【正文】 當剛體塊質(zhì)量大于60kg時，臨界屈曲速度變化較小，趨于不變。中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第四章 格構(gòu)拱沖擊試驗方案設計 第四章 格構(gòu)拱沖擊試驗方案設計 試驗設備介紹 落錘試驗機介紹早在十九世紀四十年代國外就已建立起簡單的沖擊試驗設備，以用于對某些動力結(jié)構(gòu)的試驗，而隨著近年來計算機技術、數(shù)字信號處理技術以及實驗設備的高度發(fā)展，出現(xiàn)了多種支持動態(tài)試驗的設備，目前常用的有電液私服試驗機、落錘試驗機、輕氣炮等。本次試驗使用中國農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院實驗中心的落錘試驗機，如圖41，落錘試驗機可以提供最高可達到15米/秒的撞擊速度，其最大落錘質(zhì)量45kg，配有5kg砝碼兩個，錘體自重25kg。落錘機配有操作臺，使用操作臺通過控制電路可以提升或下降錘體，使夾具與錘體連接或分離，并可以調(diào)節(jié)移動方式為點動或自動。還可以通過操作臺控制提升的高度，即通過控制落錘高度調(diào)節(jié)撞擊速度，撞擊速度可按下式計算：其中，g為重力加速度，H為錘體下落高度。圖41 落錘試驗機 測量裝置介紹本試驗沖擊過程的應變時程曲線嘗試使用江蘇東華測試的DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)獲得，DH5923動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)包含動態(tài)信號測試所需的信號調(diào)理器（應變、振動等調(diào)理器）、直流電壓放大器、抗混濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通訊的全部硬件，并提供操作方便的控制軟件及分析軟件，是以計算機為基礎、智能化的動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)。系統(tǒng)可以對應變應力及力、壓力、扭距、荷重、溫度、位移、速度、加速度等物理量進行自動、準確、可靠的動態(tài)測試和分析，是工礦企業(yè)、科研機構(gòu)及高等院校在研究、設計、監(jiān)測、生產(chǎn)和施工中進行非破壞性動靜態(tài)應變、振動、沖擊及各種物理量測量和分析的一種重要工具。圖42為系統(tǒng)DH59231 數(shù)據(jù)采集器。該系統(tǒng)采樣速率(連續(xù)記錄數(shù)據(jù)) 16通道同時工作時,每通道50、100、200、500、1k、2k、5k、10k、20k(Hz)分檔切換，滿足本試驗對數(shù)據(jù)采集的要求，本試驗擬采用16道同時工作，20k(Hz)采樣速率。圖42 動態(tài)信號分析測試系統(tǒng)本試驗采用電阻應變片測量待測點應變數(shù)據(jù)，應變片采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的 BX1203AA 型電阻應變計，177。，柵長柵寬為32mm，靈敏度系數(shù)為 177。1%。應變測量原理以1/4橋、120Ω橋臂電阻為例對測量原理加以說明。如圖43所示,圖中: Rg為測量片電阻,R為固定電阻,KF為低漂移差動放大器增益。圖43因 Vi=, 即 Vo=KFVi=,所以 ε = (41)式中Vi為直流電橋的輸出電壓,Eg為橋壓(V),K為應變計靈敏度系數(shù),ε為輸入應變量(με),Vo為低漂移儀表放大器的輸出電壓(μV)，KF為放大器的增益。當Eg=2V，K=2時ε=Vo/KF(με)。對于1/2橋電路 ε= (42) 對于全橋電路 ε= (43) 本試驗采用半橋（1片工作片, 1片補償片）電路，每個測點使用一個工作片和一個補償片，適用于測量簡單拉伸壓縮或彎曲應變，圖44為電路與采集箱的連接方法。 圖44半橋（1片工作片, 1片補償片）電路 試件設計與加工 試件設計本試驗試件為立體格構(gòu)拱，參照第二章圖22，采用等腰三角形截面，弦桿和腹桿采用圓鋼管，節(jié)點按構(gòu)造特征可以分為弦桿內(nèi)加勁節(jié)點、相貫節(jié)點和腹桿端部壓扁式節(jié)點。其中相貫節(jié)點制作相對便利，工程中采用較多，本試驗也采用的是相貫節(jié)點。參考《JGJ/T2492011拱形鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》中對于鋼管桁架拱設計的規(guī)定，斜腹桿與弦桿的夾角宜控制在30176。~60176。范圍內(nèi)，鋼管桁架拱腹桿不先于整體結(jié)構(gòu)而破壞，且圓鋼管徑厚比不應大于100（200/）。本次試驗主要研究鋼管桁架拱在不同撞擊速度、不同重錘質(zhì)量、不同矢跨比下的動態(tài)失穩(wěn)性能，表41列出了每個試件的具體情況。圖45為沖擊試驗試件的CAD圖紙，圖46為制作好的部分試件。