国内外振动台与振动试验的研究现状

1、1. 国内外振动台与振动试验的研究现状1.1 国内外振动台研究现状一、各类振动台的优缺点 用于振动试验的振动台系统从其 激振方式 上可分为三类 : 机械式振动台、电液式振动台 和电动式振动台。从振动台的 激振方向 ，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向（单自由度）和多向（多自由度）振动台系统。从振动台的 功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可 以完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。1. 机械式振动台 机械式振动台可分为不平衡重块式和凸轮式两类。 不平衡重块式是以不平衡重块旋转时 产生的离心力来激振振动台台面， 激振力与不平衡力矩和转速的平方成正比。 这种振动台可 以产

2、生正弦振动，其结构简单，成本低、但只能在约 50Hz100Hz 的频率范围工作，最大位 移为 6mm 峰一峰值，最大加速度约 10g，不能进行随机振动。凸轮式振动台运动部分的位移取决于凸轮的偏心量和曲轴的臂长， 激振力随运动部分的 质量而变化。这种振动台在低领域内，激振力大时，可以实现很大的位移（如 100mm） 。但这种振动台工作频率仅限于低频，上限额率为 20Hz 左右。最大加速度为 3g 左右，加速度波 形失真很大。对于所应用的机械式振动试验台具有几个共同的优点:结构简单、容易安装、 造价较低、运用及维修简单可以、可以进行较长时间的试验。但也有共同的缺点:试验范围小、波形失真度大、不能采

3、用反馈控制、很难实现随机振动及几个机械式振动台同步运行。2. 电液式振动台 电液式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀， 通过油压使传动装 置产生振动。 在实际应用中主要有力马达滑阀式电液振动台和喷嘴一挡板式电液振动台。 这 类振动台的主要优点是 :能产生很大的激振力和位移 （如激振力可以达 104N ，位移可达 2.5m）、 工作频率下限可以达到零赫兹、 可以采用反馈控制、 能实现随机振动及几个电液振动台进行 同步运行。同时电液振动台的缺点是:难于在高频区工作，适用于在低频区及中频区进行振动试验。液压系统的性能容易受温度的影响，对油液要求高、造价贵、维修复杂。由于油泵 的压力

4、脉动， 油液压缩性引起的共振、 液压密封件的摩擦等， 使得波形失真比电动振动台大。 这种振动台因其大推力、 大位移可以弥补电动振动台的不足， 在未来的振动试验中仍将 发挥作用，尤其是在船舶和汽车行业会有一定市场。3. 电动式振动台 电动式振动台是根据电磁感应原理设计的，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作 用，当导体中通以交变电流时将产生振动。 振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的 空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动 线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。电动式振动台是振动环境试验中广泛使用的一种振动设备， 与其它振动设备相比， 它主 要

5、的优点具有 : 工作频率范围宽、波形失真度小、频率稳定、控制方便、可以采用反馈控制。 特别是它的高频特性，一般能工作到 3kHz 。对于几公斤推力的电动式振动台工作频率上限 甚至可以扩展到 10kHz 以上，所以被广泛应用于航空、航天、护电器、仪器仪表、 建筑、 水利、 交通运输 和家电等各个领域。 电动振动台的缺点是单台的激振力及振幅不够大，台面有漏磁场的影响，价格贵，维修复杂。二、国内外振动台发展状况1. 国内振动台的研究现状中国航天第 702 所拥有完整的振动环境试验手段和丰富的振动环境经验，按照 GB2423、GBJ150、MIL-STD-810 等各项标准进行产品的振动环境试验，建立

6、了推力从7.5kN 、10kN、20kN、30kN、37 kN 、50kN 、90kN 直至 200kN 的系列电动式振动试验系统和先进的数字式 振动控制仪，能够完成 52000Hz 的随机、正弦扫频、经典冲击、冲击响应谱、随机加正弦 等振动试验。其中 200kN 电动式振动台适合进行系统级振动试验，曾高质量地完成了我国 所有返回式卫星的整星振动环境试验 ;90kN 长冲电动式振动台是国际 90 年代的最新产品， 能够实现试验频率范围 22000HZ ，最大位移士 25mm（冲程） ， 19mm（振动 ）;7.5kN 和 37kN 振动台的漏磁小于 5GS，特别适合于对漏磁敏感的精密仪器的振动

