实验力学与方法复习资料.docx

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实验力学与方法复习资料

思考题

应变的定义

式中：

——应变

——测区长度的变化量

——测区的原始长度，称之为标距

应变测量桥路有哪几种桥路输出应变的表达式

基本测量桥路：

1/4桥、1/2桥、全桥

全桥测量法 

半桥测量法

每臂双片测量法 

何谓电阻丝的应变效应

利用电阻丝的应变效应，所谓电阻丝的应变效应指的是电阻丝的电阻值随其本身应变（伸长或缩短）而改变的一种物理性质

电桥的输入端与输出端指是什么一般用什么符号表示

输入端：

与外接电源连接端，如图中A、C

输出端：

与所测试构件连接段，如图

顶点：

ABCD

E+,U+,E-,U-

斜拉索索力测试方法有哪些

目前测量索力的方法主要有：

压力表测定法、压力传感器测定法（应变式或振弦式）、钢索测力仪法、振动频率法、磁通量法、电阻应变片测试法等

斜拉索索力与哪些因素有关

利用理想弦的振动方程计算斜拉索索力有一定的误差，主要是因为斜拉索索力不仅跟索的长度、线密度、振动频率有关，还跟索的刚度及垂度有关。

振动法测量斜拉索索力的原理是什么

T——是索的张力（N）；

m——是索的线密度（kg/m）；

L——是索的计算长度（m）；

Δf为理想频率段内的各阶频率差的平均值

索振动信号的频谱图有什么特点

弦振动的频谱图呈倍频关系

系统作自由衰减振动时，其振动频率与系统固有频率有什么关系

解决工程振动问题有哪两种方法（理论分析法—正过程，实验方法—逆过程）

系统物理参数、模态参数、及响应参数有哪些（物理参数：

质量、阻尼、刚度等；模态参数：

模态质量、模态阻尼或阻尼比、模态刚度、频率、模态矢量或振型；响应参数：

位移响应、速度响应、加速度响应、应变响应等）

系统动态特性的表述方法有哪些（时间空间、频率空间、模态空间）

简谐振动、周期振动、非周期振动的频谱图有什么特点（简谐振动频谱图就一条直线；复杂周期振动频谱图是由若干条离散线组成，故称离散谱；非周期函数的频谱图形是频率的连续曲线，故称为连续谱。

