连通，磁座可吸附于立柱上。当开关断开时，转动两块永磁铁，使磁路在磁座内部闭合，磁座对外吸附力消失，磁座可从铁磁物体上轻松拿掉，根据质量块的位置上下移动调整。磁座开关再次闭合时，又可快速吸附于立柱14上。
定杆35一端与磁座可拆卸固定连接，另一端与动杆36可拆卸固定连接。定杆35分为“一”字型定杆和“L”型定杆，可根据不同实验要求选择不同形状的定杆35。动杆36与定杆35通过锁定装置37实现可拆卸固定连接，使得动杆36可相对于定杆35前后移动、固定，便于根据实验所需初始位移，调整电磁铁34的位置。其中，锁定装置37为现有技术，其结构原理，在此不做赘述。
如图6所示，动杆36为中空圆柱形杆，其上设置有刻度标识，可根据实验要求记录质量块的初始位移。动杆36的两端分别设置有带中心圆孔的前端盖361和封闭的后端盖362，动杆36中空腔内设置有用于复位电磁铁34的弹簧363，弹簧363一端与后端盖362固定连接，另一端固定连接一触杆364，触杆364伸出前端盖364上的圆孔与电磁铁34可拆卸固定连接。弹簧363的设置，保证了电磁铁34不影响质量块的自由振动。电磁铁34自偏移位置释放质量块后，在弹簧363的弹力作用下立即自动后撤，离开质量块自由振动的范围。
触杆364由直径不同的两段圆柱体组成，其与电磁铁34连接的一端直径与圆孔直径一致，与弹簧363连接的一端直径与动杆36中空腔直径一致。触杆364和弹簧363通过可拆卸的后端盖362安装在动杆36内，当电磁铁34通电时产生吸引力与质量块相吸，电磁铁34带动触杆364向动杆36前端滑动，直至触杆364的后端触碰到动杆36的前端盖361后锁定，此时弹簧363被拉长；当电磁铁34断电后失去吸引力，释放质量块，在弹簧363的拉力作用下，触杆364连同电磁铁34被向后牵引，直至电磁铁34外壳触碰到动杆36的前端盖361后锁定，从而实现了电磁铁34断电后立即自动回缩的功能。
使用上述实验装置进行自由振动实验方法：
1.根据实验要求将振动杆2和质量块安装好，并调整质量块位置。
2.利用磁座、动杆36、定杆35的调整，将电磁铁34移动至与质量块对应的位置。
3.接通控制开关311，电磁铁34通电，产生吸引力，将质量块牵引至设定的偏移位置。
4.断开控制开关311，电磁铁31断电失去吸引力，释放质量块，电磁铁34在弹簧363的拉力作用下复位。
5.观察振动现象，测量振幅、频率等物理量，也可利用固定在质量块上的加速度传感器自动采集加速度等数据，再通过数值积分可以得到速度位移等振动物理量。
质量块初始位移确定方法：
首先，电磁铁34断电，向质量块方向移动动杆36，使得电磁铁34前端轻触质量块，以固定在定杆35上的动杆36锁定装置37为基准读取动杆36上的刻度；然后，松开动杆36锁定装置37，反向移动动杆36，记下此时动杆36上的刻度，则动杆36移动量等于两次刻度读数的差值；最后，电磁铁34通电，移动质量块至电磁铁34附近，电磁铁34吸引质量块，并在质量块的牵引下前伸至触杆364的后端触碰到动杆36的前端盖361后锁定，此时，质量块的偏移量等于动杆36移动量减去触杆364自动杆36内的前伸长度，该前伸长度为定值。
实施例1
如图8、9、10、14所示，利用上述实验装置模拟弯曲形平动振动模式。
振动杆2为通过夹具11固定安装于上横梁12下的一个。
质量块为沿振动杆2延伸方向上下布置、与振动杆2可拆卸连接、可移动固定连接于振动杆2上的两个质量球4。每一质量球4由两个半球41组成，两个半球41螺钉7连接，两个半球41相对面形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆2的夹持面。两个半球41相对面的中心处均设置有竖向凹槽8，竖向凹槽8的截面为等腰直角三角形，便于夹持圆形振动杆2。调节螺钉7的松紧状态可实现质量球4的移动和定位，以满足不同实验要求。
电磁定位和释放装置3为与质量球4匹配设置的两组，两组电磁定位和释放装置3上下布置，根据实验要求安装于支架1的两侧立柱14或同侧立柱14上，其位置与质量球4设置位置相匹配，其中，定杆35选用“一”字型定杆。
接通控制开关311，电磁铁34通电，产生吸引力，上下两个质量球4在其对应的电磁铁34的吸引下移动至设定的偏移位置；断开控制开关311，电磁铁34断电失去吸引力，上下两个电磁铁34同时释放相应质量球4，即可模拟弯曲形平动振动。
