动力特性试验

动力特性试验（精选十篇）

动力特性试验 篇1

辽西地区处于我国季节性冻土冻害比较严重的地区。由于交通的迅速发展特别是国家路网的布局, 使得该区的交通量增大, 路基的病害日益严重。因此对于该区冻土路基动力学性质的研究就成为了十分重要的课题。本文结合辽西地区风积冻土路基病害防治的工程需求, 利用大型冻融试验设备和振动三轴试验机, 对动荷载作用下该地区的风积冻土的动力学性质进行了试验研究。

1 试验方案

该实验土样取自锦承铁路下行线K76+500处路基附近。根据GB50123/T-99土工试验方法标准, 未冻土的常规物理力学性质指标如表1所示。

制备土样时取土的干容重为1.7g/cm3。用蒸馏水将干土配置成不同含水量的湿土试样。将该湿土分4～8层装入直径为39.1mm、高度为80mm的试样筒中。每层击实约10～12下。然后对土样抽气饱水约24h后, 将脱模试样放入低温控制器中。该控制器最低温度为-50℃。根据辽西地区的温度特征, 将该土样在-20℃的条件下冻结48h后放入恒温试验箱, 再经过24h的恒温后开始试验。

试验在电磁式振动三轴试验机上进行。试验中通过控制轴压、围压、频率、波形、振动次数和破坏标准等条件来完成试验所需的参数, 控制条件采用三水平六因素的试验方法[8,9], 如表2所示。为模拟列车荷载的作用特性以及结合该试验机所具有的性能, 将列车荷载转化为等幅值正弦循环荷载, 如图1所示。

2 动强度

动三轴试验可直接得出轴向应力与破坏周数的关系曲线, 表示为σd～lg (Nf) 曲线。在土力学中常用剪切强度τd, 即试样在45°面上的剪应力τd=σd/2来表示, 因而动剪应力强度曲线为τd～lg (Nf) 曲线。σd是轴向动应力幅值, Nf为达到破坏标准时的振动周次。图2～图5为不同试验条件下的辽西地区冻风积土的动抗剪强度曲线。动剪应力τd随破坏振次的增加而降低。试验成果与一般土体动强度变化规律相符。

2.1 围压对冻抗剪强度的影响

从图2可以看出, 在相同的动应力幅值、温度、含水量以及相同的振动次数条件下, 冻土的动剪切强度随着围压的增加而增加。在围压σ3c=150kPa条件下, 冻土的动抗剪切强度可以达到29.98kPa, 远远高于σ3c=50kPa条件下的20.88kPa。

2.2 动应力幅值对冻抗剪强度的影响

从图3可以看出, 在相同的含水量、围压、温度和振动次数条件下, 动应力幅值越大, 冻土动剪切强度越大。由于本次试验试件所受的围压大于动应力幅值的最大值, 所以试件在长期振动条件下仍保持较高的动剪切强度。从图中可以看到低温冻土的动剪切强度要高于未动土的动剪切强度, 其原因由于发生冻结作用, 试样含冰量增加, 水分减少, 而土与冰的胶结能力较土与水的胶结能力要强[10], 所以才导致低温冻土具有较高的抗剪强度。

2.3 温度对冻抗剪强度的影响

温度是影响冻土动抗剪强度的重要影响因素, 从图4可以看出, 在相同的围压、动应力幅值、含水量和相同的振次水平条件下, 随着土样温度的降低, 低温冻土的动抗剪强度要高于高温冻土的动抗剪强度。即温度越低, 冻土的抗剪强度越大。这也就造成了在低温条件下冻土路基不但不破坏, 反而具有良好的整体稳定性和高度。但当气温上升时, 冻土中含冰量减少, 含水量增加, 导致路基整体的承载力下降, 从而产生翻浆、冒泥等病害。

2.4 含水量对冻抗剪强度的影响

冻土中含水量的多少是影响土体冻胀的重要因素, 也是影响冻土动剪切强度的重要因素。从图5可以看到较低的温度条件下, 在相同的围压、动应力水平和振动次数等条件下, 冻土的动剪切强度随着含水量的增加而增加。这是由于在较低的温度下土样中含冰量增加导致土体水分减少, 由水冻结而成的冰与土样的胶结能力好于土体与水的胶结能力的缘故。

2.5 振动次数对冻抗剪强度的影响

从图2～图5可以看出, 冻土的动抗剪强度随着振动次数的增加而减小。且当振动次数超过1000次时, 在上述条件下, 试样大部分会产生破坏。这是由于随着振动次数的增加, 破坏了土体中原有的结构, 使得土体出现结构性损伤以致达到破坏。因此振动水平是影响土体动剪切强度的重要因素。从图5中还可以看到, 冻土的动抗剪强度与振动次数直剪呈现良好的指数关系, 即

Y=A (lgNf) -B

式中: Y—冻土动抗剪强度 (kPa) ;

Nf—振动次数;

系数A、B的数值及相关系数见图2～图4。

3 结论

通过对取自锦承线铁路下行线K76+500处路基附近的土体的低温振动三轴试验, 获得了该土体的动强度特征和主要影响因素, 结果表明动荷载是影响冻土力学性质不稳定性的重要因素。

试验结果表明, 冻土的动强度随着围压和动应力幅值的增加而增加;随着温度的降低, 土体的动剪切强度增加;在较低温度条件下, 土体的动剪切强度随着含水量的增加而增加, 这与未冻土剪切强度随含水量的变化是不同的。

土体的动剪切强度随着振动次数的增加而降低, 且呈现明显的指数关系。而随着振动次数的增加, 土体的动剪切强度出现明显的降低, 这直接导致了土体出现损伤或破坏, 严重地影响了列车的运营安全。

摘要：路基土体的动力学参数是铁路设计的重要依据之一。基于冻土特殊的物理力学性质以及在列车振动荷载作用下铁路路基严重破坏的事实, 进行了冻土在不同围压、动应力幅值、温度以及含水量条件下的振动三轴试验, 获得了冻土的动力学参数以及动剪切强度与上述条件的关系。试验结果表明:随着围压、动应力幅值的增加和温度的降低, 土体的动剪切强度增加。在冻结条件下, 随着土样含水量的增加, 冻土的动剪切强度增加, 这与未冻结土的动强度变化规律完全不同。

关键词：冻土,路基,动荷载,动剪切强度,动应力幅值

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加筋土动力特性的三轴试验研究 篇2

为了研究加筋土的抗震性能,在GDS高级动态三轴测试系统上对不同加筋层数的`试样进行了不同围压和不同动应力作用下的动三轴试验.试验结果表明:动荷载作用下加筋可以约束土体的侧向变形,增强土体的抗震性能,但其效果与加筋层数有关;轴向累积应变与时间成对数关系.随动应力幅值的增加,试样轴向累积应变增大.围压越大,轴向累积应变越大.

