船舶结构力学手册.docx
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船舶结构力学手册
实验1：
应变片的粘贴技术实验目的通过实验了解应变片的测量原理及应变片的选用；通过应变片的实际粘贴、接线，初步掌握应变片的贴粘工艺过程；能够进行粘贴质量的检查并会采取适当防潮措施。
、实验仪器、
（1）试件：
条形钢
（2）不同规格型号的应变片（3）粘贴剂：
704硅胶、保护剂（4）仪表：
兆欧表、惠斯登电桥、万用表（5）焊接工具：
电烙铁、焊锡、松香（6）电吹风（7）其它：
0.02-0.04㎝导线，绝缘胶带纸，棉纱、脱脂棉、无水酒精、划丝、卡尺、0＃砂纸等。
、实验内容及步骤应变片的准备根据测试的内容（拉压力、扭矩、加速度等）、测试条件及贴片部位的情况和布片方案，二次代表的要求（阻值、灵敏度系数等）等因素，选择适当的应变片，在同一桥路中，应变片的灵敏度系数和原始阻值应尽量一致，阻值之差不能超过电阻应变仪的电阻平衡范围（0.5Ω），阻值相差太大，造成电桥的初始不平衡，影响测量精度。
应变片的几何尺寸也应选择得当。
用目测检查应变片敏感珊是否排列整齐；先用万用表初查应变片有无断路和短路现象及粗略的原始电阻值，再用惠斯登电桥精确测量应变片的阻值（精确到0.1Ω）。
2.构件贴片表面的处理为了保证一定的粘贴强度，必须对构件表面进行处理，试件贴片部位需要处理的面积应大于应变片的基底。
首先要去掉表面的锈斑、油漆、氧化皮等污垢；然后用砂轮将表面打平，再用0#或1#砂布磨光。
如果是光滑的加工表面，用0#或1#砂布沿与应变片纵向线成450的方向打出一些纹路。
打磨面积约为应变片的3-5倍。
3.划线在处理好的表面上,定出测点确切位置,用划针通过测点轻轻划出贴应变片位置的中心线，即应变片的方位线。
4.清洗贴片表面用脱脂棉球蘸无水酒精对贴片表面进行擦洗。
一般要擦洗2到3次，直到没有油污为止。
擦好的表面切勿用手或其他物触碰。
5．贴片在应变片贴面上涂一薄而均匀的胶层,然后把应变片放到贴片位置上（注意对准坐标线）。
特别注意要保证应变片的方位；然后在应变片上盖一张玻璃纸，一手捏住引出线，用另一只手的母指或食指从片头到片尾轻轻均匀地滚压，把多余的胶水和气泡挤出，直到应变片粘住为止。
应变片贴完后，应该胶层均匀、位置准确、整齐干净。
6．干燥固化贴片后，按照所用粘结剂规定的方法和时间进行干燥固化。
一般在贴好后需自然干3到4小时，或更长。
但为了更快地固化好，可以在自然干燥一定时间后，用热吹风吹烘。
7．焊接引出导线为保证焊接处的绝缘，焊前在应变片的引出线下面粘贴一层绝缘胶带纸，此举意在保证引出线焊点处的绝缘。
尔后将测量导线的一端靠近应变片的引出线，在测量导线焊接端去皮约3mm并涂上焊锡后，用电烙铁将应变片引出线与测量导线进行锡焊．接时要快且准，以免产生氧化物而影响焊点质量，焊点要求光滑牢固、无虚焊、假焊、以保证焊点的机械性能和电气性能，焊好后将引线用绝缘胶带固定。
为防止机械损伤，可用织物或胶布将贴片部位保护。
8．贴片质量检查
（1）检查应变片的粘贴是否牢固，胶层是否均匀，位置是否准确。
（2）用万用表检查已贴好的应变片有无断路或短路现象，应变片的原始阻值有无变化（3）用万用表高阻档或兆欧表检查应变片与构件表面间的绝缘电阻，在一般实验中绝缘电阻到达500到1000兆欧就即可。
绝缘电阻小，表面粘贴质量不好，会使应变仪调平困难及应变片在工作中产生较大的蠕变。
注意：
用兆欧表测量绝缘电阻时，要慢摇手柄，严防击穿；一般情况下，应尽量少用兆欧表。
9．应变片的防护应变片接好导线后，应立刻涂上防护层。
这主要是防止大气中水分的侵入，应变片吸水后会降低绝缘电阻、粘结强度会影响其正常使用。
常用环氧树脂来作防潮防护。