实施例2
如图11、12、13、14所示，利用上述实验装置模拟剪切形水平振动模式。
振动杆2为通过夹具11固定安装于上横梁12下的两个，两个振动杆2平行设置。
质量块为沿振动杆2延伸方向上下布置的两个质量板5，每个质量板5包括中间板51以及可拆卸固定连接于中间板51两端的两个夹板52。中间板51与夹板52螺钉7连接，夹板52与中间板51之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆2的夹持面。中间板51与夹板52相对面的中心处均设置有竖向凹槽8，竖向凹槽8的截面为等腰直角三角形，便于夹持圆形振动杆。调节螺钉7的松紧状态可实现质量板5的移动和定位，以满足不同实验要求。中间板51的长度与上横梁12上固定连接两振动杆2的夹具11的夹持面之间的距离相等，以保证振动杆2平行。
电磁定位和释放装置3为与质量板5匹配设置的两组，两组电磁定位和释放装置3上下布置，根据实验要求安装于支架1的两侧立柱14或同侧立柱14上，其位置与质量板5设置位置相匹配，其中，定杆35选用“一”字型定杆。
接通控制开关311，电磁铁34通电，产生吸引力，上下两个质量板5在其对应的电磁铁34的吸引下移动至设定的偏移位置；断开控制开关311，电磁铁34断电失去吸引力，上下两个电磁铁34同时释放相应质量板5，即可模拟剪切形水平振动。
实施例3
如图15、16、17、18所示，利用上述实验装置模拟扭转振动模式。
振动杆2为通过夹具11固定安装于上横梁12下的一个。
质量块为沿振动杆2延伸方向上下布置的两个质量杆6，每一质量杆6包括中部杆61以及固定连接于中部杆61两端的实心球62。中部杆61两端分别成型有螺纹杆611，实心球62上设置有与螺纹杆611相配合的螺纹孔621，螺纹杆611与螺纹孔621的配合，实现中部杆61与实心球62的固定连接。中部杆61中部成型有U型槽612，U型槽612内设置有与U型槽612相匹配、可拆卸固定连接的嵌块613。嵌块613与U型槽612螺钉7连接，嵌块613与U形槽612底面之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆2的夹持面。嵌块613与U型槽612底面相对面的中心处均设置有竖向凹槽8，竖向凹槽8的截面为等腰直角三角形，便于夹持圆形振动杆。调节螺钉7的松紧状态可实现质量杆6的移动和定位，以满足不同实验要求。
每一质量杆6沿支架1纵梁延伸方向布置，电磁定位和释放装置3为与质量杆6中实心球62匹配设置的四组，四组电磁定位和释放装置3上下布置，分别安装于支架1的两侧立柱14上，每一质量杆6水平位置上对应设置有两组电磁定位和释放装置3。每组电磁定位和释放装置3中的定杆35为“L”型定杆，同一水平位置上的两组电磁定位和释放装置3中“L”型定杆折弯方向相反。
接通控制开关311，电磁铁34通电，产生吸引力，上下两个质量杆6中的每一实心球62在其对应的电磁铁34的吸引下移动至设定的偏移位置；断开控制开关311，电磁铁34断电失去吸引力，上下两个电磁铁34同时释放相应实心球62，即可模拟扭转振动。
综上所述，本发明公开的一种自由振动实验装置，振动杆与支架可拆卸连接，质量块与振动杆可移动、拆卸连接，通过调整振动杆与质量块的数量或形状，可以完成包括单自由度和多自由度的弯曲形平动振动、剪切形平动振动、扭转振动在内的不同的结构动力学自由振动教学演示，以增加学生对自由振动的感性认识。同时，该实验装置中还设置有电磁定位和释放装置，利用电磁铁通电后的吸引力使各质量块偏移平衡位置，精确设定各质量块偏移平衡位置的初始位移。同时将各电磁铁组成串联电路，断电后各电磁铁吸引力同时消失，可以精确的做到各质量块自偏移位置同时释放。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种自由振动实验装置，其特征在于，包括支架(1)、振动杆(2)、质量块以及电磁定位和释放装置(3)；所述振动杆(2)为可拆卸固定连接于支架(1)上、竖直向下悬垂的至少一个；所述质量块沿振动杆(2)延伸方向布置、与振动杆(2)可拆卸连接、为可移动固定连接于振动杆(2)上的至少一个；所述质量块由铁磁性材料制作而成；所述电磁定位和释放装置(3)为与质量块匹配设置的至少一组，所述电磁定位和释放装置(3)包括控制系统(31)、可移动固定连接于支架(1)上的底座(33)以及设置于底座(33)上的电磁铁(34)；所述控制系统(31)包括控制开关(311)以及用于为电磁铁(34)供电的直流电源(312)，所述电磁铁(34)与控制开关(311)串联；闭合控制开关(311)，电磁铁(34)通电产生吸引力，吸引质量块偏离平衡位置；断开控制开关(311)，电磁铁(34)失去吸引力，释放质量块；