作 者：谢婉丽 薛建功 常波 Xie Wanli Xue Jiangong Chang Bo 作者单位：谢婉丽,常波,Xie Wanli,Chang Bo(西北大学,地质系/大陆动力学国家重点实验室,陕西,西安,710069)

薛建功,Xue Jiangong(陕西省公路局,陕西,西安,710069)

动力特性试验 篇3

关键词：液压挖掘机；混合动力系统；节能；仿真模型；试验研究

中图分类号：TH39文献标识码：A

Energy Saving Performance and Experimental Study

on Hybrid System of Hydraulic Excavator

LIU Changsheng1， HE Qinghua1，2， GONG Jun1， ZHAO Yuming1

（1.State Key Laboratory of High Performance Complicated， Central South Univ， Changsha，Hunan410083， China；

2.Sunward Intelligent Equipment Co Ltd， Changsha，Hunan410100，China）

Abstract：Based on low utilization rate of energy and high fuel consumption， the energy losses in the hydraulic excavator during typical working condition were analyzed， and the major directions of the energy saving research for the hybrid power system were derived. A parallel hydraulic & electric configuration for hybrid excavator was proposed based on capacitor and motor. For the hybrid power system based on SUNWARD 20T hybrid excavator， the paper established simulation model， and the effect of the power coupling characteristics， the control strategy， the capacitors State Of Charge on the hybrid excavator were studied by contrast calculation and simulation. And the key parameters were optimized and matched. At last the energy saving effect was studied by building test platform of hybrid system， and found that adopting the parallel hydraulic & electric system， selecting the appropriate parameters in power coupling， instantaneous optimization of control strategy， compensating parameter of capacitor SOC are helpful to improve the energy saving effect of hybrid excavator， and the energy saving efficiency can reach above 20%.

Key words： hydraulic excavator； hybrid system； energy saving； simulation model； experimental study

鉴于全球范围内能源短缺以及日趋严格的排放法规，各工程机械制造商和研究机构开始重视工程机械节能技术的研究与应用.作为工程机械的典型产品——液压挖掘机，由于其负载工况恶劣，发动机受到负载波动的影响大，工作点大部分时间处于低效区，而且系统在能量传递过程中损失大，重力势能和制动动能转为热能浪费严重，造成油耗大，能量利用率低，排放增加.因此，展开节能减排技术研究，降低油耗、减少排放、提高挖掘机能量利用率已成为当前国内外研究热点[1，2].

近年来，混合动力挖掘机的研究已成为工程机械行业内技术人士关注的焦点.自2004年日本小松公司研制出世界上第一台混合动力挖掘机后，国内外挖掘机制造企业如日本的神钢、日立建机以及美国的卡特彼勒等都开展了混合动力挖掘机研究工作[3-8].国内山河智能、柳工等已开始研究混合动力技术在挖掘机上的应用，并完成了样机研制[9].浙江大学张彦廷、王冬云等对混合动力系统的节能效果、控制策略和节能方案等进行了仿真研究[10-11].中南大学李铁辉对混合动力挖掘机能量回收系统、参数匹配、控制算法等进行了建模仿真和试验研究[12].

本文以液压挖掘机为研究对象，分析液压挖掘机在典型作业工况下的能耗损失、节能潜力以及能量回收的主要途径.设计基于超级电容与电机的并联式油电混合动力节能方案，建立系统仿真模型，分析系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对整机节能效果的影响，并对关键参数进行了优化匹配.搭建挖掘机混合动力系统试验平台，对系统的节能效果和关键参数优化匹配进行试验验证.

1液压挖掘机能量损耗分析

1.1挖掘机工况分析

液压挖掘机的典型作业模式主要为挖掘土方作业，以山河智能公司20吨级液压挖掘机为研究对象，在分析其实地测试数据的基础上，可得到液压挖掘机作业工况循环下的功率.图1为挖掘机的典型作业循环，在单个挖掘作业周期内，液压挖掘机先后完成了挖掘、满载举升回转、卸载和空载返回四个阶段.

1.2挖掘机能耗分析

液压挖掘机在作业过程中，发动机通过液压泵输出动力来驱动工作装置（动臂、斗杆、铲斗）进行挖掘，以及驱动转台回转.此工况下挖掘机为定点挖掘，无行走动作，执行元件行走马达不产生功率消耗.

液压挖掘机挖掘作业工况的需求功率和能量为

为了便于分析和比较，选取液压泵的总输出能量为基准值，计算得到的各单元能量损耗均取此基准值的相对值.根据山河智能20吨级液压挖掘机的性能参数和实测试验数据，计算得到挖掘机在典型挖掘作业循环中各液压执行元件的能量损耗比，如图2所示.

由图2可知，回转动作能耗在液压挖掘机典型挖掘作业工作循环总能耗中所占比重较大，达到了38%，因此可将回转系统作为液压挖掘机节能的研究对象.另一方面，液压挖掘机动力系统具有波动性和周期性强的特点，其负载功率曲线如图3所示，发动机在该负载工况下输出功率变化范围大、波动剧烈，造成工作点远离最佳高效工作区域，工作效率低下，能量利用率不高，所以研究动力源与负载的功率匹配实现发动机工作在高效区对挖掘机节能也具有重要意义.

2混合动力系统结构与原理

液压挖掘机传统动力系统中柴油发动机作为驱动液压泵的唯一动力源，液压泵吸收发动机输出的功率并输出压力油驱动各执行机构，挖掘机工作时的制动能均以节流的方式转化为热能消耗.根据前文分析，在传统液压挖掘机的基础上，结合国内外应用最广泛的混合动力驱动技术，设计得到本文的液压挖掘机并联式混合动力系统整体方案，主要增加了油电混合驱动单元、电回转驱动与制动单元、电储能单元以及整机能量管理单元.如图4所示.

在该系统中，驱动电机通过动力耦合作为辅助动力源，与发动机共同协调驱动负载.具体地，当液压泵需求功率高于发动机高效功率段时，驱动电机工作在电动模式，辅助发动机驱动液压泵工作；同理当液压泵需求功率较小时，驱动电机工作在发电模式，吸收发动机的多余功率，并储存在电储能系统.这样实现对外负载的“削峰填谷”作用，以稳定发动机工况，保证其工作在合理高效工作区间来获得较优的燃油经济性.

针对液压挖掘机回转系统特点，采用回转电机来实现转台驱动及回转制动能量的回收再利用.这样不仅能避免回转启动时原液压马达产生的溢流损失，而且能在回转制动过程中将回转平台的动能实现回收再利用，提高能量利用率.

3理论结果及分析

3.1混合动力系统仿真建模

为了从理论上对液压挖掘机混合动力系统进行仿真评价，在分析系统各单元元件数学模型的基础上，在AMESim环境下建立了混合动力系统仿真模型，如图5所示.模型中变量泵出口压力由比例溢流阀控制，来模拟挖掘机负载压力；主泵的输出流量可通过调节变量泵排量和发动机转速实现，来模拟负载流量.变量泵出口压力和流量数据可通过液压挖掘机实际工作过程采集获得.

这里以20吨级液压挖掘机为混合动力系统平台进行仿真分析，整车和动力系统的主要参数如表1所示.

3.2动力耦合特性

在混合动力系统中，发动机持续提供挖掘机作业负载的平均功率输出，与其同轴并联耦合的驱动电机则输出负载需求力矩与发动机目标力矩的差值，辅助发动机提供重载挖掘时的大功率输出或轻载时的输入储能.因此，驱动电机的力矩响应特性对其与发动机、液压泵的动力耦合性能的影响较大.图6（a）～（d）为驱动电机力矩响应时间分别在300 ms，150 ms，100 ms，10 ms时的系统力矩分配曲线.从图中可知，驱动电机力矩响应特性对发动机力矩输出的稳定性有较大影响，其力矩响应时间越快，发动机输出力矩曲线波动越小，工作更平稳.

3.3动力系统控制策略

混合动力系统控制策略是整个系统的研究重点，它的优劣将直接影响到挖掘机节能减排的效果.目前常用的控制策略主要为基于规则的逻辑门限控制、自适应PID控制等[13-15].

这里提出一种以系统瞬时全局能量消耗率最小为目标的优化控制策略，在所设定的挖掘机负载条件下，决定发动机、超级电容、驱动电机和回转电机之间的最优输入输出功率分配，使系统在挖掘机工作过程中的瞬时能量消耗最少.

