【CN209525203U】悬臂梁受冲击荷载作用时求解动荷因数的实验装置【专利】

悬臂梁冲击试验机测试项目和功能设计
悬臂梁冲击试验机的测试项目和功能设计可以包括以下内容：
1. 冲击试验项目：对悬臂梁的冲击性能进行测试和评估，包括静载、动载、疲劳、断裂等试验。

2. 功能设计：针对不同的测试项目，悬臂梁冲击试验机需要具备以下功能：
a. 荷载控制功能：能够控制施加在悬臂梁上的荷载，并能够
实现不同荷载大小和载荷形式的自动或手动控制。

b. 试样夹持功能：能够夹持悬臂梁，并能够调整夹持方式和
夹持力，确保试样的稳定性和安全性。

c. 外部荷载测量功能：能够测量施加在悬臂梁上的外部载荷，并能够实时监测荷载的大小和变化情况。

d. 位移测量功能：能够测量悬臂梁在荷载作用下的位移变化，并能够实时监测位移的大小和变化情况。

e. 数据采集和处理功能：能够采集和处理试验过程中的各种
测试数据，如荷载、位移、应力、应变等，并能够实时显示和记录数据。

f. 自动化控制功能：能够实现试验过程的自动化控制，包括
荷载和位移的自动控制、试样夹持力的自动调整等。

g. 试验环境监测功能：能够监测试验过程中的环境参数，如
温度、湿度等，并能够对环境参数进行实时监测和记录。

h. 安全保护功能：能够有针对性地保护试验机和试样的安全，包括过载保护、位移限制、紧急停机等功能设计。

i. 用户界面设计：为了方便用户操作和监控试验过程，需要
设计一个友好的用户界面，包括实时数据显示、试验过程控制、试验参数设置等功能。

以上是悬臂梁冲击试验机测试项目和功能设计的基本内容，具体设计应根据实际需求和试验要求进行调整和优化。

冲击动应力实验一、实验目的1．分析梁在冲击载荷作用下, 梁的最大动应变和冲击高度之间的关系；利用测试分析软件, 测量梁的冲击振动固有频率；二、实验仪器和设备1．等强度梁冲击实验装置一台；2．冲击动应变动荷系数测试仪一台；3．上位机测试分析软件一套。

三、实验原理和方法等强度梁动砝码立柱释载机构调节螺钉图一.实验装置结构示意图实验装置如图一所示。

具体为:1.梁的参数为:弹性模量E＝70Gpa, 最大宽度B=30mm, 长度L＝300mm, 厚度h=4mm, 冲击砝码质量m=200g。

2.梁的水平调节:梁的底板由四个可调螺钉支承, 螺钉用于调节装置的水平位置。

3.加载方式:释放冲击载荷的机构由曲柄连杆机构组成, 通过移动导轨上的上下安装的柱形手柄使夹头张开或合拢, 达到释放或托住冲击砝码的目的。

当载荷稳定时, 即为静态载荷。

4.取下砝码:先拔出连接等强度梁和吊杆的销子, 则吊杆和梁分离, 或转动圆形托盘, 使得其从下面脱落, 可以自然取下冲击砝码。

5.调整冲击高度:冲击实验可以通过调节托盘的高度, 在一定范围内以任意高度冲击, 通过观察吊杆旁边的直尺, 调节冲击的高度。

6.选择应变片:在梁的两个不同的截面上, 在上下表面沿梁的轴线方向分别粘贴应变片, 靠近固定端的两个应变片用绿颜色导线引出, 上面标号为1下面标号为2, 另外两个应变片用白颜色导线引出, 上面标号为3, 下面标号为4。

应变片的电阻值为120欧姆, 灵敏系数K=2.10, 实验者可以根据需要选用其中两个不同表面的应变片组成半桥, 也可以用4个应变片组成全桥进行测量。

实验原理和方法如下:首先选择测量桥路, 可以使用全桥或半桥。

利用冲击动应变动荷系数测试仪测量梁的静态读数应变(j, 然后选择不同的冲击高度h,测量最大冲击动态读数应变(d, 则动荷系数Kd 为：jdKd εε=(1) 并同时可以测得梁振动时的频率f 。