四、实验报告总结贴片的工艺过程及质量检查要求所贴应变片的型号，阻值及灵敏度系数为什么要求应变片电阻丝与试件的绝缘电阻高？
确定支座结构的柔性系数实验目的1.通过实验进一步了解结构相对刚度的概念2.熟悉百分表的使用方法及实验数据的处理。
二. 实验设备与仪表1.两付相对刚度不同的简单刚架。
2.二套连座百分表。
3.0.5kg和0.1kg砝码若干个。
实验原理刚架如下图1，应用能量法或位移法，可以求得在集中力Ｐ作用下，刚架梁跨中的
挠度y为y=
=
实验模型刚架I为：
横梁b=12mm；h=8mm；l=500m竖梁b=12mm；h=2mm；H=300mmE=210GPa这样
，
y=
=0.963
按其求得的梁跨中挠度误差约为3.7。
可见，当竖梁很弱、横梁很强，可将刚架梁简化简支梁,实验模型刚架II为：
横梁b=12mm；h=2mm;l=500mm
竖梁b=12mm；h=8mm;H=300mmE=210GPa这样
，
y=
=1.014
按其求得的梁跨中挠度误差约为1.4。
可见，当竖梁很强、横梁很弱，可将刚架梁简化两端刚性固定梁。
实验内容和步骤用电子数显百分表测量刚架跨中挠度。
1.将电子数显百分表安装在万向磁性表架上，将电子数显百分表的测杆垂直顶在横梁的中点。
2.将电子数显百分表置位移档并置零。
3.在横梁的中点挂好花兰,并加砝码加载,每个花兰为100g，砝码为100g、400g、500g，根据表1和表2要求加载。
4.每个刚架共逐级加载三次,然后逐步卸载.并同时记录百分表的读数。
5.每个刚架加载、卸载重复两次。
实验注意事项1.电子数显百分表安装时，必须与梁垂直。
2.加载时轻装轻卸。
3.由于百分表与刚架接触面存在磨擦,待电子数显百分表稳定后再读数。
实验梁有关理论计算1.简支梁挠度计算y（
）=
2.两端刚性固定梁挠度计算y（
）=
七．实验所得结论从以下几个方面去考虑1.对于本实验,模型实际为刚架梁结构，将其简化为一个简支梁或两端固定梁结构进行计算，分析简化是否合理 ２.对实验中所产生的误差进行分析。
实验报告要求实验报告的内容对实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。
实验数据单位要完整。
九．附录1．百分表记录表
表1刚架Ｉ（强横梁）测量数据表
载荷
第一次
第二次
500g
1000g
1500g
500g
1000g
1500g
挠度值
加载
卸载
平均
表2刚架II（弱横梁）测量数据表
载荷
第一次
第二次
100g
200g
300g
100g
200g
300g
挠度值
加载
卸载
平均
2.实测挠度值与理论计算值汇总
表3实测值与理论值汇总
载荷
挠度
Ｉ梁
梁
500g
1000g
1500g
100g
200g
300g
实测值y1
理论值y2
误差
实验3：
板架弯曲实验
实验学时：
2学时
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一．实验目的
1．验证板架弯曲计算理论
2．了解静态电阻应变仪的使用方法
3．分析板架弯曲受力情况
二．实验设备
1．板架弯曲实验装置
、
2．静态电阻应变仪
3．万用表
三.板架尺寸及测点布置
图1板架
板架
底板厚2mm，交叉构件为T型材，腹板高为50mm，厚为2mm；面板宽20mm，厚为2mm。
主向梁为矩形条，高为35mm，厚为2mm。
弹性模量E=2400Mpa。
图2板架
板架
底板厚2mm，交叉构件为T型材，腹板高为50mm，厚为2mm；面板宽20mm，厚为2mm。
主向梁为矩形条，高为30mm，厚为2mm。
弹性模量E=2400Mpa。
四.板架弯曲理论计算
1.对板架I：
建立主向梁与交叉构件相应节点处变形连续条件来求解。
2.对板架
I：
将交叉构件处理成受均布载荷的弹性基础梁