具体方法是通过将系统各能量单元的输入输出功率等效为发动机能量消耗方程，从而建立混合动力系统瞬时全局能量消耗率最小的目标函数，以功率守恒和负载需求为条件，求出最优解.以系统瞬时全局能量消耗率最小为基础进行动力分配的同时还引入超级电容SOC（State of Change，荷电状态）补偿函数，保证SOC稳定在安全合理范围内.

建立系统等效能量消耗函数为

3.4超级电容SOC

前文的瞬时优化控制策略在综合考虑混合动力系统能量消耗率最小的同时，还需考虑超级电容的工作荷电范围SOC，通过加入SOC补偿函数，采取主动策略来实现SOC保持在合理波动范围.

SOC补偿函数如下式所示

其中：Sop为超级电容最优工作点；λ为电容SOC调整系数.考虑到挖掘机实际工况和超级电容特性，避免出现过充过放现象，电容SOC的正常工作范围设为50%～90%，最优工作点为70%，以保证超级电容可以同时满足驱动电机工作或能量回收充电的需求.

当超级电容SOC偏离工作荷电状态上下限值时，通过提高或降低电机与超级电容的等效能量消耗率，来使等效能量目标函数的最优解趋向于放电释能或充电储能.所以通过标定调整系数λ，来保持电容SOC在合理工作范围.若取λ>0，从式中可以得出，当SOC>Sop时， α<1，函数最优解趋向于放电释能；当SOC1，函数最优解趋向于充电储能，使电容SOC维持在最优工作点Sop附近.

图8是液压挖掘机混合动力系统在调整系数λ不同取值下的超级电容SOC波动范围，由图中可得，当瞬时优化控制策略未引入补偿函数α时（即α=1），SOC的波动范围为24%到100%，波动相对值大于75%，超出了超级电容工作荷电状态上限，出现了电容过充现象，这表示单纯的全局优化控制策略无法保持电容SOC的稳定工作.当λ取0.1时，SOC波动范围相对值缩小至54%，随着λ取值增大，SOC的波动范围越来越小，趋于稳定在最优工作区间，具体如表3所示.

所以在同一工况下，λ取值越大，超级电容SOC的波动范围越小.但需要注意的是，若λ取值太大，则SOC工作区间小，能量储存和释放的容量就越小，系统功率分配和能量回收功能无法实现最优原则，最终将对系统综合能量消耗率造成影响.因此系数λ的取值应在保证电容SOC允许范围内尽可能选最小值，根据超级电容的工作特性，以SOC波动范围相对值在40%作为λ取值的条件，选取λ=0.18.

4试验研究

根据系统方案设计和仿真结果分析，在山河智能20吨级挖掘机上搭建混合动力系统试验平台，在典型挖掘作业循环下进行节能效果研究并验证关键参数优化匹配的有效性，如图9所示.系统中的驱动电机单元、回转电机单元、超级电容单元、整车控制器及笔记本电脑通过CAN总线连接，整车控制器作为下位机来采集传感器和手柄操作数据，对混合动力系统输出控制指令，并向上位机笔记本电脑发送传感器实时数据和系统状态反馈数据，上位机完成系统状态实时显示和测试数据的存储.

图10为挖掘机混合动力系统在瞬时优化控制策略下的能量消耗曲线.在70 s测试时间里，传统液压系统和基于瞬时优化控制策略的混合动力系统所消耗能量分别为1 134 kJ，867 kJ，节能效率改善达到23.6%.与传统液压系统相比，瞬时优化控制策略在混合动力系统工作过程中进行功率最优分配使能量消耗明显减少，燃油经济性更高.图11为混合动力系统中超级电容SOC波动曲线，由图中可以看出，引入SOC补偿函数并取适当的调整系数λ，系统在实现较高节能效率的同时，保持超级电容SOC工作在50%～90%的合理波动范围内.

根据挖掘机液压系统负流量特性，当主阀处于中位时，液压泵泵口压力较低，输出流量小，设计当斗杆在外摆行程终点时，快速操作手柄以获得主泵溢流压力使发动机受到冲击负载，来验证驱动电机电动力矩响应性.如图12所示，在21 s前发动机受到冲击负载的影响，转速从1 820 r/min掉至1 707 r/min，从29 s开始引入驱动电机力矩200 N·m，发动机输出力矩从617 N·m减小到403 N·m，转速波动明显减弱，发动机工况得到有效优化，工作平稳.

5结论

1）对液压挖掘机在典型作业工况下能耗，以及混合动力挖掘机的节能潜力和主要途径进行了分析.

2）设计了一种基于电机+超级电容回收方式的并联混合动力系统，建立了混合动力系统的仿真模型，并对系统动力耦合特性、控制策略及超级电容SOC等因素对混合动力挖掘机节能效果的影响进行了理论计算和仿真分析，对关键参数进行了优化匹配.

3）搭建了挖掘机混合动力系统试验平台，对该试验系统的节能效果和关键参数优化匹配进行了试验验证.研究结果表明，根据液压挖掘机工况特点，采用油电并联混合动力系统，并选择合适的动力耦合参数、瞬时优化控制策略及超级电容SOC补偿参数等关键参数有利于提高挖掘机的节能指标.

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重载铁路路基动力特性试验研究 篇4

重载铁路运输具有高效、运能大、成本低备受青睐。铁路路基作为列车动荷载作用最显著的部分受到广泛重视,显然,路基沉降的变化密切影响铁路运输的安全。因此,结合大唐铁路专线工程,以路基土体为研究对象,进行动三轴试验,获取路基动力特性参数。从而更好对铁路路基沉降做出更好的预测,进而可以进行合理的路基维护工作,保证铁路正常运输及电厂正常运转。

冯怀平等(2015)针对朔黄重载铁路路基病害实际工况,针对重载列车引起的路基土体湿化变形以及造成的不均匀沉降问题,采用了GDS动三轴仪进行了室内动三轴试验研究。试验结果表明:土体的压实度对土体动力湿化变形有显著影响;此外,随着动应力幅值的增加土体的累积塑性变形而逐渐的增大。刘晶磊等(2015)针对重载铁路路基基床受列车循环动荷载的作用进行室内试验研究。基于试验数据以及Gauss函数拟合计算分析表明:根据不同荷载水平和基础结构形势下路基的动荷载条件,得到了路基面动应力的分别及衰减规律,进而为基床厚度的设计研究提供了理论参考。

本文依托大唐热电铁路专线工程,针对专线重载铁路引起的路基的不均匀沉降问题,选取专线典型区段路基土样进行室内动力特性试验,获取专线铁路路基土体动力特性参数进行研究。

1 研究概况

1.1 工程背景

大唐滨州热电联产工程是“上大压小”项目,拟建两台350MW国产超临界煤发电机组,铁路专用线作为电厂建设的中重要配套项目,线路自德大滨州西至杀虎刘联络线(滨沾联络线),线路全长1.782km;其中滨州西站接轨部分及区间(DK0+0-DK0+300)工程正在进行同步建设。

1.2 土样制备

试验土样选取典型区域路基土体,土样过筛去除杂质,根据要求的干密度及含水率用击实法制样。按照铁路土工试验规范章程,土样静置一夜然后才去分层击实,真空饱和缸制取饱和土样。试验土体尺寸高度80mm、直径39.1mm。

1.3 试验设备

本次动力特性试验研究选取DDS-70动三轴试验系统全套设备包括五个主要部分:电磁驱动系统、三轴室、电气控制、静压控制及数据采集和处理系统。具有静、动轴向力、侧限压力和孔隙水压力、轴向加荷程序等控制功能。

