电磁参数激励悬臂梁实验装置制造方法及图纸

一种电磁参数激励悬臂梁实验装置，由电磁参数激励模块及悬臂梁模块组成，特征在于：所述的电磁参数激励模块，为一电磁弹簧，包括：一对线圈；均是由漆包铜线按一定方向缠绕在线圈框架上，将一对线圈分别固定在悬臂梁的两个侧面，并且首尾导线连接；稀土永磁铁；固定及间距调节系统，包括：固定支架、不锈钢螺钉、地脚螺栓和六角螺母；用于支承和固定稀土永磁铁，并能够调节两块磁铁的间距；供电系统，包括：直流稳压／交流电源、电阻、电流表和导线；垫块，为长方体形式，材料为钢；垫于悬臂梁试件夹持端的根部；夹持装置，该夹持部分设计为“Ｕ”型槽形式，且一边沿水平高度方向攻有螺纹孔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电磁参数激励悬臂梁实验装置，是一种刚度参数激励实验装置，具有激励幅值频率和相位可以精确实时可控、可以模拟较大的参数激励强度、便于实验室 实现、有效避免非线性因素干扰的特点。
技术介绍
由于系统参数(主要是刚度)的周期时变性，工程上许多振动问题归结为参数振 动问题。在某些参数组合下，由时变刚度引起的参数激励将导致系统不稳定和剧烈地振动； 系统在参数激励和外激励共同作用下的振动响应对于系统的工作平稳性、可靠性和寿命具 有重要影响。因此，研究参数振动系统的动态特性是机械与结构(尤其是航空航天结构) 动力学的前沿问题，目前已取得了许多重要的理论成果，这些成果迫切需要实验研究验证。 长期以来，针对一些典型参数振动系统，如梁板动力稳定性、带裂纹转子系统、 输流管道系统、轴向移动带、单摆系统、船舶参激横摇振动和载重绳索的横向参数振动系统 等，人们试图采用实验手段研究其动态特性，但普遍存在着实验装置难以实现、非线性因素 影响、参数振动系统的动态特性现象不突出等诸多问题。前苏联Tsyfansky等人提出了采 用纯机械手段实现具有周期弹性的机械元件，但存在的问题是可靠性不高且刚度变化幅值 小，即参数激励强度有限，不能模拟具有较大时变刚度激励强度的参数振动系统(如齿轮 传动系统)。另外，目前的实验装置尚无法同时实现多个参数激励源，且各个激励源之间存 在频率、幅值和相位差别时的情况。而这一情况在实际中是普遍存在的，如多级齿轮传动系 统，不同齿轮间的啮合刚度的时变频率、幅值和相位是存在差异的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种电磁参数激励悬臂梁实验装置，已解决现有技术中存 在的问题。 —种电磁参数激励悬臂梁实验装置，该装置包括电磁参数激励模块(A)和悬臂 梁模块(B)。 对于电磁参数激励模块，包括线圈A1、稀土永磁铁A2、固定及间距调节系统A3、 供电系统A4四部分。各部分的具体内容及其功用如下 线圈A1，是由漆包铜线按一定方向(顺时针或拟时针)缠绕在线圈框架上制成。将 一对线圈分别固定在梁上两个侧面，并且首尾导线连接。当线圈通入电流时，与稀土永磁铁 组成电磁弹簧，用于产生电磁参数激励。所述的线圈框架设计成空心，且由非铁质材料(如 塑料、铝和铜等，考虑到质量不能太大，一般选择塑料)制成； 稀土永磁铁A2，为标准件，可从市场上购买。用于提供稳定的磁场， 一个电磁弹簧 通常需要一对永磁铁； 固定及间距调节系统A3，是一组合加工件，包括固定支架、不锈钢螺钉、地脚螺 栓和六角螺母。