五.实验步骤
1.把电阻应变仪与应变片用导线连接好，应变仪调零。
2.用水作为均布载荷逐级加载（水位控制），并记录应变仪读数。
3.逐级卸载，并记录应仪读数。
4.每个板架加载、卸载重复两次。
六.实验思考
1.分析主向梁、交叉构件实际受力情况。
2.模型受力情况与船体结构受力的差异。
3.对实验误差进行分析
七.实验报告要求
对实验数据、实验中的出现的现象、实验操作的过程等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。
八、附录
1．实验记录表
板架
测点
应变
H=
H=
H=
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
加载
卸载
平均值
测点
应变
H=
H=
H=
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
加载
卸载
平均值
板架II
2．实测数据与理论数据汇总
板架
测点
应变
H=
H=
H=
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
实测值
理论值
误差
板架
测点
应变
H=
H=
H=
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
测点1
测点2
测点3
实测值
理论值
误差
实验4：
自由衰减振动的采集与分析
实验学时：
2学时
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一.实验目的
1、锤击法激励，测定简支梁的阻尼比;
2、测定对数减幅系数计算阻尼比的原理和方法;
3、学习半功率带宽法测定阻尼比的原理和方法;
4、学习CRAS数据采集软件操作方法。
二.实验对象
在简支梁中间安装一个集中质量块和加速度计,实现自由振动系统。
简支梁材质为普通钢,尺寸为600mm×40mm×8mm。
三.实验框图和仪器
图1.锤击法测固有频率和阻尼比的实验框图
加速度计：
将被测系统的机械振动量（加速度）转换成电量。
AZ804：
信号放大和滤波。
AZ108采集箱:
数据采集硬件。
计算机、打印机。
AdCras和SsCras软件，与采集箱、计算机和打印机一道完成数据采集、分析和打印的功能
四.实验原理
用锤敲击试件以激起系统自由振动,通过加速度计接受系统测点加速度,并将其转变为电压（或电荷）输出,经AZ804放大、滤波（滤去信号的二阶以上的频率成分）,以电压量输出信号,经数据采集获得系统基频信号的数据和波形。
从衰减振动波形曲线得阻尼比及基频简谐振动的周期,其倒数便是固有频率,或从基频信号的频谱得到固有频率。
五.实验步骤
1、照实验框图（图1）连接传感器、AZ804调理仪、AZ108采集箱及计算机;
2、AZ804调理仪设置
AZ804调理仪是四通道的，可以对4路信号进行放大、滤波。
对每一通道输入信号的类型可以是电压、电荷（适用电荷型加速度计）和ICP（适用ICP型加速度计），在使用时每一通道只能选用一种，不同通道可以输入不同类型的信号（详见AZ804后面板），AZ804后面板接传感器输出,作为AZ804的输入。
AZ804调理仪前面板
AZ804调理仪后面板
调理仪前面板有滤波按钮、放大按钮和经调理的信号输出端。
放大倍率有×1、×10、×100三档,通过按钮切换放大倍率。
调理仪的输出端接采集箱。
在定量幅值测量中，为直接能读出是多少工程单位（例如mm/s、m/s2、
、N等）,涉及到两种参数设置:
工程单位和校正因子。
工程单位根据测量时所采用的传感器类型,可以在CRAS软件参数设置工程单位对话框中加以选用。
CRAS校正因子的意义表示每一工程单位EU对应的毫伏数mV,单位为mV/EU。