BLb(x)xh图2 等强度梁结构参数 最大挠度和最大应变分别为(x=0):33max6EBhPL y j ==∆ (2) 26EBhPLj =ε (3) 而动荷系数Kd 为:jh Kd ∆++='211 (4)式中, h ’为冲击高度。

ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ＢＳＴＲＡＣ Ｔ ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ， ａ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ
梁 在 动 荷 载作 用 下 的有 限 元 分 析 对 于 理 论 和 工 程 上 的 研 究 都 有 非 常 重 要 的 意 义 。 Ｐａｒｋｅｓ利 用 移 行 铰 模 型 分析 了端 部 受 冲击 悬 臂 梁 的 刚 塑 性 动 力 响 应 … 。作 为 一 个 经 典 问题 ，学 者 们 逐 渐 开 始 研 究 建 筑 结 构 在 冲 击 荷 载 下 的 动 力 响 应 Ｅ ２－４ ３。 Ｒｅｉｄ研 究 了 冲击 荷 载作 用 下 弹 塑 性 悬 臂 梁 的变 形 特 征 ，描 述 了 弹 性 变 形 在 建 立 最 终 变 形 分 布 中 的 作 用 ；虞 吉 林 等 对 冲 击 荷 载 作 用 下 的 固 支 梁 进 行 数 值模 拟 ，描 述 了受 冲击 荷 载 作 用 下 梁 的变 形 特 点 和 破 坏 机 制 ；余 同 希 对 变 截 面 梁 进 行 了 详 细 的 研 究 。
科 Байду номын сангаас 开发
悬臂梁在 冲击荷载作 用下 的弹塑性 响应 分析
丁 政 吴 志 杰 梁 建 臧 晓 琳 （山 东科 技 大 学 ，山 东 省 土 木 工 程 防灾 减 灾 重 点 实 验 室 ，山 东 青 岛 ２６６５９０）
摘 要 ：针 对 悬 臂 粱在 冲 击荷 载 作 用 下 的 弹 塑性 动 力 响 应 进 行 研 究 ，利 用 有 限 元 软 件 ＡＢＡＱＵＳ建 立 悬 臂 粱模 型 进 行 数 值 分 析 。 对 悬臂 梁 中点 施 加 冲 击荷 载 ，通 过 对响 应 不 同 时 刻 弯 矩 分 布 特 征 的 分 析 ，阐 明 了悬 臂 梁 的 弹 塑 性 动 力 响 应 模 式 。 结 果 表 明 冲 击 荷 载 作 用 下 悬 臂 梁 整 个 响 应 过 程 可 划 分 为 ５个 阶 段 ，即 弹 塑性 波 对 称 传 播 阶 段 、弹 塑 性 波 反 射 迭 加 阶段 、双 驻 定铰 阶 段 、根 部 单 铰 阶 段 、弹 性 自 由振 动 阶段 。 合 理 解 释 了撞 击发 生 后 ，悬臂 梁局 部 区段 所发 生 的 反 向 弯 曲 变形 ，弹 塑 性 分 析 证 实 了响 应 早 期 弹 塑 性 波 反 射 迭 加 阶段 和 双 驻 定 铰 阶 段 的 存 在 性 ，肯 定 了刚 塑性 分 析 所 假 定 模 式 的 主要 特征 ，从 而 为发 展 全 面的 弹 塑性 分析 模 型提 供 参 考 。 关键 词 ：弹 塑 性 ；动 力 响应 ；悬 臂 梁 ；数 值 模 拟 ＤｏＩ：１０．１３２０６／ｊ．ｇＪｇ２０１８１０００５

重物冲击下悬臂梁动力响应的能量法
能量法是悬臂梁动力响应的一种计算方法，它采用牛顿第二定律
及动能守恒定律，模拟重物冲击激励的悬臂梁的动力响应。

能量法基
于动能守恒定律，假定梁的经济长度不变，梁横截面不变，则横梁动
能总量E(t)是一个恒定： E(t) = E(0) + ∫0tF(t)u'(t)dt，其中
F(t)是重物在时间t时施加的冲击力，u'(t)是横梁在同一时刻的速度。