7、试验。从1969 年起，浙江大学和核工部航天工业部合作研制中频振动校准装置BZD 一 1，于 1973 年研制成功并交付使用。 1976 年由七机部和浙江省联合组织鉴定，确认已达到国内外同类装置的水平，填 补了国内的空白。经过两年使用后，于1978 年正式作为国家中频振动基准。具体指标如下:最大加速度 :109 工作频率范围 :10Hz 一 18kHz 横向振动比 :<2% 加速度失真度 :1%（20Hz6kHz） 台面加速度不均匀度 :1% 在此基础上，于 1983 年又研制成功低频振动计量标准系统，校准精度在 2Hz 一 100Hz 内达到士 2% ，并陆续在有关计量部门投入了使用。

8、此外在国内还有相关的厂家、部门在振 动台的研制上也取得一定的成果。 如江苏宝应振动仪器厂生产的 BJ 一 n 型高频振动校准台， 其激振频响范围 20Hz 一 50kHz ，失真度小于 3%。2. 国外振动台的研究现状英国 LDs 公司 （Ling Dynamic System Ltd） 是国际著名的电动振动台系统的制造公司， 目前 已经形成覆盖正弦峰值推力从 8.9N 到 289.IkN 范围的四大类 （永磁、风冷、水冷、长冲程 ） 共 82 个型号产品的电动振动台系列生产能力。 最大单机产品 V994 一 DPA280K 其正弦峰值 可达 289.IkN 、最大加速度 100g，是目前世界

9、上单机推力最大的电动振动台。丹麦的 B&K 公司的 4812 型振动台属于世界一流的振动台， 目前我国计量使用的中频 振动多为此种振动台 。其频率范围为 202000Hz ，振级为 1200m/s2。在美国， MB.UD.LingEleetronics ，Thermotron 和 AeoustiepowerSystems 公司生产的各种 振动台。其中 MB.UD.Ling 电子公司制造的电动振动台质量优良， 经久耐用，在美国享有一 定的声誉。 该公司生产的振动台规格多样， 能满足多种动力试验的要求， 所以很多用户购买 它的产品。 Therotron 公司制造的各种高低温、热冲击等热应力

10、正弦随机和冲击的振动应力 以及组合环境的振动加载和振动控制系统成套设备，对于航天电子工业具有现实意义。三、特种环境下使用振动台的研究情况 为了满足试验的要求，有时振动台需要在特种环境下进行工作，如 水下使用的振动台 ， 离心环境中使用的振动台， 温度场下的振动台等。 对于这些特殊环境下使用的振动台， 其中 对离心环境中使用的振动台研究比较多， 提出了很多关离心振动复合环境下离心力的克服方 法，如配重克服方法，气囊纠偏方法。 而对于水下振动台，相应的研究就特别少，没有找到 相应的文献资料 。对温度场下使用的振动台， 一般都作为综合环境试验用的振动台的一方面 来研制，中国航天第 702所 90年代

11、初在国内率先研制成功了三综合试验系统（三综合是指温度、湿度和振动的综合试验 ）。现在中国航天第 702 所正在研制四综合实验系统，四综合是 指温度、湿度、真空和振动的综合环境试验。1.2.2 国内外振动试验研究现状 振动试验与其它工程技术一样从简单到复杂慢慢发展起来的， 而且与当时的先进技术紧 密相连。特别是近十多年来，随着计算机技术、传感器技术、 自动控制理论和信息处理技术 的发展，大大丰富该领域的内容，发展特别迅速，实用性日益增强。一、正弦振动试验系统正弦振动试验是实验室中经常采用的实验方法， 是人们认识最早、 了解最多的一种振动 试验。 作为随机振动试验的基础， 一套振动试验系统若不能进