其作用是；固定永磁铁，能够调节两块永磁铁的间距，并保证永磁铁与线圈对中和表面平行； 供电系统A4，由直流稳压/交流电源、电阻、电流表和若干导线组成，用于向线圈 提供直流或交流电流； 对于悬臂梁模块，包括悬臂梁试件B1和夹持系统B2。各部分的内容及其功用如 下 悬臂梁试件B1，采用矩形截面梁，材料为非铁质材料；一端固定，一端自由；悬臂梁的夹持端采用垫片保护，防止夹持过程中损坏梁； 夹持系统B2，该夹持部分设计为U型槽形式，且一边沿水平高度方向攻有螺纹 孔。用于夹持并固定梁端，使得梁处于一端固定， 一端自由的悬臂状态。 其中，所述的固定支架采用硬铝材料。 其中，所述的悬臂梁试件材料为铝。 其中，连接线圈正负极的导线需经过悬臂梁身，并从悬臂梁夹持端根部引出。 电磁参数激励模块，是一种刚度可变的电磁弹簧装置，其原理如图1所示。假定图 1中线圈处于平衡位置，那么当线圈向上或向下移动时，由于两块永磁铁对其作用力不同， 线圈将受到类似于普通弹簧的回复力作用。若两磁铁对其作用力为斥力(图1中所示)， 弹簧回复力将使得线圈趋近平衡位置，此时电磁弹簧具有正刚度;若改变线圈电流方向， 使得永磁铁对线圈作用力为引力(与图中所示线圈极性相反)，那么弹簧回复力将使得线 圈远离平衡位置，此时电磁弹簧具有负刚度。当电流幅值变化时，空心线圈的磁场将产生 变化。相同位移时，永磁铁对线圈的作用力也将变化，从而导致电磁弹簧的刚度大小发生变 化；当电流方向变化时，使得电磁弹簧的刚度方向也相应改变(如由正刚度变为负刚 度)。 所述的电磁参数激励模块可以实现刚度参数激励，激励的幅值和频率由线圈电流 精确实时控制，是通过两方面实现的一是电磁弹簧的刚度与线圈电流呈线性正比关系； 另一方面是所述的线圈框架设计成空心结构，且由非铁质材料制成。数值和实验研究结果 均表明，电磁弹簧的刚度与线圈电流呈线性正比关系。通过调节线圈电流的大小和方向，可 以精确控制弹簧刚度的大小和方向。由于采用了空心(非铁芯)设计，线圈磁场随电流瞬 时变化，使得电磁弹簧的刚度能够随电流实时变化。当输入电流为交流(如简谐波、矩形 波、锯齿波和三角波等)时，电磁弹簧刚度随时间以相同形式周期变化，并不存在失真和滞 后现象。综上所述，利用电磁参数激励模块可以实现刚度参数激励，激励的幅值和频率可由 线圈电流精确实时控制。 除了与电流外，电磁参数激励模块即电磁弹簧刚度大小还与稀土永磁铁的剩磁感 应强度和矫顽力、线圈匝数、线圈直径(图1中d)、稀土永磁铁直径(图1中D)和稀土永 磁铁间距(图1中L)相关。下面将从定性和定量角度说明电磁弹簧刚度的设计方法从定 性角度说，电流一定时，增加永磁铁的剩磁感应强度、矫顽力和线圈匝数，均能使得电磁弹 簧的刚度增加；而增加永磁铁间距，将使弹簧刚度降低。当线圈直径等于或接近永磁铁直径 时，弹簧刚度较高。当线圈直径小于或者大于永磁铁直径时，弹簧刚度均较小。 从定量角度说，利用商用有限元软件ANSYS的电磁分析模块(Emag)对电磁弹簧装 置进行建模(典型有限元模型如图2所示，由于是周期对称结构，只给出1/18扇区模型)， 并采用虚功原理(Virtual Work)计算不同电流时，线圈位移——弹簧回复力(即通电线圈所受磁场力)曲线(典型结果如图3所示)，进而得到电磁弹簧刚度(图3所示曲线的斜 率)。在实际应用中，合理选择电磁弹簧参数，利用上述方法可以设计出预定的弹簧刚度。 以上阐述了电磁参数激励模块产生刚度参数激励的原理，并给出了该模块刚度的 设计方法。下面将说明整个实验装置的工作原理及其设计依据。