以能量法求解悬臂梁动力响应，可以从重力轨迹的垂直向冲击力，冲
击力的衰减及悬臂梁的反应获得动能的状态方程。

考虑重物每次冲击
引起角度的增减，可以迭代求解悬臂梁动力响应。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920388398.9(22)申请日 2019.03.26(73)专利权人 河南理工大学地址 454000 河南省焦作市高新区世纪大道2001号(72)发明人 冯鑫　潘求余　邵元元　刘志红　蔺钰珂　于春光　郭帅房　蔺海晓　(74)专利代理机构 郑州豫开专利代理事务所(普通合伙) 41131代理人 朱俊峰(51)Int.Cl.G01M 7/08(2006.01)G09B 23/10(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称求解多种梁的动荷因数实验装置(57)摘要求解多种梁的动荷因数实验装置，包括第一实验台，第一实验台的左侧上一体成型有竖直凸台，竖直凸台的右侧面下侧部固定有U型铁皮箍件，第一实验台的右侧上表面右侧边中部开设有水平连接槽，第一实验台的右侧上表面还固定连接有第一竖直安装架，第一竖直安装架的上侧安装有第一夹持装置，竖直凸台的上表面设有轨道，轨道沿左右方向水平设置，轨道的左端固定有动力弹簧，轨道的右端延伸至竖直凸台的右侧边，轨道内滑动设有第一铅块，轨道的右端部设有测速仪，竖直连接槽、第一竖直安装架、第一夹持装置和轨道的中心线在左右方向上位于同一竖直平面内。

本实用新型设计科学、结构合理、能完成多种梁的冲击实验、满足力学实验教学的需要。

权利要求书2页 说明书12页 附图8页CN 209606050 U 2019.11.08C N 209606050U权　利　要　求　书1/2页CN 209606050 U1.求解多种梁的动荷因数实验装置，其特征在于：包括第一实验台，第一实验台的左侧上一体成型有竖直凸台，竖直凸台的右侧面与第一实验台的右侧上表面垂直，竖直凸台的右侧面下侧部固定有U型铁皮箍件以形成竖直连接槽，第一实验台的右侧上表面右侧边中部开设有水平连接槽，水平连接槽的上侧和左侧敞口，水平连接槽的上侧前后两边部连接有平直型铁皮构件，第一实验台的右侧上表面还固定连接有第一竖直安装架，第一竖直安装架的上侧安装有第一夹持装置，竖直凸台的上表面设有轨道，轨道沿左右方向水平设置，轨道的左端固定有动力弹簧，轨道的右端延伸至竖直凸台的右侧边，轨道内滑动设有第一铅块，轨道的右端部设有测速仪，竖直连接槽、第一竖直安装架、第一夹持装置和轨道的中心线在左右方向上位于同一竖直平面内。

梁的动荷挠度实验一、预习要求1、复习材料力学有关动载荷和冲击时动荷系数的内容。

2、预习本节弄懂实验原理和测量方法。

二、实验目的1、测定梁在动荷撞击下的挠度，并与理论计算值比较。

2、学习测定动荷挠度的实验方法。

三、实验装置和仪器1、实验装置如图1；2、涡流传感器及适配器1套；3、计算机测试系统1套；4、直尺、扳手等工具。

四、实验原理实验装置简图如图2所示。

根据材料力学能量原理，自由落体撞击在钢梁上的动荷系数K d 为：C d HK δ211++=式中：H 为自由落体离开钢梁的高度，δc 为重物自重直接加在钢梁中点处引起的静荷挠度。

EIPl C 483=δ因此，动荷挠度的理论值f c 为f c =K d δc图1 动荷挠度实验装置图2 动荷挠度实验装置简图实验时，自由落体撞击梁后用涡流传感器将其中点C处的动荷挠度转换成电信号经适配器适调后送计算机，由计算机测出动荷实验挠度f ´C。

五、实验方法1、将钢梁1按图示要求安装在相应的卡具中，测量并记录以下数据填入表1中：表1 实验数据记录表2、开计算机进入测试软件，从实验类型中选择B动荷挠度实验。