12、行正弦振动， 就不可能很好的 进行随机振动试验。1.定频试验正弦振动试验，通常采用定频和扫频两种方法。如果零部件、设备或某个系统，是在某 个或某几个激振频率下工作， 则可在这些相应频率下进行定频试验， 以考核试件的抗振能力 和耐振强度 。2. 正弦扫频试验正弦扫频试验是在试验频率范围内，以某种规律连续改变振动频率以激励被试元器件、 部件或整机等。 扫频时频率的变化率称为扫频速率， 常用的有线性扫频和对数扫频两种。 快 速扫频的频谱为连续谱， 是主要用于 模态分析的激励技术 。由于试验时响应幅值来不及大到 使之进入非线性的程度， 这样系统可以称是线性的，这是优点，但是其信噪比较低。慢速扫 频试验

13、所需的时间较长， 是一般环境实验所采用的方法， 多用于寻找共振点。 速度的不同将 影响试验的效果，试验人员要凭经验在扫频时间和频率精度的矛盾中做出选择。3. 数字正弦控制系统早期的正弦振动试验系统都是由模拟电路构成的。 随着数控技术和锁相技术的发展， 八 十年代中期，各国相继推出了数字式正弦振动控制仪，例如 B&K 公司的 1050， IMN 公司 的 SVC ，英国斯特朗公司的 1952，林公司的 SDC 一 8。我国在这方面起步较晚，很多还停 留在模拟式的水平上， 但随着计算机的廉价和普及， 现在已有成数产品， 如苏州试验机厂的 KD 一 1 型数控仪。目前正弦定频和正弦扫频试验都

14、可在数字正弦振动控制系统中进行。 二、随机振动试验系统正弦振动试验具有结构简单、控制方便和精度高等优点，但只有少量的振动环境近似服 从正弦振动的规律， 绝大多数的振动环境是随机的， 要真实地模拟外场振动环境， 随机振动 试验是不可缺少的。随机振动试验远比正弦振动试验复杂，因此发展较晚。早些年代 （50 年代 ）几乎无法进行随机振动试验，这就使许多工程技术人员开展了正弦和 随机振动的等效研究， 希望找到一种通用的等效准则， 企图用正弦振动试验解决随机振动问 题。最终研究结果表明正弦振动与随机振动不存在一般等效关系。 当时， 为了工程研究的需 要，采用偏于保守的经验方法将随机状态等效转换成正弦条件

15、作为产品的振动条件。 这种方 法用于产品强度的考核， 这是出于无奈的一种变通方法。 但随着工程技术的不断发展， 可靠 性要求的不断提高， 到七十年代末这样的处理己经不能满足要求。 许多产品能通过随机振动 试验但是通不过正弦振动试验， 而实际环境又是随机的， 产品部门要求进行随机振动试验的 呼声也越来越高。 同时， 由于随机振动理论的提高和试验技术的不断进步，各种随机振动试验设备相继问世， 特别是信号的数字处理技术、 快速傅立叶变换算法的出现， 使随机振动试 验技术飞速发展。1. 模拟式随机振动试验系统最初的随机振动试验系统为模拟式随机振动试验系统。 在国外， 模拟式随机振动控制是 在六十年代出

16、现的， 其振动过程控制采用随机均衡器完成， 系统图中所串连的峰谷均衡器是 用来产生系统频响的反函数， 在试验的频率范围内， 使每一个峰或谷都得到补偿， 这样就使 得振动台和均衡器的组合频率特性衡为常数， 使激励信号和振动台输出信号的频谱一致。 用 这种系统进行试验不但麻烦， 而且非常费时， 试验精度又不高。 模拟式随机振动控制系统是 非常复杂的， 特别是后来采用的多路滤波器进行多同道自动均衡系统， 而且精度差、 维修量 大、使用调试困难、频率分辨率低，同时对振动台和信号源都提出了较高要求。因此，在随 机振动试验早期还流行着两种与宽带相比简单易行的试验方法:窄带随机扫频和磁带随机振动试验。窄带随