表41落錘試驗試件參數(shù)試件編號撞擊速度(m/s)重錘質(zhì)量(Kg)管徑/壁厚(mm)拱跨度(m)矢跨比試件193510/1試件283510/1試件373510/1試件483510/1試件584510/1圖45 沖擊試驗試件1圖紙圖46 制作完成的格構(gòu)式鋼拱試件 試件數(shù)據(jù)采集點布置設計本試驗參照第三章中格構(gòu)式鋼拱的數(shù)值模擬結(jié)果中格構(gòu)拱的變形情況，對試件1進行了數(shù)據(jù)采集點布置，如圖47。圖47 試件1數(shù)據(jù)采集點布置圖對試件1進行沖擊試驗后，參考破壞形式，及試件不同部位變形程度，重新設計數(shù)據(jù)采集點，如圖48，以便采集到更加有用的信息。圖48 試件2~試件5數(shù)據(jù)采集點布置圖 材性試驗在數(shù)值模擬中，為了得出更加精確的結(jié)果，材料性質(zhì)的準確程度至關重要。因此，對本章試驗所用的圓管截面不銹鋼進行了三組材性試驗。 試驗機介紹材性試驗所用的儀器為：1000KN液壓萬能試驗機，如圖49，液壓萬能試驗機用于各種金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲和剪切試驗，以及一些產(chǎn)品的特殊試驗。圖49 1000KN液壓萬能試驗機 圓鋼管拉伸試驗介紹由于本試驗所選用的不銹鋼圓鋼管為小截面管材料，不方便在管材上截取標準材性試驗試件，因此，根據(jù)GBT2282002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》中規(guī)定，可以直接取一定長度的管材作為材性試件，圓形截面鋼管拉伸試驗的試件設計樣圖如圖410所示：圖410 圓鋼管材性試驗設計圖加工完成后的不銹鋼圓管試件如圖411所示：圖411 不銹鋼圓管的材性試件材性試驗的加載過程如圖412所示：圖412 圓管材性試驗加載圖本試驗采用的是位移的加載方式，在三組試驗中，1號試件和3號試件靠近在試驗機固定端的鋼管發(fā)生頸縮，最后拉斷，2號試件則在中段被拉斷。試驗完成后不銹鋼圓管的破壞圖如圖413所示：圖413 圓鋼管材性試驗破壞形式 不銹鋼鋼管拉伸試驗結(jié)果分析由于圓鋼管的材性試驗為試驗機在試件上施加位移，容易得知圓鋼管的破壞形式為在試件某一位置處方鋼管出現(xiàn)明顯的變形，然后被拉斷。試件1和試件3的破壞形式和破壞位置均相似，所得的結(jié)果如表42所示：表42 圓管材性試驗結(jié)果試件編號屈服應力（MPa）極限應力（MPa）失效應變123平均值由表中數(shù)據(jù)可知，。 沖擊試驗步驟（1）首先定制夾具，將夾具固定在自由落錘實驗架上，將實驗用鋼拱固定在夾具上，拱腳固支。（2）；安裝數(shù)據(jù)采集裝置，并進行調(diào)試和初始化。（3）通過調(diào)整落錘高度為撞擊體提供不同的設計初始速度。撞擊速度為8 m/s兩種，落錘質(zhì)量分345公斤兩檔，管徑/壁厚為10/1mm。，、。（4）手動放下落錘，進行落點對中，然后根據(jù)實驗設計的速度自動提升落錘到預定位置，電控放錘，實現(xiàn)撞擊過程，然后裝置自動完成抓錘動作。同時完成動態(tài)應變數(shù)據(jù)采集和圖像采集過程。（5）對測點應變時程曲線進行數(shù)據(jù)整理、分析。（6）通過處理以上試驗數(shù)據(jù)，和數(shù)值結(jié)果進行對照、分析。 有限元數(shù)值模擬本試驗擬采集格構(gòu)式鋼管拱受沖擊過程中的應變時程數(shù)據(jù)，并將其與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進行對照分析，所以建立的有限元模型中的對應單元需要輸出的應變值。本文在第三章采用ABAQUS中的三維線性梁單元B31建立有限元模型。ABAQUS中的應用梁單元可以通過ABAQUS提供的橫截面庫中選擇和指定橫截面的形狀和尺度或應用截面工程性質(zhì)來定義一個一般性的梁輪廓，如面積和慣性矩。當采用ABAQUS提供的橫截面庫定義梁橫截面，并選擇在分析過程中計算橫截面的工程性質(zhì)時，ABAQUS通過分布于梁橫截面上的一組截面點計算梁單元的響應?？梢栽谌我庖粋€截面點上要求輸出單元的輸出變量，如應力和應變；但是，ABAQUS僅在幾個選定的截面點上提供默認的輸出。對于本數(shù)值模擬中將采用的環(huán)形截面，所有的截面點如圖46所示。對于該截面，在點5和7上提供了默認的輸出。可見，使用ABAQUS中的三維線性梁單元B31建立有限元模型，可以滿足本試驗對應變輸出的要求。圖414 三維梁單元的默認截面點本章在第三章中缺陷格構(gòu)式鋼拱沖擊模型的基礎上保持其他條件不變，改變格構(gòu)式鋼拱的長度和剛體沖擊初始速度，模擬了含初始缺陷格構(gòu)式鋼管拱在剛體橫向沖擊下的動力屈曲過程，與試驗結(jié)果進行分析比較。圖415是在ABAQUS中用三維線性梁單元B31建立的有限元模型圖，模擬橫向沖擊過程。模型中沖擊塊用剛性單元模擬，在剛體上方的剛性參考節(jié)點處定義一個質(zhì)量單元，賦給其沖擊塊的質(zhì)量m=35Kg，剛體豎向初速度V0為系統(tǒng)的初始條件，V0的數(shù)值參照表41，邊界條件為格構(gòu)式鋼拱的兩端固支。圖 415 受沖擊含缺陷格構(gòu)式鋼拱有限元模型格構(gòu)式鋼拱中引入的初始缺陷為靜力計算的前五階階整體階屈曲模態(tài)，模態(tài)計算時荷載為梁的自重。