3、调整传感器探头与钢梁之间间隙为5mm。

4、把重锤提高到离开梁指定的高度H，点击“数采”，等5秒左右松开重锤，重锤撞击梁后计算机自动测量出动荷挠度。

重复上述过程5次，并分别记录各次动荷挠度。

六、实验结果处理1、将实验记录各次动荷挠度取算术平均值。

2、根据已知条件计算梁的理论动荷挠度f C，并同实验测试动荷挠度f ´C相比较。

济南科汇试验设备有限公司电话：400-658-1817 专注金属材料试验20年济南悬臂梁冲击试验机一、设备名称：济南悬臂梁冲击试验机二、型号：JB-500B三、济南悬臂梁冲击试验机性能说明：该机主要用于测定金属材料在动负荷下抵抗冲击的性能，以便判断材料在动负荷下的性质。

本机为半自动控制试验机，操作简单工作效率高，扬摆、冲击、放摆电器控制，并能利用冲断试样后的剩余能量自动扬摆作好下次试验准备，特别适用于连续做冲击试验的实验室和大量做冲击试验的冶金、机械制造等行业。

JB-500B型冲击试验机符合国标GB/T3808-2002《摆锤式冲击试验机的检验》，按国标GB/T229-2007《金属夏比摆锤冲击试验方法》对金属材料进行冲击试验。

1.试验机主机为分体式结构，悬臂式挂摆方式，摆锤锤体U型。

2.冲击刀采用螺钉安装固定，更换简单方便。

3.试样简支梁式支承，试样端面定位。

4.主机装有安全防护销，并配备了安全防护网。

5.采用半自动控制，扬摆、冲击、放摆均为电气控制，并能利用冲断试样后的剩余力量自动扬摆做好下次试验准备，特别适用于连续做冲击试验的实验室和大量做冲击试验的冶金、机械制造等行业。

6.试验机按国家标准GB/T3808-2002《摆锤式冲击试验机》、GB/T229-2007《金属夏比摆锤冲击试验方法》对金属材料进行冲击试验四、济南悬臂梁冲击试验机主要技术指标：1、冲击能量：250J、500J2、摆锤预扬角：150°3、摆轴中心至冲击点距离：800mm4、冲击速度：5.4m/s5、试样支座跨距：40mm6、钳口圆角：R1-1.5mm7、冲击刀刃圆角：R2-2.5mm R8mm8、冲击刀厚度：16mm9、角度准确度：±0.1°11、试样尺寸：10（7.5、5）×10×55mm12、外形尺寸：2000 mm×650 mm×1960mm13、试验机净重：约550Kg14、电源：交流三相 380V±10% 50HZ 5A15、环境条件：周围环境中无腐蚀介质，无震动，无强电磁场。

悬臂梁冲击试验机安全操作及保养规程随着科技的不断发展，冲击试验技术在各个领域得到了广泛应用。

悬臂梁冲击试验机，是用于测定物体在外力作用下的抗冲击性能的特殊试验设备，主要用于测试金属材料以及各种工业、民用、交通工具、航空航天、船舶、建筑等工程结构的耐冲击性能。