17、机扫频试验系统方框图和正弦扫频试验系统相似， 。它采用一个频带较窄的随机信号 （约几赫兹到几百赫兹 ），在规定频率范围内，用扫频的方法来激励试件。在试验进 行过程中，窄带随机波的频带宽度可以不变 （称为等带宽 ） 。而窄带中心频率以某种规律在扫 频频率范围内变化，即可以是线性扫频，也可以是对数扫频，但一般多用对数扫频方式。 窄带随机扫频试验的优点是振动台的输出能量可以集中在一个较窄的频带内， 而且调整、 控 制都比宽带方便。 因此， 窄带随机扫频试验可以实现用输出激振力较小的激振器进行较大功 率密度的激振。 其缺点是只能对试件顺序激起共振， 这不利于研究试件的某些响应特性和各 阶共振同时所引起

18、的破坏情况。 同时， 比宽带随机试验费时。 磁带随机法是利用磁带机产生 的随机信号进行开环控制的方法。这种方法是首先利用正弦扫频或其它方法确定系统（或台面或试验控制点，这要根据试验要求而定）的频响函数，并用该频响函数和试验要求的规范谱在有能力进行模拟处理或数字处理的地方进行计算， 得到驱动谱， 然后将其生成与规范谱 相对应的驱动信号并录制在磁带上。 试验时， 回放磁带信号给功率放大器， 并调节功率增益， 使总的均方根大到预定要求即可。对于简单的试件，其控制精度也能达到高再现。磁带随机振动的缺点在于上述过程不是一次所能完成的， 其驱动谱和响应谱互相峰谷均 衡达到规范谱的容差范围可能要经过几个调整

19、过程。 而且对同一规范谱， 试件换了， 一般都 要重新录制驱动谱。因此，每盘磁带只适于特定的规范谱、特定的振动台、特定的试件、特 定的安装条件。虽然如此，对于一些简单和小型的试件而言，特别是大批量的元气件筛选、 检验性试验，磁带随机试验方法仍是一种简便易行和节约成本的好方法。2. 数字式随机振动试验系统随着计算机技术和数字信号处理技术的迅速发展， 六十年代末到七十年代初， 出现了数 字随机振动控制系统， HP5427 ，DVC500 等，这些设备具有较好的软硬件配置，闭环均衡 速度较快。从八十年代初开始，我国开始研制数字随机振动控制系统 :1984 年，航天部北京 环境试验工程研究所研制成功

20、DRC 一 511计算机闭环随机振动控制系统 ;1987 年，航天部六 二三研究所亦研制成功相似的控制系统 ;1988 年，西安交通大学国家机械结构强度与振动国 家重点实验室与西北机械厂合作开 DRC 一 88 数字随机振动控制系统。在振动台上模拟随机振动环境的控制设备可分为波形再现和功率谱再现两大类。 前者要 求振动试验信号和实际振动信号在时域上相等， 即产生指定的振动信号波形。 严格地说， 基 于波形再现的随机振动试验不可能是真正的随机试验， 因为随机过程的周期趋于无限大， 同 时，由于随机过程的时域不确定性， 使得时域控制的方法从根本上说是无法实现的， 而只能 是短子样随机载荷的重复。

21、虽然这种试验有一定使用意义， 但其试验结果的可靠性却值得怀 疑。目前主要用于模拟地震等频率较低的试验 。后者只要求振动试验信号和实际振动信号的 功率谱相等， 这一等价条件是基于相同功率谱密度分布的振动对设备结构具有相同的损伤和 破坏的理论。 这种随机试验主要用于模拟各种运输条件和其他一些频率较高的振动环境， 其 基本要求是能在振动台或是台上某控制点产生一个平稳的、 各态历经的随机振动信号， 信号 的幅值分布特性接近高斯分布， 信号的功率谱要满足试验条件要求的功率谱密度分布， 比较 常见的几种试验功率谱。与桥梁相关的振动台试验参考文献 :1 宫必宁 .重力坝地震动水压力试验研究J . 河海大学学

22、报 , 1997 ,25（ 1）: 98102.2 Byrd R C. A laboartoyr sutdyo f the fludi2sturcuter inetarcitono f submegred atnksa nd casisons ni earhtquake R .Bekreley :Unvierstiyo f Cailof2rnai ,Report No .UCB /EERC - 78 /08 ,Earthquake engineering erseacrh center ,1978.3 Nilar tF .Hydordynamic perssure and addedm ass