振动测量系统的组成（四个部分：

激励部分、传感部分、传输部分、分析或测量部分）

环境激励的优点及缺点；（优：

无需激振设备，成本低。

缺：

信噪比低，由于环境激励输入无法测量，故无法得到频响函数。

）

初位移法或突然卸荷法，系统按第一阶固有频率作自由衰减振动，因此该方法只能得到系统的第一阶模态参数。

单位脉冲信号的频谱图是一条平直谱，包含0到∞的所有频率成分。

快速正弦扫描激振法与脉冲锤击激振法，试验时间很短，均属于瞬态激振法，快速方便，能够同时得到系统多阶的模态参数，在模态实验中经常用到。

目前结构自振特性测试时，环境激励是一种应用最为广泛的测试方法，这种方法认为环境激励输入信号是纯随机信号（即白噪声信号）。

白噪声信号的频谱图与单位脉冲信号一样，也是一条平直线（平直谱），即输入信号包含0到∞的所有频率成分，因此可以得到桥梁多阶的自振特性。

利用力锤进行模态实验时，对于同一实验对象，力锤锤帽越硬，输入信号的频谱图频带越宽，但能量越分散。

反之，力锤锤帽越软，输入信号的频谱图频带越窄，但能量越集中。

因此，试验对象频率较低，则应选择软的锤帽，试验对象频率较高，则应选择硬的锤帽。

振动传感器又叫作换能器、拾振器、其作用将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。

振动传感器的分类（按所测的机械量可分为：

位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器）

压电式传感器没有方向性，因此可应用于斜拉索索力测量；

数字信号分析的基本过程

滤波器的作用有哪几种在结构振动测试中，低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器。

应用较多的是低通滤波器，设置低通滤波器时，滤波器的上限频率不能大于采样频率的一半。

采样频率采样间隔

波形采样是将连续信号通过采样转化为离散信号，相邻两个采样点之间的时间间隔为采样间隔Δt，其倒数为采样频率fs。

采样定理

采样频率fs必须大于被分析信号中最高频率的两倍以上，否则会产生频率混叠现象，即高频信号通过采样变成了低频信号。

快速离散傅里叶变换要求分析点数N应为2的n次方，如分析点数N应为…、512、1024、2048、…

频率分辨率的表达式频率分辨率：

如何利用幅频曲线测得衰减系数

由共振峰极值Hm求得半功率点幅值Hp=,再由半功率点Hp的带宽求得衰减系数近似值:

画出简支梁前四阶振型图

指出简支梁前四阶振型的模态节点的位置。

注意参考点或锤击点不能放在感兴趣振型的模态节点上。

锤击点不能放在跨中。

如果放在跨中，则无法激振出第二阶模态，同理如果放在1/4处将无法激振出第四阶模态

简述光测力学的内容及光弹性实验的基本原理。

答：

光测力学是应用光学的基本原理，结合力学的理论，通过数学的推演，以实验为手段，来测量物体中的应力、应变和位移等力学量，去研究和验证物体的变形机理和固有的力学行为。

光弹性实验的基本原理是利用偏振光通过在受力变形下发生人工双折射的透明模型，就能产生光学干涉条纹图形，分析这些干涉条纹的图形，可以计算出模型内部的应力大小和方向，然后按照力学的相似关系换算为实际结构物的应力。

简述光弹性实验的主要特点。

答：

光弹性实验是利用光的双折射现象来可视化应力的一项实验技术，是光测力学中三维实验应力/应变分析的一种至今仍然十分有效的方法。

主要特点是能直观地通过光学图案观测到整个结构内部应力分布的全貌，尤其是能精确地观测到应力集中区域应力连续变化的情况，这对比较各种设计方案，校核原定的设计都是十分有用的。

它是一种全场性测量法，故用这种方法能了解到结构物内应力（或位移）分布的全貌，能清晰地反映出应力集中现象，立即得到应力集中系数．能容易地定出最大应力值及其所在位置，能方便地获得结构物的边界应力值。