2 动三轴试验

2.1 试验方案

试验的土样取自大唐铁路专线典型区域,该段为专线运输关键区段,采取室内常规试验测得土体物理特性见表1所示。

根根据据专专线线列列车车动动荷荷载载的的作作用用形形式式及及规规律律,,制制定定出出试试验方方案案如如表表22所所示示。。

本次试验规范参照土工试验规程(SL 237-1999)进行。

2.2 动弹性模量变化规律分析

动弹性模量Ed反映循环荷载作用下弹性变形阶段的动应力-动应变关系,即:Ed=σd/εd(1)

针对压实度K=0.9的土样根据制定的试验方案进行动三轴试验,不同动应力幅值作用时动弹性模量Ed随动应变εd的变化关系如图1所示。

由图1可知:围压相同时,试验土体动弹性模量随动应力幅值的减小而变小。并且从图1中可以看出,动应力幅值不同时,动弹性模量随动剪应变增大而减小,存在明显的转折点,可以理解为土体动弹性模量变化的临界点。

由图1中变化规律可得,列车循环荷载作用时,路基动力特性,动弹性模量-动剪应力曲线存在变化临界点。

2.3 动阻尼比变化规律分析

由图2可知:相同围压下,试验土样动阻尼比随动应力幅值的增大而增大。此外,从图2中可知,动阻尼比和动剪应变整体呈线性变化趋势。没有存在明显的转折点。

由图2中可得列车循环荷载作用时,路基土体动阻尼比随动剪应变关系呈线性变化趋势,并且不存在明显转折点。

3 研究结论

针对大唐铁路电厂专线路基土体动力特性试验研究,通过动三轴试验获取相关参数指标,得出的结论如下:

①基于路基土体试验数据得到土体动力特性,根据动力特性参数进行路基填料与加固处理,对于路基压实度标准选取0.95以上为宜。

②针对路基土体填料设计,当土体压实度选取0.89-0.96之间存在,临界含水率最佳数值。建议选取含水率23%路基稳定性达到最佳。

摘要：依托大唐热电铁路专线工程,针对专线重载铁路引起的路基的不均匀沉降问题,选取专线典型区段路基土样进行室内动力特性试验,获取专线铁路路基土体动力特性参数进行研究。基于室内DDS-70动三轴试验研究,分析在不同动应力幅值条件下,代表性区域路基土体的动弹性模量以及动阻尼比等动力特性参数的变化规律,进而对重载铁路路基设计与维护提出合理建议。

关键词：重载铁路,动荷载,铁路路基

参考文献

[1]曾向军,邓宗伟,高乾丰,朱志祥,聂如松.循环荷载下湖相软土动力特性研究[J].工业建筑,2015,45(3):109-114.

[2]冯怀平,王志鹏,常建梅,田力达.重载铁路基床动力湿化特性试验研究[J].土木工程学报,2015,48(2):236-240.

[3]中华人民共和国行业标准.土工试验规程(SL 237-1999)[S].北京:中华人民共和国水利部,1999.

[4]刘晶磊,叶庆志,宋绪国,罗强.重载铁路路基荷载条件及动力特性研究[J].铁道工程学报,2015,197(2):33-38.

[5]杜海金,高博.新近沉积粉土动模量和阻尼比的试验研究[J].工程勘察,2006(12):27-30.

端面气膜密封动力特性系数的计算 篇5

应用微扰方法和有限元法,对端面气膜密封三自由度微扰下,密封气膜的刚度和阻尼系数进行了数值求解.该分析可计及多种典型端面结构的动静压效应.分析结果表明: 轴向微扰和角向微扰之间的`交叉作用很小,可以忽略不计,因此工程实际中,在进行端面气膜密封的稳定性和强迫振动响应分析时,可将三自由度的微扰运动简化为两个相互独立的微扰运动,一个只作轴向的微扰移动,另一个只沿两个正交轴作角向微扰摆动.算例验证了计算的正确性.

作 者：刘雨川 徐万孚 王之栎 沈心敏  作者单位：刘雨川(清华大学,精密仪器与机械学系,摩擦学国家重点实验室,北京,100084)

徐万孚(沈阳工业学院,润滑技术研究中心,沈阳,110015)

电动汽车动力控制系统特性研究 篇6

【关键词】电动汽车；动力控制；PID控制算法

汽车的出现改变了人们的出行方式，给人们带来了很大的便利，同时促进了世界经济的发展。汽车发展至今已经成为一个巨大的行业，为社会创造了巨大的财富，但同时也带来了一系列的问题，比如能源、环境和安全问题等等。在能源日渐枯竭的今天，这些问题引起了全世界的广泛关注。

这时，电动汽车作为一种新能源汽车重新走进了人们的视野，电动汽车因其环境保护效果、噪声低、热效率高、排放的废热少、可回收利用的能量多、可以改善能源结构、解决汽车的替代能源问题等优势受到各国政府和各大汽车制造商的高度重视，他们投入了巨大的人力、物力研发和改进电动汽车，可以预见电动汽车将是21世纪重要的交通工具。

限制电动汽车发展的技术难题除了蓄电池外，另一难题就是电机驱动控制系统，由于汽车要频繁地启停、加减速、爬坡、制动等等，为了保证电动汽车良好的安全性和操作性，对电机控制系统的实时响应性、稳定可靠性及调速范围提出很高的要求。研发高性能的电机驱动控制系统对我国的电动汽车的发展具有重要意义。

首先，确定整车基本参数；基于整车基本参数进行分析，从而确定动力性目标；根据要求和动力性目标匹配驱动电机；根据所选电机建立数学模型；用Mat lab/Simulink模块对电机数学模型进行仿真分析；最后对比分析仿真结果。

电机驱动的任务是在驾驶人操纵控制下，将内燃机-发电机系统、动力电池组的电能转化为车轮的动能驱动车辆，并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到动力电池中来实现车辆的再生制动。

比例-积分-微分（PID）控制算法由于结构简单、对模型误差具有鲁棒性的特点在自动控制领域得到了广泛应用，其最核心的问题是确定PID参数。PID参数自整定控制的思想是在一定的条件约束下，通过调整控制器参数，使某个目标函数达到最佳值，而此时的各参数值也是所需最优值。

PID控制器参数整定方法有：

1.Z-N经验公式法

1.1最小模型的假设

从对象的开环响应曲线看，大部分工业过程都可以近似描述一阶惯性加纯滞后模型，简称为FOPDF模型。

1.2经验公式

2.Z-N临界比例度法

在应用闭环的情况下，临界比例度法首先去掉PID控制器积分和微分的作用，留下比例的作用，在系统中加入一个扰动，如果系统响应衰减，则加大比例增益后再重新实验。

3.Cohen-Coon整定法

4.最优整定法

本文苏搭建的模型大概可以拟合成一个传递函数形如下公式的传递函数CarAcc（s）。

CarAcc（s）=

其中，阻尼比为ξ，Ks为系统增益，s为拉普拉斯算子，Wn为系统固有频率。

本文所研究的是基于中国大学生电动方程式赛车进行的电机控制系统的设计及优化仿真。针对大赛动态项目的特性，对赛车电机控制系统进行针对性的设计和优化，使赛车在满足赛事规则的情况下具有优异的加速性能。

中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSAE赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。 [科]

【参考文献】

[1]王丹，续丹，曹秉刚.电动汽车关键技术发展综述[J].中国工程科学，2013，15（1）：68-72.

[2]何洪文，余晓江，孙逢春等.电动汽车电机驱动系统动力特性分析[J].2006， 26（6）：136-140.

[3]易将能，韩力.电动车驱动电机及其控制技术综述[OL].万方数据，2000-05-10.

[4]纪志成，沈艳霞，姜建国.基于Mat lab无刷直流电机系统仿真建模的新方法[J].系统仿真学报，2003，15（12）：1745-1758.