校正因子设置值等于传感器灵敏度与调理仪放大倍率设定值的乘积。
例如采用的加速度灵敏度为5.02pC/m/s2,调理仪放大倍率设定值为10,则校正因子送入值应为50.2（mV/m/s2）,调理仪若输入的1pC/m/s2经调理仪输出已转换为1/mV
3、在PC机桌面上点击AZ108图标进入CRAS公共程序运行平台。
选择并点击AdCras信号分析软件包进入动态莱单。
AdCras动态菜单由初始菜单、新作业菜单和老作业菜单组成。
初始菜单如图2，只有“作业”及“退出”两个菜单项，迫使用户必须首先建立作业。
图2AdCras初始菜单
图3AdCras新作业菜单
在作业对话框中选择了新的作业，菜单如图3所示,允许用户“设置参数”、“实时示波”及“数据采集”。
但不允许作波形显示及数据处理等操作。
图4AdCras信号分析软件包的主菜单
采集完成后或对老作业已经正确读进内存后，最后的菜单如图4所示
4、建立作业
选择通道数:
单通道;
作业路径:
建立新作业或返放作业;
若为新作业,按确认按钮进入图3所示的AdCras主菜单,若为老作业,按确认按钮进入图4所示的AdCras主菜单。
CRAS在不同通道下,允许相同的作业名。
4、参数设置（图5）
采样频率:
512Hz
工程单位:
校正因子:
等于传感器灵敏度与调理仪放大倍率设定值的乘积
电压范围:
10V。
若信号弱也可选用程控放大或提高调理仪的放大倍率。
触发参数
触发方式:
自由运行、正触发和负触发。
选正触发或负触发
触发电平:
设定10%或5%
触发延迟:
-20
触发通道:
1ch
数据块数:
1块,1024个采样点
6、在正式测量前,进入示波方式（鼠标点击AdCras主菜单上“实时示波”按钮,图3,不断敲击试件,以检查仪器连接线是否接通、电源是否打开以及参数设置是否合理;
7、鼠标点击AdCras主菜单上“数据采集”按钮,在出现等待触发提示框后,敲击试件,以触发方式,采集数据。
图5AdCras软件包的参数设置
8、进行数据处理，点击Z，去除直流分量，点击数字滤波，滤波器特性选低通，滤波器上限频率设为100Hz，其振动波形曲线如图6所示;
9、文件存盘。
10、调用信号及系统分析SsCras软件包,返放存盘的文件,作频谱分析,从频谱读出阻尼比和固有频率（图7）。
对于数据列表、统计和图形可以用Ctrl+P命令或工具条快捷键P,将屏幕图形存储为位图文件或直接打印。
存储的位图文件可以在绘图板上进行编辑或
图6某梁的阻尼比
另存为其它格式的图形,也可以复制粘贴到word文档中,还可以用工具条快捷键W直接将图形或列表粘贴到word文档中。
图7某振动系统频谱图
六.实验报告
实验报告的格式由学生自行设计,但实验报告应包括以下内容:
（1）.试件材质和尺寸,激振方式;
（2）.实验目的、实验原理;
（3）.绘制测量时的实验框图,说明各仪器的功能;
（4）.打印振动波形曲线、频谱图；
（5）.实验结果处理
（6）.讨论问题:
计算振动系统的固有频率,并与测量值作比较。
瞬态激振时实验结果的处理
阻尼比
时域
从衰减的振波曲线读出A1=
;A5=
;
计算对数减幅系数
=;计算阻尼比
。
频域
共振峰的横坐标（固有频率）
Hz;
共振峰的纵坐标（振幅的最大值）
m/s2;
半功率点的纵坐标
m/s2;
半功率点的横坐标
Hz,
Hz;在幅频曲线上读出该值。
半功率点法估计系统的阻尼比
。
根据波形由对数减幅系数计算阻尼比,与谱分析测量的阻尼比和幅频特性曲线得出的阻尼比比较。
基频
时域
5个波形的起始时间t1=ms,终止时间t2=ms;
计算基频周期
ms;
基频频率
Hz;
频域
从振动频谱的幅频特性曲线的峰值频率读出固有频率,比较时域法和频域法获得基频频率的数值;
注:
自由衰减振动固有频率和阻尼比计算参考附录