直观性强。

一目了然。

可以逐点求出应力或位移，也可以求出任意位置处的应力或位移。

其次，可以足够精确地解决二维和三维模型的边界应力和内部任一截面的应力分布，尤其是解决内部应力的特点，实为其它实验方法所不能比拟的。

光弹实验还能圆满地解决自重应力问题。

简述互补色的性质。

答：

性质1：

若互补二色相加，假如浓度相当，则混合成白色。

性质2：

若互补二色中如有一色消失，则代替它而呈现的是另一互补色，该性质称为白光互补性质。

性质3：

相邻两色混合和结果是介于该二色之间的一种颜色。

简述颜色与色光的定义及其区别。

答：

颜色与色光是两个不同的物理概念。

色光是指由光波频率、波长所决定的光的颜色，如：

红、橙、黄、绿、青、兰、紫、七色。

颜色是指对七色光的吸收和反射的结果给人的视觉产生的效果。

不能吸收或吸收较小，或反射的色光即为颜色，如红花就是吸收绿的色光．反射红的色光给人的视觉产生红色的效果。

两者的区别还表现在：

1．两者组合的效果不同．如、七色光组合成白光，而七颜色组合成黑色；

2．色光是由波长决定，固定不变的。

而颜色是不固定的。

只是对不同光波有固定的吸收和反射的光学特征。

如在红光下绿色呈黑色。

何谓“布鲁斯特”定律。

答：

设光弹性模型为平面时，只要不超过模型材料的弹性极限，通过模型的光波按照模型材料的双折射性质将遵循下列两条规律：

（1）光波垂直通过平面受力模型内任一点时，它只沿着这点的两个主应力方向分解并震动，且只在主应力平面内通过。

（2）两光波在两主应力平面内通过的速度不等，因而其折射率发生了改变，其变化量与主应力大小成线性关系。

何谓等色线及等倾线。

答：

当用白光做光源时，这时干涉条纹是彩色带组成的，凡是

值相等的谱线，条纹的颜色相同，也就是某一种入光波发生消光，则出现互补色，故称干涉条纹为等色线，等色线的光学含义是光程差相等的等值线，力学含义是主应力差相等的等值线。

由于

，故等色线又表示最大剪应力等值线．它是光弹性实验方法中最基本的资料。

等倾线的产生也可以从光学概念来理解，凡与主应力平面之一重合的起偏振振动平面上的光矢量，通过应力模型时，必不改变振动平面，但是这些点上的光线必为垂直正交的分析镜所挡住，故这些消光的点连成等倾线。

从物理意义来讲，等倾线是挡光造成的暗线，因此习惯上称为消光应改为挡光。

等倾线也是光弹实验中另一组最基本资料。

何谓“冻结”现象，简述其化学机理。

答：

环氧树脂在110℃条件下，弹性模量很小，相应很小的力就可以产生很大的变形，通过大量实验发现在保持荷载的状态下将温度缓慢下降至室温，然后卸去荷载，那么110℃条件下的应力状态将固结在模型内，这种现象称为冻结。

冻结的化学机理可粗略地理解为：

环氧树脂属于高分子聚合物．它存在不可熔和可熔的两种分子键的网络，而且，不可熔的分子键在材料中相互建成的网络被可熔的分子键网络所填满。

在室温时，这两种网络都是固态的，所作用的荷载由两种网络共同承担。

所以弹性模量值很高，当温度上升后，可熔网络逐渐熔化而破坏，这时荷载主要是由不可熔的网络承担，由于全部荷载都由不可熔的网络来承担，所以弹性模量值很低。

若这时开始降温，则可熔网络又自行固化，并约束着已经变形的不可熔网络，直至室温。

即使卸去荷载，这一变形仍留在材料中。

即不可熔网络的变形被“冻结”下来了。

当适当控制切削加工温度时，“冻结”状态不受切削影响。

理想的光弹性材料应满足哪些要求

答：

1．材料必须透明、均质、色浅、透明度好，在未受力前是各向同性的，受力后具有暂时双折射的效果；

2．材料的光学灵敏度高，即材料条纹值低，弹性模量大，也就是E/f质量系数大，能形成清晰的条纹图案；

3．初应力及残余应力小，且易于消除；

4．力学蠕变和光学蠕变效应小，这在一定荷载作用下，条纹几乎不随时间而增加，时间、边缘效应很小；

5．应力与应变，应力与条纹级数都有线性关系，且比例极限高；

6．制造过程简易，易于机械加工成各种形状，价格低廉；

7．尽可能满足各种实验的要求，例如变弹模，耐高温性能，光弹性特点，等等。

简述全息干涉法的特点。

答：

普通透射光弹法中只能得到等色线和等倾线两组资料，为求得全部应力分量，需要补充一个条件，如采用剪应力差法等，但需要进行繁琐的计算工作，而全息照相与光弹性法相结合，即全息干涉法同时纪录等色线和等厚线的全息光弹性法，再加上等倾线数据，便可求得全部应力分量；应用全息光弹性法，不仅计算简单方便，而且所得的实验结果具有较高的精度。

简述全息照相的原理及特点。

答：

全息照相的原理是利用光的干涉原理，利用两束光的干涉来记录被摄物体的信息，它不仅记录了物体光波的振幅，同时也记录了它的位相，再利用光的衍射现象，在一定条件下使物光再现，得到逼真的三维物像。