所述质量块为质量板(5)或质量杆(6)；
所述质量板(5)包括中间板(51)以及可拆卸固定连接于中间板(51)两端的两个夹板(52)，夹板(52)与中间板(51)之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆(2)的夹持面；穿过质量板(5)的振动杆(2)为对称设置、与质量板(5)上夹持面数量相匹配的两个；
所述质量杆(6)包括中部杆(61)以及可拆卸固定连接于中部杆(61)两端的实心球(62)；所述中部杆(61)中部成型有U型槽(612)，所述U型槽(612)内设置有与U型槽(612)相匹配、可拆卸固定连接的嵌块(613)，所述嵌块(613)与U形槽(612)底面之间形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆(2)的夹持面。
2.根据权利要求1所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述支架(1)包括两侧立柱(14)、上横梁(12)、下横梁(13)，于立面上形成门形；所述支架(1)在下横梁(13)两端垂直于门形立面的方向上设置有纵梁(15)，所述纵梁(15)与其对应的立柱(14)之间设置有斜撑(16)。
3.根据权利要求2所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述支架(1)上横梁(12)下表面设置有若干夹具(11)，所述振动杆(2)通过夹具(11)与支架(1)可拆卸固定连接；所述夹具(11)包括定块(111)和动块(112)，所述定块(111)固定连接于上横梁(12)上，所述动块(112)与定块(111)匹配设置，并与定块(111)可拆卸固定连接，连接处形成竖直向下延伸的夹持面。
4.根据权利要求1所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述质量块为质量球(4)。
5.根据权利要求4所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述质量球(4)由两个半球(41)可拆卸固定连接组成，两个半球(41)相对面形成竖直向下延伸、用于夹持振动杆(2)的夹持面。
6.根据权利要求3或5所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述夹持面中相对两个面的中心处均对称设置有竖向凹槽(8)，所述凹槽(8)的截面为直角三角形。
7.根据权利要求2所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述支架(1)由铁磁性材料制作而成，所述底座(33)为由永磁铁制作而成的磁座，所述磁座与立柱(14)吸附固定。
8.根据权利要求7所述的一种自由振动实验装置，其特征在于，所述电磁定位和释放装置(3)还包括定杆(35)和动杆(36)，所述定杆(35)一端与磁座可拆卸固定连接，另一端与动杆(36)可拆卸固定连接；所述动杆(36)为中空圆柱形杆，其两端分别设置有带中心圆孔的前端盖(361)和封闭的后端盖(362)，所述动杆(36)中空腔内设置有用于复位电磁铁(34)的弹簧(363)，所述弹簧(363)一端与后端盖(362)固定连接，另一端固定连接一触杆(364)，所述触杆(364)伸出前端盖(361)上的圆孔与电磁铁(34)可拆卸固定连接；所述触杆(364)由直径不同的两段圆柱体组成，其与电磁铁(34)连接的一端直径与圆孔直径一致，与弹簧(363)连接的一端直径与动杆(36)中空腔直径一致；所述动杆(36)上设置有刻度标识。
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