基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪的制作方法

本发明属于物理教学用具领域，尤其涉及一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪，属于基础力学教学实验用具。

背景技术：

金属在循环应力和应变的作用下，其局部位置会产生永久性损伤，其金属产生损失初期，损伤通过肉眼无法进行观察。疲劳破坏前没有明显的变形，即使是塑性良好的金属在疲劳破坏前同样没有明显的变形，其破坏就像脆性破坏一样，所以疲劳破坏经常造成重大事故。

为及时发现结构的损伤，往往通过对结构的各种物理参数进行测量，对损伤的大小和位置进行检测。在实际生活中，基于结构在激励下的响应对结构的损伤进行检查是一种常用的方法。

基于振动的损伤识别的原理为，构件的阶固有频率和振型是其重要的物理性质，当某一构件产生损伤时其固有频率和振型都会发生对应的改变，其在外界振动下的各种响应也会发生相应的变化，通过对其在激励作用下的响应进行检测可以准确的判定其是否已经产生了损伤。

现有的金属疲劳演示实验，往往通过将试件在多个数值的交变应力下进行指定次循环，通过最大应力与疲劳寿命间的关系确定其疲劳极限。该实验往往需要多次反复对比，所需时间较长，对疲劳损伤发生的过程没有一个直观的感受。同样，在现有损伤识别的教学中，学生往往只能通过各种公式推倒来对基于振动的损伤识进行了解学习，难以通过具体实验实例进行了解，本发明中提供了一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪，通过观察发生疲劳损伤的金属构件在振动下的响应，对其发生疲劳损伤进行演示，同时对结构损伤识别的原理进行直观的解释。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪，其通过观察损伤下的杆件振动响应，加强对损伤识别及疲劳损伤的理解。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪，包括激振盘，设置在激振盘底部的激振器，激振盘下发设支撑座，通过支撑座固定在实验台上，所述激振盘上部设置有至少两个固定夹，实验杆件一端插接于固定夹中，通过调整紧固螺栓，将实验杆件在固定夹中完全夹紧固定。激振器开启后，振动激励通过激振盘传递于固定夹，实验杆件在激振激励下产生振动。

所述实验杆件的截面为矩形，制作材料为Q235钢材，所述实验杆件一侧端部在固定夹中固定后，形成悬臂梁结构。

所述激振盘为圆形结构，激振器固定设置于圆心位置，激振器的振动频率通过控制器进行调节，激振器的输出频率大小可根据需要进行调节。

所述激振盘上方固定有至少两个固定夹，每个固定夹到激振器的距离相等，因此，激振器向每个固定夹传播的振动相同。

所述固定夹上方设置有紧固螺栓，多个实验杆件一端插入固定夹后，调节每根实验杆件的深度，使各个杆件在固定夹中的固定深度相同。每根杆件的固定深度相同，则其固定夹的固定性质相同，当每个实验杆件的材料及其尺寸也均相同时，其在固定夹中夹稳后，各自的固有频率及固有振型也相同。

在实验过程中，首先将未发生疲劳破坏的实验杆件插入固定夹中固定，调节插入深度后，拧紧紧固螺栓将实验杆件固定。实验杆件在紧固夹中固定后，形成以紧固夹为支座的悬臂梁结构，所述实验杆件形成梁体，所述固定夹形成悬臂梁固定支座。将激振器的输出频率由小到大缓慢增加，随着输出频率的改变，实验杆件的振动型也随之发生变化，当激振器的激振频率等于实验杆件的第一阶固有频率时，实验杆件产生共振其振幅达到一个极大值，其振动形状近似为第一阶固有振型。随后，留下一根未发生疲劳破坏的杆件，将其他杆件在疲劳实验机中进行疲劳处理，经过疲劳实验机处理，实验杆件产生疲劳损伤。再将发生疲劳后的杆件插入固定夹中进行固定。