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24、全 , 潘亦苏 .考虑流体 - 结构交互作用的桥梁地震反应分析方法的研究进展 第一界全国公路科技创新高层论坛论文集 C .公路 设计与施工卷 , 2001 .671 675.7 杨 飏 , 欧进萍 .导管架式海洋平台结构磁流变阻尼隔震的振动台试验J . 地震工程与工程振动 , 2005 ,25 (4) : 143 150.目前，在振动台试验研究方面，水与结构相互作用的试验研究工作主要集中在海洋平 台和大坝方面。海洋平台主要解决波浪问题,大坝则主要解决地震问题。但大坝地震时水与大坝的相互作用问题与水中桥梁地震时的相互作用问题有很大差别。 类似于桥墩的水中结构 物的地震试验研究工作很少。从现有文献

25、看 ,目前很少进行过与桥梁结构相关的水下振动台试验研究 ,现有的动力荷 载作用下桥梁与水的耦合响应问题的研究工作均局限于理论分析和数值模拟上。 但试验研究 一方面可以直接了解水对桩基桥梁地震反应的影响程度和主要影响因素,另一方面试验获得的数据可以作为检验针对桥梁地震辐射波浪理论正确性和精度的基础。赖伟、 王君杰等进行了桥墩地震动水效应的水下试验台研究，他们的结论为： 结构周围水的存在会改变结构动力特性和地震动响应； 水对结构的影响会改变结构水下部分受到的荷 载激励， 在相同地面加速度输入下 ,水对结构的动水附加质量效应也增大了结构受到的地震 力。沈润杰 ,何闻 进行了大型宽频带水下振动台流固耦

26、合动力学特性的研究。他们根据水下 振动台运动部件大尺寸和宽频带工作的要求,提出了运动部件结构的设计原则 ,进而建立其在水域中的模型及流固耦合有限元方程 ,由此计算分析了运动部件的两个重要模态振型及频率 台面弯曲振动振型和运动部件轴向振动振型,并与空气中的计算结果进行了比较 ,结果表明流固耦合使得运动部件这两个模态频率降低;进一步的实验研究表明 ,计算分析结果是正确的流固耦合使得运动部件等效阻尼变大 . 本研究结果为研制水下振动台系统的动态设计技术 和测试分析技术提供了重要的依据。大连理工大学水下振动台介绍： 大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室在从美国 MTS 公司引进的一维水平单向大型电

27、液伺服控制地震模拟系统基础上 , 将原振动台改为 水平与垂直两向激振的水下振动台。 在水槽中间为振动台台面 ; 沿振动台水平振动方向在水 槽两边设置消能网 , 消除波浪的反射作用。水槽内最大水深110m。兰雅梅、薛雷平 等进行了东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究。 他们通过模型试 验研究了不规则波与均匀流共同作用于小尺度单桩的水动力特征。 文中比较了不同工况下直 桩与斜桩的受力特性。在频域内采用相关函数法进行了谱分析与互谱分析 ,得到波面谱与波 力谱的相关关系 ,并给出波向力与波面相位差的变化规律。本文是东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究系列的部分成果 ,报道了不规则波与 均匀流共同作

28、用于小尺度单直桩和斜桩的受力的试验结果,给出了受力特征。值得一提的是为了分别测量作用在低承台与桩柱上的水动力,本次试验尝试了新的测力方法 ,该方法有别于传统的悬挂式测力方法。 根据本次试验要求特殊设计和加工的测量桩柱受力的天平 , 可以完 全安装在桩柱模型中 ,并具有可以水下工作的特点。 从国内外文献看 ,尚未见到此方面的报道。2 试验设备及方法2. 1 试验设备及仪器试验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的风、浪、流试验水池中进行 , 该水池长 50m、宽 30m 、深 6m。水池一端装有一套双推板大功率的液压造波机,另一端铺设有一定斜度的格栅式消波滩。水池配有高压喷水造流系统及局部造流系