全息照相的特点：

1.具有立体感；2.可分割性；3.可重叠记录。

结构抗震性能试验有哪几种型式，并试比较它们的异同点

答：

拟静力试验、拟动力试验和模拟地震振动台试验：

相同点：

都是研究建筑结构抗震性能的试验方法。

不同点：

⑴试验的目的

⑵试验的加载制度

⑶荷载的类型

⑷试件的尺寸

⑴试验的目的

拟静力试验是对材料或结构的表现进行深入的了解，它可以最大限度的获得试件的刚度、承载力、变形和耗能等信息，即揭示了结构抗震性能方面的基本规律，从而发展出抽象的、概括性的结构数学模型；

拟动力试验和模拟地震振动台试验则是将已经存在的数学模型应用于构件或结构，根据试验对预期的响应进行验证。

⑵试验的加载制度

拟静力试验的加载制度是按照试验要求人为设计的荷载形式，类似与普通静载试验的加载制度，所不同的就在于它是反复周期荷载，与确定的地震无直接关系；

拟动力试验和模拟地震振动台试验则是输入已发生的地震波或者是人工合成的地震波。

⑶荷载的类型

拟静力试验和拟动力试验均属于静载试验；

模拟振动台试验属于动载试验。

利用静载试验的试验数据来分析结构的动力响应，其结果是偏于保守，是可行的。

这是由于加载速度越慢，结构反映出来的强度越低。

⑷试件的尺寸

拟静力试验和拟动力试验多采用足尺或大比例的试件，模型比例一般在1：

1～1：

4之间；

模拟振动台试验的试件一般为小尺寸的试件，由于小尺寸试件的模型相似比很难满足要求，特别是在弹塑性范围，试验结果很难推广到原型结构上。

简述地震模拟振动台的基本原理

答：

地震模拟振动台是一项综合有土建、机械、液压、电子、计算机技术、控制技术和振动量测技术的系统工程，其基本原理是控制系统中给出地震波，经过三参量发生器，与由台面上的反馈控制位移、加速度传感器经归一放大后的三参量反馈信号形成闭环控制、经伺服放大、象限控制合成后形成各个激振器的控制信号，经阀控器驱动电液伺服阀，在液压源高压液流的推动下，由激振器带动地震模拟振动台运动。

简述地震模拟振动台的构成

答：

地震模拟振动台的基本构成由以下四部分组成：

一、台面及支承导向系统；

1．固定试件的刚性振动台台面；

2．限定自由度数的导向装置；

3．竖向支承导向装置；

4．有垂直向振动时的静荷平衡支承装置；

5．机械安全保护装置。

二、激振系统；

1．双出杆双作用液压激振器；

2．激振器与台面和基础之间的连接装置；

3．电液伺服阀；

4．作为控制元件的位移传感器；

三、液压源系统；

1．液压泵站；

2．蓄能器组；

3．水冷却系统；

4．高低压管道系统；

5．向激振器供油的油路分配系统；

6．液压源控制系统。

四、控制系统。

除了以上四个主体部分外，还有一系列的配套设施，包括：

1．安装地震模拟振动台主体的基础；

2．放置地震模拟振动台和基础的试验大厅；

3．试验大厅中配备有安装及运送试件的起重设备；

4．有控制室，放置地震模拟振动台控制系统；

5．安装液压源的油源室；

6．放置量测仪器和进行数据处理室；

7．强电配电室，主要供液压源用强电；

8．供液压源冷却的水供应系统，包括供水池、冷却塔等；

9．振动量测系统、动态数据采集和分析系统；

10．试验现场的监视系统，通讯联络系统，试验过程及试件破坏过程的录制系统。

简述福州大学地震模拟振动台台阵系统主要技术特点

　答：

　福州大学地震模拟振动台台阵系统主要技术特点是：

福州大学地震模拟振动台三台阵系统是福州大学土木工程学院的主要设备之一。

该振动台台阵系统主要用于各种地震工程力学的基础性理论研究、各类建筑结构、大跨悬索桥、斜拉桥、高架桥、立交桥、轻轨高架等公路及铁路桥的整体抗震研究、城市管线结构以及能源管线的抗震研究、地铁、隧道结构抗震及高边坡等的抗震试验研究、运输模拟研究等等，对研究模型进行振动荷载（包括波、随机波等）试验，为原型结构和材料的动力特性研究和分析验证提供试验手段。