[5]殷云华，郑宾，郑浩鑫.一种基于Mat lab无刷直流电机控制系统建模仿真方法[J].系统仿真学报，2008，20（2）：293-298.

粉性土振动压实动力特性试验浅析 篇7

1.1 粉土物理性质

试验用土取自我省。土的物理性质试验结果表明:按新土名, 属粉质土组中的含砂低液限粉土, 代号MSL而按老土名, 为粉性土组的粉质轻亚粘土。土中0.074~0.002mm的粉粒含量在62.1%, 粘粒含量7.14%, 且不均匀系数21.67。

1.2 粉土振动压实特性试验研究方法

1.2.1振动压实试验。为了模拟振动压实对材料的作用, 室内最常用的是振动台法。这种振动压实是从下至上的振动。这种方法虽然很容易在室内实现, 但与现场的压实作用力方向正好相反, 压实机理也有所不同。振动压实效果与静压力、频率、激振力等机械因素有关。在使用振动成型压力机压实时, 描述振动场地的参数条件包括静压力、激振力、频率等参数。由于对某一种材料在找到其响应频率后, 一般应在其响应频率下振动压实。参考有关资料找到两种土质的共振响应频率的特性, 考虑到在路基土施工压实时所用的振动压路机的频率范围, 在试验中除了做频率相应试验外, 还采用30Hz这样固定振动频率:在本试验中静压力和激振力的大小是两个重要的振动压实参数。由于振动压实的静压力是由上下车重量和上下车配重块以及压头的重量组成, 并且, 上下车的重量和压头的重量是不可改变的。因而, 用“上车配重块数-下车配重块数”就能区分静压力的大小。振动压实的激振力是通过调节两个偏心块的夹角来实现。在其它条件一定时, 每一个夹角即对应一个激振力值。为了简单明了地表示振动压实的条件并和振动压实机的操作相对应, 本研究用“上配重块数-下配重块数”表示静压力, 用“上配重块数-下配更块数-偏心块夹角”表示静压力和激振力, 用这两种方式描述振动压实条件。1.2.2击实干密度试验。采用现行规范规定的重型击实方法。1.2.3振实干密度试验。现行规范中尚没有振动压实的干密度测定方法。本研究中, 测试时参照击实试验的测定方法, 也采用内径15.2cm、高12cm、容积2177cm3的大击实简, 同时根据振实的本身特点按照两层加料的方法进行振实成型。计算振实的下密度的方法和公式同击实试验。1.2.4回弹模量试验。采用内径152mm、高170mm、容积2177cm3的大击实简, 套环高50mm, 内垫直径151mm、高50mm的筒内垫块。击实成型时按照三层加料的方法、振实成型时按照两层加料的方法成型试件。使用强度仪法测定试件的回弹模量。1.2.5 CBR试验。采用内径152mm、高170mm、容积2177cm3的大击实筒, 高50mm的套环, 以及内垫直径151mm高50mm的简内垫块, 分别用振实法和击实法成型试件。

2 粉土振动压实特性试验结果与分析

为了摸清楚振动压实中各因素的影响效果, 首先考虑在试验时取统-的含水量;为了将振动压实的效果和静力击实的效果比较, 取重型击实的最佳含水量为振动压实时的含水量。土在重型击实条件下最佳含水量是14.5%。

2.1 静压力对压实效果的影响。

在同-激振力、频率和含水量条件下, 变化静压力的大小以研究静压力对压实效果的影响。频率采用30hz。取振动器的偏心块夹角为30°的激振力, 即激振力为7612N。静压力大小的变化通过调节上门重块的数量, 分别取“0-0”、“2-3”、“3-6”、“5-9”、“7-12”五种组合, 即静面压力大小分别为81Kpa、94k Pa、104 k Pa、l17k Pa、130 k Pa, 达到要求的压密状态, 以振动器出现回弹跳起脱偶的状态为准。在同一激振力作用下, 振动压实土体的干密度随静压力的变化呈凸形曲线变化 (图1) 。干密度曲线有一个峰值为1.784kg/cm3, 接近但小于重型击实的最大下密度1.804g/cm3。振动压实土体的回弹模量随静压力的变化略有起伏, 其趋势线表现出随静压力增大略有增加, 均值高于重型击实最大干密度条件下成型试件的回弹模里。振动压实成型试件的回弹模量离散比击实成型试件的回弹模量离散要小得多。振动压实成型试件的回弹模量离散系数一般都在15%以内, 好的能达到7%;而重型击实成型试件的回弹模量离散系数都大于15%, 个别的因离散系数达到40%。在同一激振力条件下, 随着静压力的增大, 达到该压实条件最佳压密效果所需的时间减小而且, 在静压力较小时, “振动时间一静压力”曲线比较陡, 增加静压力能较快缩短振实时间;随着静压力的进一步增大, 曲线逐渐变缓, 增加静压力缩短振动的效果就不再明显。

2.2 激振力对压实效果的影响。

同一静压力、频率和含水量的实验条件下变化激振力大小以研究激振力对压实效果的影响。频率仍采用30hz;静压力取“5-9”压实条件, 即大小为117k Pa, 偏心块夹角分别取0°、30°、60°、90°、120°, 相应的激振力见表1。其中, 当偏心块夹角为0°、30°、60°、90°的情况下, 振动器在2.5min之内就达到标准压密状态, 标准压密状态仍以振动器回弹跳起脱偶来控制;而夹角为120°时每层振动4min时还没有达到振动器回弹跳起脱偶状态, 最后人为控制在4min时停止振动压实。

2.3 振幅对压实效果的影响。

振幅是反映静压力和激振力综合作用的一个振动参数, 是振动压路机性能的一个重要指标。

试验结果表明, 当以振动器回弹跳起脱偶时为压密标准状态时, 无论是变化静压力大小, 还是变化激振力大小, 换算成名义振幅变化后, 均表现出在名义振幅达到约2mm时, 干密度最大。此前, 干密度随着名义振幅增大而增大, 此后随着干密度增大而减小。但当以振动压实时间为标准控制时, 表现出最大名义振幅在达到2.2mm以前, 干密度一直随振幅增加而增大, 而且明显小于统一振幅下以振动器回弹跳起脱偶的标准压密状态控制下土体的干密度。因此对应该粉土来说, 振动压实的最佳名义振幅应该是在1.9mm左右, 并应采用振动器回弹跳起脱偶的压密标准状态来控制, 这样才能达到最佳压实状态。

3 结论

3.1激振力、频率一定时, 土体振实干密度随静压力的变化呈凸形曲线, 有一最大值。振实最大干密度值接近但小于重型击实干密度。土体振实回弹模量随静压力增大而略有增高, 均

值高于击实回弹模量。并且, 振实成型试件的较击实成型试件回弹模量稳定, 离散系数小。达到密实状态所需的振动压实时间随静压力的增加而减小, 静压力较小时, 该减小幅度大, 静压力较大时, 该减小幅度小。

3.2静压力较高时, 试验激振力范围内振实土体的干密度随着激振力的增加而增大;静压力较低时, 也存在对应于最大密度的激振力, 回弹模量也随激振力的增加而增大。试验各激振力条件下的粉土振实下密度均低于击实干密度, 但振实成型条件下的回弹模量均值却高于击实成型条件的回弹模量, 反映出与两种压实状态对提高土体整体上的密实程度的差异。随着激振力的增加, 土体达到标准压密状态所需的振动时间缩短。

参考文献

[1]张钧.循环应力历史对粉土小应变剪切模量的影响[D].抗州:浙江大学, 2006.