将电磁参数激励模块作用 于悬臂梁的横向，构成了实验装置，用于模拟实际中具有刚度参数激励的机械或结构系统。 依据施加的电磁参数激励模块的个数不同，分为两种类型单电磁参数激励悬臂梁实验装 置和多电磁参数激励悬臂梁实验装置。 对于单电磁参数激励悬臂梁装置，通过定性和定量两个角度设计不同参数激励强 度的电磁参数激励悬臂梁实验装置从定性角度，通过增加电磁弹簧刚度、降低悬臂梁固有 频率，均能增强实验装置的参数激励强度；从定量角度，采用有限元软件ANSYS的电磁分析 模块进行建模，并利用迦辽金方法计算确定实验装置的参数激励强度。 如图4所示，可以看出，悬臂梁自身刚度与电磁弹簧刚度是并联关系。通过调节悬 臂梁的几何参数(长度1，横截面厚度h和宽度b)、电磁弹簧在悬臂梁上的布置位置x。和 电磁弹簧相关参数，可以设计出具有不同参数激励强度的实验装置。首先定义参数激励强 度因子 S, = ;y-y ( 1 ) 其中k为电磁弹簧刚度峰值，M为悬臂梁质量，i为带集中质量的悬臂梁第i阶 (i = 1，2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁参数激励悬臂梁实验装置，由电磁参数激励模块及悬臂梁模块组成，特征在于：所述的电磁参数激励模块，为一电磁弹簧，具体包括：一对线圈；均是由漆包铜线按一定方向缠绕在线圈框架上，将一对线圈分别固定在悬臂梁的两个侧面，并且首尾导线连接；稀土永磁铁；固定及间距调节系统，包括：固定支架、不锈钢螺钉、地脚螺栓和六角螺母；用于支承和固定稀土永磁铁，并能够调节两块磁铁的间距；供电系统，包括：直流稳压／交流电源、电阻、电流表和导线；所述的悬臂梁模块：包括：悬臂梁试件，一端固定，另一端自由；垫块，为长方体形式，材料为钢；垫于悬臂梁试件夹持端的根部；夹持装置，该夹持部分设计为“Ｕ”型槽形式，且一边沿水平高度方向攻有螺纹孔。

【技术特征摘要】
一种电磁参数激励悬臂梁实验装置，由电磁参数激励模块及悬臂梁模块组成，特征在于所述的电磁参数激励模块，为一电磁弹簧，具体包括一对线圈；均是由漆包铜线按一定方向缠绕在线圈框架上，将一对线圈分别固定在悬臂梁的两个侧面，并且首尾导线连接；稀土永磁铁；固定及间距调节系统，包括固定支架、不锈钢螺钉、地脚螺栓和六角螺母；用于支承和固定稀土永磁铁，并能够调节两块磁铁的间距；供电系统，包括直流稳压/交流电源、电阻、电流表和导线；所述的悬臂梁模块包括悬臂梁试件，一端固定，另一端自由；垫块，为长方体形式，材料为钢；垫于悬臂梁试件夹持端的根部；夹持装置，该夹持部分设计为“U”型槽形式，且一边沿水平高度方向攻有螺纹孔。2. 根据权利要求1所述的电磁参数激励悬臂梁实验装置，特征在于所述的电磁参数 激励模块能够实现刚度参数激励，激励的幅值和频率由线圈电流精确实时控制，是通过两 方面实现的一是电磁弹簧的刚度与线圈电流呈线性正比关系；另一方面是所述的线圈框 架设计成空心结构，且由非铁质材料制成。3. 根据权利要求1所述的电磁参数激励悬臂梁实验装置，特征在于所述的电磁参数 激励模块通过定性和定量方法进行设计从定性角度，电流一定时，增加稀土永磁铁的剩磁 感应强度、矫顽力和线圈匝数，均能使得电磁弹簧的刚度增加；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建军，韩勤锴，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]