本文旨在介绍悬臂梁冲击试验机的安全操作及保养规程。

一、安全操作规程1.1 设备安装环境悬臂梁冲击试验机应当放置在干燥、通风、无火源的室内，并确保环境温度不低于5℃，相对湿度不大于80%。

1.2 设备前的准备1.设备运输过程中应进行外观检查及连通性检查，确认试验机有序、完好、符合使用要求。

2.确保设备安装稳固、切斜度正常，且能承受样品试件的负荷。

3.安装合适量级的保险丝，并符合电气载荷要求。

4.确保试验机地线连接良好，电气虚线不得接地。

1.3 操作规程1.严格按照先小后大的原则，从小荷载开始依次加大荷载进行试验，并在测试过程中进行观察，记录下取数。

2.依据试验要求设定依次恒荷载和动荷载持续时间，并按照规程从小荷载开始测试。

3.在进行大量试验时，每组试验应依次检查试验机的各项参数，尤其是操作系统数据是否正确有效，试验数据是否有效等。

4.在样品试件出现感应时，应立刻停止操作，到等到者感应消失后可以重新进行试验。

二、保养规程2.1 操作维护：1.在试验前，应检查试验机、传感器、电缆、线接口等配件的安装、接线、内幕销耳口，以保证试验设备、喷水隔离措施是可靠的。

2.可以定期检查仪器仪表，如光栅尺、位移传感器等设备的灵敏度、刚性状态和定位是否准确。

3.如设备的触发器、悬线等维护应彻底清洗、检查、调整，合理的安装，以保证试验过程的准确性。

2.2 日常维护：1.检查试验机的电器接线，保持接触良好，电缆、线接口应排布整齐，处于好电气状态。

2.编写机器的日常维护日志，可以帮助制定健全和更安全的操作计划，减少设备损坏的风险。

3.对设备的秸杆、轨道、理髇等部位进行定期检查和擦拭。

第３９卷第３期压　电　与　声　光Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．３２０１７年６月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ　＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　Ｊｕｎ．２０１７ 收稿日期：２０１６－０７－１４ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７５３５９）；２０１４年度江苏省第四期“３３３工程”科研基金资助项目（ＢＲＡ２０１４０８６）；“青蓝工程”基金资助项目 作者简介：汪红兵（１９７７－），男，安徽省舒城县人，副教授，硕士，主要从事压电驱动与压电俘能技术的研究。

文章编号：１００４－２４７４（２０１７）０３－０４２６－０４一种冲击式悬臂梁压电俘能器的设计与实验汪红兵，孙春华（苏州市职业大学机电工程学院，江苏苏州２１５１０４） 摘　要：为提高悬臂梁压电俘能器的俘能效率，提出了一种冲击式悬臂梁压电俘能器。

该俘能器包括多个悬臂梁压电振子，可在风力、人体动力能及环境振动能等多种外载荷作用下产生电能。

俘能器的核心部件是悬臂梁压电振子，通过冲击实验发现悬臂梁压电振子在周期性冲击载荷作用下拓宽了共振频率，同时提高了输出功率。

测试结果显示在频率约为２１Ｈｚ的方波冲击信号下，外接电阻为５０ｋΩ时，单个悬臂压电俘能器最大输出功率可达０．２８ｍＷ；当频率分别为５Ｈｚ、８．５Ｈｚ时，还可分别输出０．０７ｍＷ和０．１７ｍＷ的功率，俘能器出现多个峰值电功率。

研究表明所设计的冲击式压电俘能器可有效提高俘能效率。

关键词：冲击；悬臂梁；压电俘能器；共振；振子中图分类号：ＴＮ３８４ 文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ａｎ　Ｉｍｐａｃｔ　Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ＨａｒｖｅｓｔｅｒＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇｂｉｎｇ，ＳＵＮ　Ｃｈｕｎｈｕａ（Ｄｅｐｔ．ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｕｚｈｏｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５１０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｗｈｉｃｈ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｅ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ　ｓｏｍｅ　ｏｕｔｅｒ　ｌｏａｄｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｗｉｎｄ，ｂｏｄｙ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒ－ｖｅｓｔｅｒ　ｗａｓｓ　ｔｈｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｔｅｓｔ　ｗａｓｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｓｏ－ｎａｎｃｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　ｂｒｏａｄｅｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｉｍｐａｃｔ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｉｂｒａｔｏｒ　ｗａｓ　ａｂｏｕｔ　０．２８ｍＷ　ｗｈｅｎｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｗａｓｓ　ａｂｏｕｔ　２１Ｈｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏａｄ　ｗａｓ　５０ｋΩ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｗａｓａｂｏｕｔ　５Ｈｚ　ａｎｄ　８．５Ｈｚ，ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　０．０７ｍＷ　ａｎｄ　０．１７ｍＷ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｉｍｐａｃｔ　ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍｐａｃｔ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｈａｒｖｅｓｔｅｒ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｖｉｂｒａｔｏｒ　０　引言近年来，随着大规模分布式无线传感系统及微功率器的快速发展，传统化学电池供能方式虽在一定程度上满足需求，但存在如体积较大，寿命有限，需要定期更换等缺点［１］。