此时，再次打开激振器，并控制器激励频率为健康杆件的第一阶固有频率。在激振器的作用下，健康杆件仍将发生共振，其振动振型将不发生变化，而已经产生疲劳损伤的实验杆件，由于损伤的产生，其固有频率将发生改变，因此在此时频率的激励下，其将无法发生共振，其振动振型也将发生对应的改变。

健康杆件和不同损伤程度的实验杆件，在相同的激振频率下，产生不同的振动响应，其振动幅度和振动形态都不相同，其振动形态的不同是由于疲劳损伤改变了实验杆件自身的刚度和截面形状导致，通过对其振动形态的对比，更利用对结构的疲劳损伤和结果的损伤识别进行理解。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过将健康的实验杆件和疲劳损伤的实验杆件，在相同振动条件下的振动响应进行对比，从在教学中直观的理解疲劳损伤对结构固有性质的改变。

2)本发明中实验杆件发生疲劳损伤后，其本身的固有性质发生变化，这影响其固有频率发生变化，产生了新的固有频率，不同的损伤程度也对应了不同的固有频率变化，在相同的激励下，其激励响应也各不相同，通过观察不同损伤下的不同振动响应，在教学中更利于对基于振动的损伤识别进行理解。

附图说明

图1是本发明整体结构正视图；

图2是本发明整体结构俯视图；；

图3是本发明中健康实验杆件振动示意图；

图4是本发明中健康实验杆件和损伤杆件振动示意图；

附图标记如下：

1实验仪，2激振盘，3激振器，4固定夹，5实验杆件，6紧固螺栓，7支撑座，8实验台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一：

一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪1，包括激振盘2，设置在激振盘2底部的激振器3，所述激振盘2上部设置有两个固定夹4，实验杆件5一端插接于固定夹4中，通过调整紧固螺栓6，将实验杆件5在固定夹4中完全夹紧固定。激振盘2通过支撑座7固定设置在实验台8上，激振器3开启后，振动通过激振盘2传递于固定夹4，实验杆件5在激振激励下产生振动。

所述实验杆件5的截面为矩形，所述实验杆件5一端端部在固定夹4中固定后，形成悬臂梁结构。

所述激振盘2为圆形结构，激振器3固定设置于圆心位置，激振器3的振动频率通过控制器进行调节，激振器3的输出频率大小可根据需要进行调节。

所述激振盘2上方固定有两个固定夹4，每个固定夹4到激振器3的距离相等，激振器3在两个固定夹4连线的中点位置，因此，激振器3向每个固定夹4传播的振动相同，每个固定夹4所接收到的激振频率相同。

所述固定夹4上方设置有紧固螺栓6，两根实验杆件5一端插入固定夹4后，调节每根实验杆件5的深度，使两根杆件在固定夹4中的固定深度相同。

在实验过程中，首先将两根未发生疲劳破坏的实验杆件插入固定夹4中固定，调节插入深度后，拧紧紧固螺栓6将实验杆件固定。实验杆件在紧固夹中固定后，形成以紧固夹为支座7的悬臂梁结构。启示所述激振器3，将激振器3的输出频率由小到大缓慢增加，随着输出频率的提高，实验杆件在激励下的振动形态也随之发生变化，当激振器3的激振频率等于实验杆件的第一阶固有频率时，实验杆件产生共振，振幅达到一个极大值，此时其振动形态接近悬臂梁的第一阶振型。

在实验杆件的疲劳试验中，实验杆件在交变应力的作用下产生反复循环受力变形，其中，以对应于10⁷次循环而不发生破坏的最大应力σ_max值作为疲劳极限。在试验中，将一根实验杆件放置于疲劳实验机中，大于疲劳极限的循环应力作用下，反复受力变形，但其周期数小于10⁷，从而使实验杆件产生疲劳损伤，但不至于发生断裂。

随后，再将发生疲劳损伤后的杆件插入固定夹4中进行固定。此时，再次打开激振器3，并控制器激励频率为健康实验杆件的第一阶固有频率。在激振器3的作用下，健康杆件仍将发生共振，其振动振型将不发生变化，而已经产生疲劳损伤的实验杆件，由于损伤的产生，其固有频率将发生改变，因此在此时频率的激励下，其将无法发生共振，其振动振型也将发生对应的改变。