刚架拱桥的荷载试验与动力特性研究 篇8

静载试验是将静止的荷载作用在桥梁上的指定位置,对桥梁结构的静力位移、静力应变、裂缝等参量进行测试,从而对桥梁结构在荷载作用下的工作性能及承载能力做出评价。动载试验是利用某种激振方法激起桥梁结构的振动,然后测定其固有频率、阻尼比、振型、动力冲击系数等参量,从而判断出桥梁结构的整体刚度、行车性能。采用静载试验评定桥梁承载能力的方法是最成熟、最常用的方法,动载法常与静载法结合使用[3]。

结合六安云露桥运营13年后桥梁实际承载能力评估的荷载试验,介绍刚架拱结构荷载试验过程及该桥的试验结果。

1工程概况

云露桥位于六安市市内,位于淠河之上,是皖西学院通向市区的唯一通道。该桥于1994年年底竣工通车,全长313.45 m,全桥共8孔,东西走向(从东向西跨径为15 m+44.00 m+5×42.41 m+42.40 m),桥面净空:净—9(行车道)+2×1.50(人行道)。上部构造最东侧一跨为预制空心板梁结构,其余七跨为预制钢筋混凝土刚架拱结构,刚架拱桥的上部结构由刚架拱片、横向联系和桥面等部分组成,刚架拱片是刚架拱桥的主要承重结构,拱片混凝土标号C30,节点混凝土C35。下部构造为:桥墩为灌注桩,排桩基础;西侧桥台为沉井基础。该桥设计荷载:汽—20,挂—100;人群荷载:3.5 kN/m2。

2试验目的及内容

本次试验的目的是:检测大桥的结构刚度、整体受力性能和抗裂性能,检验大桥实际承载力能否满足使用要求。

本次静载试验选取的试验跨为:沿路线方向自东向西的第二跨与第三跨刚架拱结构。动载试验选取的试验跨为沿路线方向自东向西的第三跨与第七跨刚架拱结构。

静载试验的测试内容包括:1)各拱片跨中及L/4点的挠度量测;2)拱顶、主拱腿、上弦杆和斜撑等主要截面的应变量测;3)裂缝检查及开展情况观测。

动载试验的测试内容:桥梁结构在荷载作用下的受迫振动特性,如自振频率、阻尼。

3静载试验

3.1 试验荷载及测点布置

根据桥梁竣工图纸与实桥测试数据,利用空间杆系有限元计算程序,计算试验荷载作用下的各主要截面挠度、内力影响线,以此来确定测试断面。采用汽—20,挂—100荷载进行了理论验算。按照荷载效应相等的原则,采用4辆200 kN(车重+荷重)载重车,1辆300 kN(车重+荷重)载重车组成试验车队,调整汽车轮位使之产生与汽—20相应的荷载效应,其前轴重60 kN,双后轴重240 kN。车辆装载重物为砂子,加载车辆均严格过磅。加载工况的车辆载重及车辆分布方式按等效方式布载,共分8个工况,并在横向呈中载和偏载布置。

测点布置如下:

1)挠度测点布置:在试验跨桥面上游侧L/4(3L/4)及跨中处布置光电靶标测点,测站设在东侧桥头人行道附近。

2)应力测点布置:应力测点分别是布置拱顶、L/4处和拱脚三个断面。

3.2 试验结果

1)挠度观测结果:

实测挠度与理论计算结果见表1。

mm

2)应力检测结果:

第7工况应力结果见表2。

3)裂缝观测结果:

在静载试验的逐级加载过程中,未见有新增裂纹出现,2号墩主拱腿处原有裂纹也未发生扩展。

MPa

4动载试验

4.1 试验荷载及测点布置

利用自然行驶的车辆作为该桥桥面的激振源,在路线方向上选择第七跨作为试验跨,并在静载试验行车过程中对第三跨进行测试。采集各测点在不同工况下,加速度与时间的曲线关系,求出结构的有关振动参数并推算出桥梁的原始动态指纹。动载试验测点布置如图1所示。

4.2 试验结果

通过行车试验测试桥梁在受车辆行驶影响下的振动响应,通过频谱分析识别结构的自振特性(自振频率、振型及阻尼系数)。经实测分析该桥第三跨一阶竖向自振频率f=13.49 Hz,阻尼为15.786%;第七跨一阶竖向自振频率f=13.518 Hz,阻尼为9.324%。由于该桥为刚架拱桥,桥面板由多块肋腋板组成,导致高阶频率较难读出;因为第七跨为白天所测,受外界干扰较大,故只测定该跨的一阶频率。

实测振动频率与理论频率比较及阻尼比见表3。

5试验结果分析

由以上表格中的校验系数分析可知:

1)应力校验系数在0.77～0.92之间,略小于基本荷载试验1.0≥ηε>0.8的要求[5],应满足关于轻荷载0.8≥ηε>0.5的要求。 且应力校验系数η<1,表明试验跨承载力有富余,有一定的安全储备。

2)挠度分析:各断面挠度实测值均小于理论计算值,各工况下各截面的挠度校验系数介于0.42～0.94之间,满足在0.7～1.5范围内[5],且挠度校验系数也小于1,表明结构刚度满足使用要求。在各种加载工况结束卸载后,各测点的残余变形为0.08 mm～0.36 mm,残余变形满足要求。

3)动载试验结果分析:从该桥的自振频率数值看,满足我国规定的中小跨径桥梁自振频率不小于3 Hz,说明桥梁整体刚度较好;阻尼较高,说明该桥消耗外部冲击能量的速度较快,可能与桥面破损较多有关。

6结语

通过荷载试验及理论分析结果,可以得到以下主要结论:

在汽—20的静荷载作用下,本刚架拱桥有足够的承载力,未出现异常现象,这表明该结构仍具有正常使用的承载能力,并处于良好的弹性工作状态。

从该桥的自振频率数值看,满足我国规定的中小跨径桥梁自振频率不小于3 Hz,说明桥梁整体刚度较好;阻尼较高,说明该桥消耗外部冲击能量的速度较快,可能与桥面破损较多有关。

建议对桥面铺装重新处理,加强横向连接构造,以提高刚架拱的整体工作性能,2号墩拱脚的裂缝处采用碳纤维进行包裹粘贴。本次试验不仅对该结构承载能力进行了评估,同时对同类营运桥梁的承载力评估和养护使用均可起到借鉴作用。

摘要：结合某刚架拱桥,介绍了该桥的静动载试验和理论分析结果,阐述了该桥的结构动力特性,研究了如何根据试验结果判定刚架拱结构的损伤及其位置,并得出了桥梁的实际承载能力和结构安全性评价。

关键词：刚架拱桥,荷载试验,损伤判定,动力特性

参考文献

[1]谌润水.公路桥梁荷载试验[M].北京:人民交通出版社,2003.4-5,255-264.

[2]王建华.桥涵工程试验检测技术[M].北京:人民交通出版社,2004.176-227.

[3]宋博琪.桥梁的静载与动载试验[J].公路,2002.26-29.

[4]中华人民共和国行业标准,公路桥涵养护规范[S].