包括三个振动台，其中中间为固定的4m×4m水平双向振动台，两边为×可移动的水平双向振动台各一个，三个台在10m

30m的基坑内呈一直线布置，三个台面的顶平面与实验室地坪相平，小台与大台的最小距离不应大于，小台与大台最大距离为10m~12m。

每个振动台独立工作模式（三个单台分别控制）；

三台合成一体工作模式（三台同步工作，相当于×单个大型振动台）；

任意两个振动台做关联运动的工作模式（任意两个振动台同步控制，输入控制波形可以相同，也可以不同）；

三个振动台作关联运动的台阵工作模式（全部三个振动台同步控制，输入控制波形可以相同，也可以不同，即作为一套3×2自由度的振动台台阵系统）。

模型配重计算：

某钢筋混凝土高层建筑，其结构构件总质量mp为×107kg，活载及非结构构件质量mop为×107kg，欲使用微粒钢筋混凝土制作模型，选取几何尺寸相似比系数lr＝，弹性模型相似比系数Er＝，其中，原型钢筋混凝土质量密度为2400kg/m3，模型微粒钢筋混凝土模型质量密度为2300kg/m3。

请分别采用人工质量模型、忽略重力模型及欠人工质量模型求其它物理量的相似比系数和台面载荷（模型与配重的质量）。

解：

（1）采用人工质量模型

（模型重）

　　　　　　　　　　　　（结构构件配重）

　　　　　　　　　　　　　　（非结构构件配重）

台面载荷为（++）×1000kg＝42500kg。

其它物理量相似比为：

、

、

（2）采用忽略重力模型

台面载荷为（+）×1000kg＝10200kg。

其它物理量相似比为：

、

、

、

（3）采用欠人工质量模型

台面载荷为（+）×1000kg＝10200kg。

其它物理量相似比为：

、

、

、

1.应变测试的主要方法：

机测法、光测法、电测法

2.目前测量索力的方法主要有：

压力表测定法、压力传感器测定法（应变式或振弦式）、钢索测力仪法、振动频率法、磁通量法、电阻应变片测试法等，显然除了振动频率法外其它方法均无法应用于成索的索力测试。

3.理想弦的振动方程

T——是索的张力（N）；m——是索的线密度（kg/m）；L——是索的计算长度（m）；fn——是索的第n阶振动频率（Hz）；

4.利用基频（或频差）计算弦的张力

Δf为理想频率段内的各阶频率差的平均值

5.斜拉索索力实验研究：

压电式传感器

6.通过应变测量可转换为测力（轴力、弯矩、扭矩、剪力）、位移等；

7.