29、统。简易单向专用地震模拟振动台的研制 黄春霞、张鸿儒、隋志龙地震模拟振动台不仅可以产生各种频率、振幅的规则振动,而且可以很好地再现地震波因此它是抗震研究的重要设备。 振动台始建于 19世纪60年代末 ,首先是美国 Berkeley加州大学 建成了 6. 1 m ×6. 1 m 的水平和垂直两向振动台 ,随后日本国立防灾科学技术中心建成了世 界上最大的 15 m ×15 m水平或垂直单独工作的振动台。 到目前为止 ,据有关资料的不完全统 计，国际上已经建成了近百座振动台。然而,振动台构造复杂 ,集精密机械加工、电液伺服控制技术和计算机技术于一体 ,因此价格昂贵 ,一般高等学校

30、和科研院所很难建造。我们在完成 国家自然科学基金资助项目“碎石桩加固液化地基效果的试验究”的过程中,利用北京交通大学土建学院结构工程实验室从美国 MTS 公司引进的电液伺服加载试验系统 ,建成了一个简 易单向专用振动台。试验结果表明 ,本次试验所研制的单向专用振动台是合理可行的,为取得可信的试验结果打下了坚实的基础。同时,该设备还可以进行其它岩土结构振动台模型试验为今后岩土抗震研究奠定了试验基础。结构一地基动力相互作用体系振动台模型试验研究 吕西林、陈跃庆、陈波、黄炜、赵凌1 前言近 30 年来，国内外就结构一地基动力相互作用对结构地震反应的影响已进行了多方面 的研究， 其中大量工作集中在理论

31、研究与计算分析上， 取得了一些进展。 但由于问题的复杂 性，不同的计算方法都引进了一些假定和进行了不同程度的简化， 以致不同方法给出的结构 一地基反应间存在很大的差别 .，进入 90 年代以来，日本、美国等国家开始进行现场振动试 验和振动台试验，但由于各种条件限制，试验研究远不及理沦与计算分析那样广泛、深入， 使得许多理沦研究结果得不到试验验证， 难以直接指导工程设计。 因此， 开展结构一地基动 力相互作用体系的试验研究， 据此验证理论与计算分析的研究成果， 改进或提出合理的计算 模型和分析方法，就显得非常重要。结构一地基动力相互作用的试验研究分为振动台模型试骇和现场振动试验。 现场振动试 验

32、接近实际， 但实际的边界条件与材料特性很复杂难以分析各个因素对反应的影响， 且试验 费用很高、 耗时很长。而振动台模型试验的试验成本相对较低，可重夏性和可操作性强，试 验目的和进程容易为研究人员所控制，因而越产， 越受到入们的重视。 近年来，随着模型相 似理论和结构抗震试验技木的发展， 振动台模型试验成为进行结构一地基动力相互作用试验 研究的有效途径。本文在国家自然科学基金重点项目 “结构与地基相互作用的振动台试验与分析研究” 的 资助下， 在国内率先尝试进行结构一地基动力相互作用体系的振动台模型试验， 以了解结构 一地基相互作用的效果及规律。 试验中， 考虑了模型的相似设计， 采用桩基和箱基

33、两种基础 形式，以配置不同大小质量块的单柱模拟上部结构。结论：通过上一基础一上部结构动力相互作用体系的振动台模型试验， 得到动力相互作用体系 的地震动反应的一些主要规律如下(1)在地震动的激励下，结构会发生整体沉降。当为桩基时，结构尽管有沉降，但一般 不发生倾斜 ;对于箱基的情况，结构沉降更严重，且往往产生倾斜直至倾覆。这与实际地震 震害一致。( 2)由于地基一结构动力相互作用的影响，软上地基中相互作用体系的频率远小于刚性 地基上不考虑结构一地基相互作用的结构自振频率，而阻尼比则远大于结构材料阻尼比。(3) 软上地基对地震动起滤波和隔震作用。地震动自下而上传播中，软上地基过滤了大部 分高频地震动，仅留下低频成分，而且加速度峰值减小。(4) 由于_L 部结构的振动反馈， 改变了基底地震动的频谱组成， 使基础处的地震动与自由 场地震劝不完全相同。 试验表明， 基础处的有效地震动输人比自由场地震动小， 与体系频率 接近的分量获得加强，而有些频率分量减弱。(5) 整个体系的加速度峰值反应在高度上呈 “K ”形分布，且各点的加速度峰值