某疲劳试验机台架的动力学特性优化 篇9

本文所述的疲劳试验机主要用于汽车零部件的疲劳试验,在其工作过程中,当工作频率在8Hz~9Hz之间的时候,整个实验台架会发生剧烈的整体横向摆动,分析原因可能是在8Hz~9Hz之间存在其某阶固有频率。本文首先通过有限元软件ANSYS对该台架的模态参数进行数值法的求解,并对考虑台架自身重力、不考虑自身重力、无加强板等情况的下的固有频率与模态振型进行比较,获得台架整体模态参数的同时,对各个关键结构对整体模态的影响获得感性认识,在此基础上,提出该试验台架的修改方案。

1 台架几何模型的建立

将台架简化为由四根立柱、两根横梁与上下四块加强板组成,用简单的凸台命令进行反复建模,需要注意的是,本文将四根立柱当作一个整体,两根横梁分别当作两个整体,以便于分别导入ANSYS中,使用不同大小的网格进行划分。这可以在保证网格质量的前提下,尽量减少网格的数量,减少对计算资源的占用。建成后的模型如图1所示。

2 仿真模态分析[1~3]

本节在考虑试验台架自身重力的前提下,通过A N S Y S命令流对试验台架的各阶模态参数进行求解。该命令流可以自动实现CATIA模型导入、材料属性设定、划分网格、加载、求解、模态参数的输出等一系列模态分析过程,只需要把命令流文件导入ANSYS中即可。

下面是命令流的简单介绍。

2.1 模型的导入与显示

FINISH $/CLEAR $/units,si ~CATIAIN,zuishangbianxiaoliang,model,,,,, ~CATIAIN,shangxiahenglliang,model,,,,,

~CATIAIN,lizhu+yuanban+wuxiaoliang,model,,,,,

VLSCALE,1,6,1,0.01,0.01,0.01,,,1

Facet $REPLOT $FINISH FILNAME,modal

2.2前处理命令模块

2.3 应力求解模块

2.4 模态求解模块

2.5 后处理模块

2.6 求解结果分析

1)固有频率

由于该试验机的可提供的工作频率为0~100Hz,所以求解了台架的前二十阶固有频率,结果如表1所示。

在以后的疲劳试验试验中,对于载荷功率谱的编制应该尽量避开以上频率,或者在以上固有频率的附近要有小的功率谱密度函数值。

2)前三阶固有振型分析

可见,第一阶固有频率为8.452Hz,固有振型为整体的横向摆动。这与疲劳试验台在8Hz~9Hz之间工作时会产生剧烈的整体横向摆动的现象是相符的,仿真模态分析结果是可信的。可以得出如下结论:该疲劳试验台架在工作过程中剧烈振动现象产生的原因是工作频率与台架的第一阶固有频率接近或重合。

3 应力因素对模态参数的影响

此处的应力是指台架本身的重力,在上一节中我们已经求得了在考虑应力的情况下的试验台架各阶模态参数,本节将继续参照上节的命令流对台架做无预应力的模态分析。具体ANSYS命令流只需要对第2节重的命令流略作修改即可。

3.1 固有频率的比较

由表3我们可以得出结论:预应力因素对固有频率几乎是没有影响的。

3.2 固有振型的比较

通过比较可以发现,振型图的振动形式是完全一样的。

因此我们可以说应力因素对模态参数是几乎没有影响的,在以后类似的问题的求解过程中,可以忽略应力因素的影响,减少计算量,加快计算过程。

4 上加强板对模态参数的影响

本节将分析上加强板对整体模态参数的影响,上加强板的具体结构与位置如图1所示。将建立无上部加强板的立柱模型,采用修改后的ANSYS命令流进行模态参数的分析。

将有上加强板状态下的固有频率与无上加强板状态下的固有频率进行比较,求其固有频率差值的绝对值,并按照差值的绝对值进行排序。

两种状态下,有的阶数固有频率相差很大:2 0阶相差6 H z ; 有的阶数相差很小 : 第2阶相差0.011Hz。下面我们力求从固有振型找其原因。我们选取相差程度最大的固有振型20阶和相差程度最小的固有振型2阶。通过查看这两阶固有振型,找出上加强板对各阶固有频率影响不同的原因。

从图5~图6中我们可以获得如下信息,固有频率变化比较大的振型在上加强板处有较大幅度的振动,而固有频率变化较小的两阶振型在加强板处的振动幅度较小或者几乎没有振动,这启发我们可以通过结构固有振型图,发现结构中振动最大的部分,对该结构进行强化或者弱化处理,以达到修改固有频率的目的。

5 模态参数的修改[4,5]

5.1 修改原理与方法

由于疲劳试验机的通常的工作频率在10Hz以内,而我们求得的前三阶固有频率为8、10、12。在本节中我们将以提高前三阶固有频率为目标,对试验台架进行动态特性修改。

式(1)中ωr为第r阶固有频率,kr第r阶模态刚度,mr第r阶模态质量。

其中:

式(2)与式(3)中,Φr为第r阶固有振型。

由式(1)可知,提高某阶固有频率的方法有减小该阶模态质量与增大模态刚度两种途径。

通过考察前三阶振型并且考虑可行性与经济性,我们提出以下的修改方案:

将两个较高立柱的上部削掉。此操作从减少第一阶与第三阶模态的质量为出发点,对模态参数进行修改。

在两个较低立柱的顶部添加工字钢横梁,我们且称其为第三横梁。此操作从增加第二阶模态的刚度为出发点对模态参数进行修改。修改后的模型如图7所示。

5.2 模型修改的具体说明

将第三、第四立柱削平与第一、第二立柱等高,将连接板移除,在第一、第二横梁的上部加一标准工字钢,型号为25#B,其腰高方向与地面垂直,工字钢的上表面与第一、第二立柱的最高处相距100mm,工字钢的中心线与第一第二立柱的前后钢板的中心线在同一平面内。

5.3 优化前与优化后固有频率比较。

由表5可以看出,修改后的前三阶固有频率有了明显的提高,第一阶固有频率已经移出了10Hz,这样保证了机器的大部分工作过程是不会发生共振的,完全达到了的预定目标。

6 结论

本文基于ANSYS对某试验台架进行了动力学特性的修改,得到以下结论:

1)本文的仿真分析结果与日常试验中的振动特征较为吻合,验证了仿真分析的准确性。

2)本文提出的动力学修改方案能够有效的提高该台架的前三阶固有频率,将台架的固有频率移出试验机的日常工作范围,较好的解决现有台架的工作振动问题。

3)在求解类似问题过程中,台架本身的重力对整体模态参数的影响非常之小可对其不予考虑,加快求解过程,节约计算资源。

4)在动力学修改中,通过强化或者弱化某介固有振型中振动较为剧烈的部位,便可达到提高或者降低该阶固有频率的目的。

5 ) 本文所有A N S Y S参与的分 析都是通 过ANSYS命令流实现的,对于求解时间较长的问题,此种方式极大的解放了工作人员的时间。

摘要：文章的研究对象为某疲劳试验台的反力支架,针对其工作过程中存在的振动问题,在有限单元法的基础上,采用ANSYS命令流的方式,对上述台架进行模态分析,在模态分析的基础上,以将其固有频率移出工作频率范围为目标,提出修改方案,并进行有限单元法的验证。分析表明,修改方案明显提高其前三阶固有频率,达到修改目标。

关键词：疲劳试验机台架,模态分析,动力学修改,ANSYS

参考文献

[1]ANSYS命令参考手册[Z].

[2]李朔东,马纲.基于ANSYS的模态分析二次开发及应用[J].航天制造技术,2004,(5).

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[4]左鹤声,彭玉莺,著.振动试验模态分析[M].北京:中国铁道出版社,1994.