通过对比健康杆件和疲劳损伤杆件的振动形态，对疲劳损伤更能有直观的认识。

实例二：

一种基于共振原理的疲劳损伤识别演示实验仪1，包括激振盘2，设置在激振盘2底部的激振器3，所述激振盘2上部设置有三个固定夹4，实验杆件5一端插接于固定夹4中，通过调整紧固螺栓6，将实验杆件5在固定夹4中完全夹紧固定。激振器3开启后，振动通过激振盘2传递于固定夹4，实验杆件5在激振激励下产生振动。

所述实验杆件5的截面为矩形，所述实验杆件5一端端部在固定夹4中固定后，形成悬臂梁结构。

所述激振盘2为圆形结构，激振器3固定设置于圆心位置，激振器3的振动频率通过控制器进行调节，激振器3的输出频率大小可根据需要进行调节。

所述激振盘2上方固定有三个固定夹4，每个固定夹4到激振器3的距离相等，三个固定夹4形成等边三角形，因此，三个固定夹4成中心对称结构，激振器3向每个固定夹4传播的振动相同，每个固定夹4所接收到的激振频率相同。

所述固定夹4上方设置有紧固螺栓6，三根实验杆件5一端插入固定夹4后，调节每根实验杆件5的深度，使三根杆件在固定夹4中的固定深度相同。

在实验过程中，首先将两根未发生疲劳破坏的实验杆件插入固定夹4中固定，调节插入深度后，拧紧紧固螺栓6将实验杆件固定。实验杆件在紧固夹中固定后，形成以紧固夹为支座7的悬臂梁结构。启示所述激振器3，将激振器3的输出频率由小到大缓慢增加，随着输出频率的提高，实验杆件5在激励下的振动形态也随之发生变化，当激振器3的激振频率等于实验杆件5的第一阶固有频率时，实验杆件产生共振，振幅达到一个极大值，此时其振动形态接近悬臂梁的第一阶振型。

在实验杆件的疲劳试验中，实验杆件在交变应力的作用下产生反复循环受力变形，其中，以对应于10⁷次循环而不发生破坏的最大应力σ_max值作为疲劳极限。在试验中，将两根实验杆件放置于疲劳实验机中，大于疲劳极限的循环应力作用下，反复受力变形，但其周期数小于10⁷，从而使实验杆件5产生疲劳损伤，但不至于发生断裂，两根杆件的周期数不同，因此其损伤程度不同。

随后，再将发生疲劳后的杆件插入固定夹4中进行固定。此时，再次打开激振器3，并控制器激励频率为健康实验杆件5的第一阶固有频率。在激振器3的作用下，健康杆件仍将发生共振，其振动振型将不发生变化，而已经产生疲劳损伤的实验杆件，由于损伤的产生，其固有频率将发生改变，因此在此时频率的激励下，其将无法发生共振，其振动振型也将发生对应的改变。

健康杆件和不同损伤程度的实验杆件，在相同的激振频率下，产生不同的振动响应，其振动幅度和振动形态都不相同，其振动形态的不同是由于疲劳损伤改变了实验杆件自身的刚度和截面形状导致，通过对其振动形态的对比，更利用对结构的疲劳损伤和结构的损伤识别进行理解。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1)本发明通过将健康的实验杆件和产生疲劳损伤的实验杆件，在相同激振条件下的振动响应进行对比，从而在教学中直观的理解疲劳损伤对结构固有性质的改变。

2)本发明中实验杆件发生疲劳损伤后，其本身的固有性质发生变化，这影响其固有频率发生变化，产生了新的固有频率，不同的损伤程度也对应了不同的固有频率变化，在相同的激励下，其激励响应也各不相同，通过观察不同损伤下的不同振动响应，在教学中更利于基于振动的损伤识别进行理解。