冲击载荷下梁弯曲挠度的测量与分析（新开）一、实验目的1．了解动态数字图像采集系统；2．观察悬臂梁在冲击载荷下的挠度随时间的变化；3．定量分析梁在冲击载荷下的的最大挠度，并与理论结果进行比较；二、实验设备摆锤式冲击加载装置, 计算机，图像采集卡，显示器，CCD 数字摄像机三、实验原理与实验系统1．实验原理云纹是由一组平行的栅线与其在物体表面投影的栅线的影子叠合后形成的一组携带物体高度信息的粗条纹。

这一方法的测量原理如图1所示：悬臂梁的一侧面和光栅面均位于XOY 平面，光栅的栅线平行于X 轴。

S 为光源，O 为观察点，光线入射角α，观察角β，悬臂梁弯曲时，试样受拉一侧的表面坐标为（x ，y ，d ），d 即为梁弯曲时的轴线挠度，由云纹法测得。

图1 云纹法原理βαtg tg np d += （1） 式中：n 为云纹级数，p 为光栅节距（0.5 mm ） 2．系统框图本系统分为三部分（见图2）（1） 光路系统：光源1，光栅2 （2） 机械加载系统：试样3，摆锤式冲击加载装置4Z（3） 数字图像采集与处理系统：成像透镜5，CCD6，图像卡7，计算机8四、实验步骤1．测量试样的截面宽度b ，高度h ，长度L ，测量入射角α, 观测角β；图2-12-2 系统框图2．调整试样的初始状态，使之不发生弯曲，调整光栅面与梁平行，使之靠近梁表面；3．打开计算机数字图像采集与处理系统：打开计算机，双击Bcam.viewer后进入图像采集状态。

使悬臂梁经CCD成像后实时地显示在图像监视器上。

按菜单提示，调整图像的大小、亮度、快门(<100)、对比度和饱和度等参数；使条纹图像位于左上端坐标(150,190)处.4．打开store.avi, 进行冲击操作,以非压缩方式保存A VI.五、数据处理与分析回放采集到的时间系列图像。