構(gòu)件初始變形在有限元建模中統(tǒng)一考慮為為梁長的1/1000。不同特征模態(tài)的擾動量級參照第三章中的表31。 本章小結(jié)本章詳細介紹了沖擊試驗的試驗設備條件，試件設計和加工，試件管材材性試驗，試驗步驟及有限元數(shù)值模擬。，采用應變電測試技術對格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的動力響應進行試驗研究，設計制作不同沖擊速度、不同落錘質(zhì)量和不同矢跨比的5個試件進行落錘沖擊試驗，并擬用動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集監(jiān)測點處的應變信息。2. 為了保證試驗和數(shù)值模擬的合理性，進行了圓形截面不銹鋼材料的材性試驗，將材料信息用于與試驗研究對應的數(shù)值模擬部分，由材性試驗得出，。3. 參照試驗設計模型進行有限元模型建立，并賦予材性試驗所得的材料信息，并在有限元模型中引入初始缺陷，參照試驗設計的工況，進行各工況下的數(shù)值模擬計算。中國農(nóng)業(yè)大學碩士學位論文 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗結(jié)果分析 第五章 格構(gòu)拱沖擊試驗結(jié)果分析本章在對第四章試驗中所采集到的數(shù)據(jù)進行分析，并將與有限元ABAQUS數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，進而得到格構(gòu)式鋼拱在沖擊作用下的屈曲特性。由于試驗中采集頻率為20000HZ，采集到的信號受環(huán)境和電流擾動影響較大，信號中出現(xiàn)大量雜波，在數(shù)據(jù)的處理中需要對信號進行降噪處理。本章使用數(shù)學軟件MATLAB，運用小波分析對試驗采集到的數(shù)據(jù)進行信號降噪，得到了較好的處理結(jié)果。 小波理論與MATLAB基礎顧名思義，小波（Wavelet）就是小的波形。所謂“小”是指它具有衰減性；“波”則是指它的波動性，其振幅為正負相間的振蕩形式。小波分析屬于時頻分析的一種。傳統(tǒng)的傅里葉分析中，信號完全是在頻域展開的，不包含任何時域信息。這對于某些應用來說很恰當，因為信號頻率的信息對其是非常重要的。但其丟棄的時域信息可能對某些應用同樣非常重要，所以人們對傅里葉分析進行了推廣，提出了很多能表征時域和頻域信息的信號分析方法，如短時傅里葉變換、Gabor變換、小波變換等。傅立葉變換，也稱作傅里葉變換，表示能將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成三角函數(shù)（正弦和或余弦函數(shù)）或者它們的積分的線性組合。一個連續(xù)的信號可以看作是一個個小信號的疊加，從時域疊加與從頻域疊加都可以組成原來的信號，將信號這么分解后有助于處理。傅立葉變換就是把一個信號，分解成無數(shù)的正弦波（或者余弦波）信號。也就是說，用無數(shù)的正弦波，可以合成任何你所需要的信號。傅里葉變換是眾多科學領域（特別是信號處理、圖像處理、量子物理等）里的重要的應用工具之一。與傅里葉變換相比，小波變換是時間（空間）頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號（函數(shù)）逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)，解決了傅里葉變換的困難問題，成為繼傅里葉變換以來在科學方法上的重大突破。有人把小波變換稱為“數(shù)學顯微鏡”。 MATLAB軟件小波分析基礎MATLAB是Matrix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，是以線性數(shù)學軟件包LINPACK和特征值計算軟件EISPACK中子程序為基礎發(fā)展起來的，運用于科學計算和數(shù)據(jù)可視化的開放型高級編程語言。其主要優(yōu)點：（1） 用于高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算中解脫出來；（2） 擁有完備的圖形處理能力，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；（3） 友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，易于學習和掌握；（4） 功能豐富的應用工具箱（如信號處理工具箱、通信工具箱、小波分析）等，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。MATLAB軟件中直接提供了可視化的小波分析工具——小波分析工具箱，是一個很好地算法研究和工程設計、仿真和應用的平臺。特別適合于信號和圖像分析、綜合、去噪、壓縮等領域的研究。MATLAB小波分析工具箱中提供了通用的小波基函數(shù)和基于小波變換的信號去噪功能。其還擁有操作簡便的圖形用戶界面，也方便了對大量的信號的處理。圖51為小波圖形用戶界面的效果圖。圖51 小波圖形用戶界面效果圖