上式表明：

桥路总输出应变等于领臂应变相减，对臂应变相加。

8.基本测量桥路：

1/4桥、1/2桥、全桥

¼桥适用于恒温环境、导线电阻极小；½桥应用较广；全桥适用于条件相当恶劣

9.筒式压力传感器－－－电阻应变原理的推广

10.电测位移计---电阻应变测试技术的应用

11.动挠度或动应变与静挠度或静应变的比值称为活荷载的冲击系数。

12.为了测定冲击系数，应使车辆以不同速度驶过桥梁，并逐次记录跨中挠度或关键截面应变的时程曲线。

传感器－－应变片或位移计

13.按冲击系数的定义有：

式中：

Ydmax——最大动挠度值或最大动应变值；

（Ydmax+Ydmin）/2——最大静挠度值或最大静应变值；

应将实测的挠度或应变时程曲线计算出来的冲击系数转换为标准荷载作用下的冲击系数。

14.标准荷载作用下的冲击系数：

动力试验荷载效率；计算方法同静载试验效率

15.衰减系数n：

；有阻尼振动频率：

.实验验证——是振动测试中的正问题

2参数识别或系统识别——是振动测试中的第一类反问题

3载荷识别——是振动测试中的第二类反问题

4振动控制

5结构健康监测

17.系统动态特性的描述通常有三种：

1.时间空间（时间域）——时间模型它是以机械量的瞬时值为纵坐标，以时间为横坐标，得到的振动记录波形；

超低频桥梁（大跨径斜拉桥、悬索桥）振动测试时，往往选择位移传感器

2.频率空间（频率域）——频率模型

振动测量系统的组成（四个部分）

四个部分：

激振、传感、传输、测量或分析部分

3.模态空间（模态域）——模态模型

18.振动传感器的分类

按机械接收原理分：

相对式振动传感器，绝对式（惯性式）振动传感器；

按机电变换原理分：

电动式振动传感器、压电式、电容式、电阻式、电涡流式；

按所测的机械量分：

位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器。

按频带分：

高频传感器、低频传感器、超低频传感器

19.通过结构动挠度时，所采用的相对式位移传感器，应满足顶杆的跟随条件：

F≥m（顶杆的质量）×a（被测系统的最大加速度），否则位移计的顶杆与测点表面会发生撞击，无法准确地记录动挠度曲线。

20.压电式传感器在斜拉索索力测量上应用

由质量块、弹簧、阻尼器构成的拾振器是具有方向性，只能测水平或竖向的振动信号。

对于斜拉索由于索是倾斜的，所以不能用这种传感器测斜拉索的振动频率。

但可以用于悬索桥吊杆、拱桥吊杆的吊杆力测量。

压电式传感器没有方向性，因此可应用于斜拉索索力测量。

21.数字信号分析的基本过程

22.抗混滤波

抗混滤波是为了防止频率混叠。

抗混滤波器通常有：

低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器及带阻滤波器。

在工程振动测试中，应用较多的是低通滤波器，设置低通滤波器时，滤波器的上限频率不能大于采样频率的一半。

在工程振动测试中，如果通过仪器接地仍然无法消除50Hz交流电的干拢，可以通过信号后处理，设置带阻滤波器将50Hz的频率滤掉。

如果允许的话，也可以在数据采集时，将低通滤波器的上限频率设置在50Hz以下。

23.采样定理

波形采样是将连续信号通过采样转化为离散信号，相邻两个采样点之间的时间间隔为采样间隔Δt，其倒数为采样频率fs。

采样定理：

采样频率fs必须大于被分析信号中最高频率的两倍以上，否则会产生频率混叠现象，即高频信号通过采样变成了低频信号。

24.加窗

信号加窗：

是为了解决波形截断所产生的泄漏问题，加窗就是在原信号上卷积一个窗函数，常用的窗函数有指数窗、矩形窗（力窗）、平顶窗、凯塞-贝塞尔窗、汉宁窗。

随机过程的测量，通常选用汉宁窗。

对于周期信号或准周期信号，分析时最好是选用凯塞-贝塞尔窗或平顶窗。

对于衰减振动信号，通常选用指数窗。

25.频率分辨率：

频率分辨率与采样频率、分析点数的关系：

.分析点数N一定时，采样频率fs越高，频率分辨率越低；

.采样频率fs一定时，分析点数N越高，频率分辨率越高；

.为提高频率分辨率，可通过降低采样频率及提高分析点数来实现。

在振动测试信号分析时，往往通过数据后处理--重采样来实现降低采样频率。

进行重采样时一般要与低通滤波器配合使用。

26.1）幅频图可识别频率、阻尼比，但无法识别振型，还得根据相频图（含有相位信息）来识别振型。

2）而虚频图可直接识别出振型（含有相位信息）

27.悬臂梁模态实验时，在1号点激振，采集1、2、3号测点的响应数据，作出频响函数的虚频曲线，利用虚频曲线可识别出前三阶振型。