1衰减振动周期
（附1）
式中:
—无阻尼系统周期;
—阻尼比，
分别称为阻尼系数和固有频率。
在小阻尼ζ＜＜1时,
2对数减幅系数
若t1时刻振幅为
t1+T时刻振幅为
经过1个周期振幅衰减为
对其取自然对数,定义为对数减幅系数
即
（附2）
因为
故由上式还可得:
（附3）
为保证测试精度,一般取k个周期计算对数减幅系数
若第1和第k周期的振幅分别记作A1和Ak,则对数减幅系数为
（附4）
3均匀等直梁的固有频率
（rad/s）（附5）
式中：
l—梁的长度；
E—材料的弹性模量；
I—梁的截面惯性矩；
ρ—材料密度；
A—梁的截面积。
（Hz）（附6）
实验5：
船舶振动测量技术
实验学时：
2学时
实验类型：
验证
实验要求：
必修
一、实验目的
对于新型号的船，特别是对性能要求较高的船舶，在其建成后一般在试航时要进行振动试验：
1、以确定振动烈度，并与衡准比较，判断其是否满足衡准要求；
2、确定船体及其局部结构的振动特性参数，如固有频率、阻尼；
3、检验船体结构振动的预报方法；
4、找出主要振源，分析其传递途径和方式，并制定相应的减振措施。
本项试验模拟实船局部振动测量方法进行测量。
二、实验内容
1、船舶振动常用测振传感器及配套仪器的一般操作方法；
2、船舶振动的测点布置方法；
3、初步掌握振动频谱分析的方法；
4、振动烈度与振动衡准比较的方法；
三、测量装置及原理
1、
图1
测量装置见图1。
2、振动源
偏心块装在调速电机上，通过调节电机转速，来改变激励频率。
特别提醒：
试车及每次开电机时，应先启动异步电动机，后接通控制器电源。
停机时，应先将主令电位器左旋到零位，再关断控制电源。
3、加速度测量
采用压电加速度计，用磁吸座固定在被测船模上，接收振动信号，该信号经电荷放大器放大，放大了的信号由接口箱进行A/D变换，再送入计算机进行计算分析。
四、实验步骤
1、按照实验框图（图1）连接传感器、AZ804、AZ108采集箱及计算机;
2、在PC机桌面上点击CRASV7.0图标进入CRAS公共程序运行平台。
3、对程序进行设定：
（1）点击信号与系统分析；
（2）点击作业
（3）选择通道数（根据测点数选择）；
（4）作业路径：
C:
\CRAS6.2\DAT\（字符）；
（5）指定目录参数文件找不到，新作业，确定
（6）设置参数：
频谱参数分析类型：
定带宽；频谱类型：
线性谱；
分析频率根据激振频率确定（100Hz）；
平均或谱阵线数平均次数或谱阵线数：
⊙4；数据或FFT块长度：
⊙1024；
平均方式：
⊙线性平均；
工程单位点击所用ch点击倒三角，选所测参数mm/S；
校正因子传感器灵敏度与选用调理仪放大倍率乘积
电压范围根据信号大小调整；
采集控制采集方式：
监示采集；低频采集显示：
逐页显示；
采集过程中监示类型：
波形。
以上参数设定好后，点击示波，根据波形情况再调整振动源或设置参数，参数设置好后，点击采集，采集完后点击频谱，即可得到各通道的振动谱，将光标移动到1、2、3阶轴频处，即可得到该处的频率及振幅。
4测量数据记录
在每一转速下，记两个最大的幅值和频率。
测量数据记录表
转速（转/分）
500
600
700
800
纵向
频率（Hz）
振幅（m/s）
横
向
频率（Hz）
振幅（m/s）
垂
向
频率（Hz）
振幅（m/s）
转速（转/分）
900
1000
1100
1200
纵向
频率（Hz）
振幅（m/s）
横
向
频率（Hz）
振幅（m/s）
垂
向
频率（Hz）
振幅（m/s）
五、实验报告要求
1、测试系统及测点布置；
2、将测量结果与实船标准进行比较，得出分析结果。
附：
Ⅰ类船振动级基准线
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