动力特性试验 篇10

1 试验方案与方法

1.1 试验方案

试验土样取自兰州某在建工地, 取土深度约3~5 m, 属于Q3黄土, 密度2.68 g/cm3, 烘干法测定其天然含水率为18%, 天然干密度1.29 g/cm3, 天然孔隙比1.078, 天然饱和度44.77%, 饱和含水率为40.2%。原状黄土按起始含水率 (W0) 的不同, 根据缩限 (Ws) 和液限 (Wl) 划分为干型黄土 (W0<Ws) 、湿型黄土 (Ws<W0<Wl) 和饱和黄土 (W0>Wl) [2], 为了分析总结3 种类型黄土的动力特性, 拟定试样初始含水率W0为:10%, 20%, 40.2% (饱和含水率) 。具体试验方案见表1。

1.2 试验方法

该试验在微机控制电液伺服土动静扭剪三轴试验机上进行。所用试样为标准的空心圆柱形, 外径100 mm, 内径60 mm, 高200 mm, 试样高径比为2。通过风干法和水膜转移法 (配水法) 配制试验所需的不同含水率的标准试样, 然后用保鲜膜包裹, 放入密闭养护缸内进行养护, 待内部水分分布均匀后备用。

试验过程中, 首先土样应在试验所要求的固结条件下固结, 以30 min轴向变形不大于0.01 mm, 空隙水压力变幅不超过2 k Pa为稳定标准[3]。然后在不排水条件下, 按等效正弦波的形式在试样顶部施加周期性的水平剪应力, 频率为1 Hz。试验加载过程采用逐级加荷的方法施加固定振次 (10 N) 的动荷载使试样破坏, 破坏标准以轴向变形达到5%为准[3]。

2 结果分析

2.1 动应力应变关系

从图1 分析发现黄土的动应力应变关系呈双曲线型, 在0~1%应变变化范围内双曲线拟合更为准确, 且满足Hardin-Drnevich的双曲线模型[4]:

式中:τd为动剪应力;γd为动剪应变;G0为最大动剪切模量;τdmax最大动剪应力。

将式 (1) 变换形式可以表示成

式 (2) 表示一条直线, 直线的的截距a = 1/G0, 斜率b=1/τdmax, 其中Gd为动剪切模量。

将干型黄土、湿型黄土和饱和黄土的动应力应变曲线转化成 (2) 式类型的直线型式, 不同条件下3 类黄土的a和b值见表2。

通过分析可得, 干型黄土动剪应力随着动剪应变的增长而增长, 呈硬化型, 随着固结压力的增大, 硬化程度越来越强。湿型黄土动应力应变曲线关系与干型黄土有同样的增长趋势, 但干型黄土受固结压力的影响相对湿型黄土更明显。这是由于含水率不同, 导致黄土之间的联接程度不同造成的。天然状态下的干型黄土和湿型黄土长处于欠压密状态, 在底围压下, 土体的压密作用不明显, 结构没有遭到破坏, 动应力幅值随着动应变幅值的增大而增大;而在高围压下, 土体被压密, 原状黄土的结构遭到破坏, 表现为压硬性, 随着动应变幅值的增大, 需要作用的动应力幅值也在增大, 且在0~1%应变范围内, 其增长速率相对较低围压下更快。饱和黄土动剪应力随着动剪应变的增长, 初期增长明显, 中期增长较慢, 后期有降低的趋势, 呈软化型, 随着围压的增大, 软化程度向越来越强的趋势发展。饱和黄土在加水饱和的过程中, 土体的部分结构破坏, 在围压低于200 k Pa时, 土体的压密作用不明显, 在振动初期, 部分结构仍发挥作用, 应力应变曲线呈上升的趋势, 在振动后期, 随着动荷载作用的积累, 土体逐渐破坏, 当动应力达到某一定值时, 动应变迅速发展, 之后在动应变继续增长的过程中, 动应力有稍微减小的趋势, 动应力应变关系曲线表现为弱软化型。在高围压下, 饱和黄土受到压密作用明显, 结构进一步被破坏, 土体结构性衰减增强, 动应力应变关系曲线表现为强软化的特征。

2.2 动剪切模量

土的动剪切模量是使土体产生单位动剪应变所需的动剪应力, 即Gd= τd/ γd, 表示土体抵抗剪切变形的能力, 也是评价土体抗震性能的重要指标。由式 (2) 可知, 最大动剪切模量或初始动剪切模量可由1/Gd~γd关系曲线纵轴截距的倒数求得。试验得到的最大动剪切模量结果见表3。

试验结果表明, 干型黄土的最大动剪切模量最大, 湿型黄土次之, 饱和黄土最小, 这是由于含水率影响了黄土颗粒之间的联接强度, 决定着黄土结构性的强弱。含水率越小, 黄土的联接强度就越高, 其结构性就越强, 抵抗剪切变形的能力也就越强, 因而动剪切模量就越大。

2.3 动阻尼比特性

阻尼比为实际阻尼系数与临界阻尼系数之比, 反映黄土在受到周期性动荷载的作用下动应力应变关系滞回曲线表现出的滞后性, 是土动力特性的一个重要性质。土在周期性动荷载作用下的变形包括弹性变形和塑性变形两部分, 动应力较低时显示弹性变形, 随着动应力的增加, 塑性变形逐渐增强, 动应力应变关系显示出非线性和应变的滞后性特点[2,5]。黄土的滞回曲线反映了土的粘滞性对应力应变关系的影响, 这种影响程度的大小可以从滞回圈的形状来判断。从阻尼比的理论推导公式可知滞回曲线是一个椭圆性状, 而实测的滞回曲线并不是标准的椭圆, 只是近似椭圆性状。当粘滞性愈大时, 滞回圈的形状越趋于宽厚, 反之则趋于扁薄。

黄土的动三轴试验表明阻尼比随应变变化的规律比较复杂, 不同的资料得出的结论不同[6,7,8,9], 只是得到黄土的阻尼比一般在0.10~0.30 之间。该实验采用动扭剪三轴仪检测 (克服常规动三轴缺点) , 从图2 中可以看出, 3 种黄土的阻尼比与动剪应变关系相对比较集中, 大体上阻尼比随动剪应变的增大有逐渐上升的趋势, 且阻尼比一般在0.20~0.30之间。

图3 为动扭剪仪试验结果整理得到的干型黄土阻尼比与动剪应变对数关系的散点图。试验结果表明, 在3 种黄土的阻尼比与动剪应变对数坐标中, 二者表现出较好的线性关系, 在半对数坐标中的直线方程拟合如下:

3 讨论与结论

依据初始含水率W0的不同, 将原状黄土分为干型黄土, 湿型黄土和饱和黄土, 采用动扭剪三轴仪, 对各自的动力特性进行了研究[10,11]。

1) 3 种类型黄土的动应力应变曲线呈双曲线型, 在0~1%应变变化范围内拟合更为准确。

2) 兰州黄土动应力应变关系曲线受固结应力影响程度依次为:干型黄土>湿型黄土>饱和黄土。

3) 3 种黄土在不同的固结应力下, 动剪切模量都随动应变的增加而减小;在固结应力相同的情况下, 最大动剪切模量大小依次为:干型黄土>湿型黄土>饱和黄土;固结应力比相等时, 围压越大, 3种黄土的最大动剪切模量也越大。

4) 黄土的阻尼比一般在0.2~0.3 之间, 随动剪应变的增大有逐渐上升的趋势;阻尼比 λ-lg (γd) 具有线性相关性。

摘要：通过动静扭剪三轴仪对兰州原状黄土的动应力应变曲线及本构关系、动剪切模量和动阻尼比变化特性进行研究。结果表明, 3种类型黄土的动应力应变关系呈双曲线型;3种黄土在不同的固结应力作用下, 动剪切模量都随动应变的增加而减小, 且减小的幅度越来越小;在固结应力作用相同的情况下, 最大动剪切模量大小依次为:干型黄土>湿型黄土>饱和黄土;固结应力比相等时, 围压越大, 3种黄土的最大动剪切模量也越大;原状黄土的阻尼比一般在0.20.3之间且阻尼比λ与动剪应变对数lg (γd) 具有线性相关性。

关键词：原状黄土,动力特性,动扭剪试验,动应力应变关系,动剪切模量,动阻尼比

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