观察悬臂梁在冲击载荷下的挠度随时间的变化; 将实验值与理论计算值进行分析比较。

连续载荷作用下悬臂梁的Airy应力函数解法熊雪强;赵奎【摘要】The plane stress problem was solved about the cantilever beam subjected to continuous load q(x) = ax2+bx+c based on the nature of stress function and boundary conditions. It can be received stress function at the random linear or second order load when changed the coefficients of the equation, then the analytic solutions is to supplement the classical example related to elastic theory. Study shows it is very difficulty to get the analytic solutions subjected to higher order load.%依据应力函数的性质结合边界条件,求解连续载荷q(x)=ax2+bx+c作用下悬臂梁的平面应力问题,改变载荷方程的系数,可得到任意线性、二次分布载荷作用下的应力函数,该解析解是对弹性理论中相关经典例题的补充,求解计算表明,要得到更高次栽荷分布情况的解析解将非常困难.【期刊名称】《江西理工大学学报》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】3页(P27-29)【关键词】连续载荷;悬臂梁;应力函数性质【作者】熊雪强;赵奎【作者单位】江西理工大学,资源与环境工程学院,江西赣州341000;江西理工大学,工程研究院,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】TU311弹性力学平面问题的应力解法，归结为求解满足边界条件的双调和方程.从纯数学上求得双调和方程的通解是很困难，因而采用逆解法和半逆解法凑得满足边界条件和双调和方程的解.对于应力函数的选择，依据逆解法的结果、材料力学近似公式、应力边界条件及量纲分析等，方法上规律性不明显，存在很大的盲目性，使初学者感到束手无策.梁的平面应力问题为经典弹性力学问题,也是在实际工程常遇到力学问题.弹性力学教材与相关文献给出了简支梁在各种载荷作用下，悬臂梁受端部集中力、线性分布载荷及均布载荷的直角坐标平面问题解答[1-12].对于悬臂梁在其他复杂线性、二次分布载荷作用下的平面问题，按照逆解法和半逆解法试凑应力函数求解较为困难，且无规律可循.应力函数的一阶导数与边界上合力的主向量的分量有关，而应力函数在边界上与力矩有关[1].文献[2-4]叙述了根据边界上应力函数的力学意义（性质），选择应力函数求解平面问题的方法.文中依据应力函数的性质结合边界条件，求解连续载荷q （x）=ax2+bx+c作用下悬臂梁的平面应力问题.如图1所示单位宽度悬臂梁计算模型，假设其受任意二次连续分布载荷q（x）=ax2+bx+c作用，不计体力影响.根据应力函数的边界性质，选取A为起始点，Γ为边界上流动点，在图1所示坐标系下应力函数边界上应满足：Γ顺时针流动：Γ逆时针流动：其中，Rx、Ry和MΓ分别是从A点起算的边界载荷对Γ点简化的主矢量分量和主矩（逆时针为正）.A为起点，则可令：下边界AD上，载荷处处为零，由式（2）得：上边界BC上，由式（1）得：由应力函数沿主要边界的分布规律式（5）可知，Φ沿x方向按四次多项式规律变化，沿y方向的变化规律未知，因此选择如下应力函数形式：代入边界条件式（4）～式（6）可得应力函数的边界值：当y=h时，当y=-h时，将所设应力函数代入双调和方程Δ4Φ＝0，可分离出5个常微分方程：求解上述5个常微分方程；由边界条件式（8）～式（11）定出积分常数，经整理得到如下结果：将求得的f4（y）、f3（y）、f2（y）、f1（y）、f0（y）代入式（7），得到q （x）=ax2+bx+c连续载荷作用下悬臂梁的应力函数：均布载荷q作用时，如图2所示.此时载荷形式对应于a=0，b=0,c=q代入式（12）得到该载荷作用下的应力函数，见式（13）.求得的应力函数式（13）和文献[4]中例题解答一致，文献[4]同时指出根据边界应力函数的分布规律、材料力学解、或求解类似问题的经验反推应力函数过程复杂. 线性载荷q（x）=x作用时，如图3所示.此时载荷形式对应于a=0，b=1,c=0，代入式（12）得到该载荷作用下的应力函数，见式（14）.抛物线分布载荷q（x）=x2作用时，如图4所示.此时载荷形式对应于a=1，b=0,c=0，代入式（12）得到该载荷作用下的应力函数，见式（15）.将式（13）～（15）代入应力公式求解应力分量，由应力分量通过物理方程求解各应变分量，然后利用几何方程求解各位移分量的过程不在此叙述.文中依据应力函数的性质结合边界条件，求解连续载荷作用下悬臂梁的平面应力问题，改变载荷方程的系数，可得到任意线性、二次分布载荷作用下的应力函数.求解过程表明，二次分布载荷下，由边界条件定出积分常数函数需求解20个线性方程组，因此，要得到更高次载荷分布情况的解析解将非常困难.【相关文献】[1]徐秉业，王建学．弹性力学[M]．北京：清华大学出版社，2009．[2]黄炎．工程弹性力学[M]．北京：清华大学出版社，1982．[3]黄炎．关于弹性力学教学中应力函数的选择[J]．清华大学教育研究，1981(4)：55-70．[4]陆明万，罗学富．弹性理论基础[M]．北京：清华大学出版社，2001．[5]陆明万，张雄，葛东云．工程弹性力学与有限元法[M]．北京：清华大学出版社，2007．[6]徐芝纶．弹性力学简明教程[M]．北京：高等教育出版社，2006．[7]程渭民．弹性力学平面问题的几种解法[J]．南方冶金学院学报，2005，26(6)：60-63．[8]谈志高，赵秀丽．关于平面应力函数的一些讨论[J]．力学与实践，2000(1)：58-60．[9]王敏中．关于“平面弹性悬臂梁剪切挠度问题”[J]．力学与实践，2004，26(6)：66-68．[10]李会知，宁永胜，刘敏珊．从应力边界条件推求应力函数[J]．郑州大学学报，2005，37(1)：91-93．[11]喻晓今．以置换法求静定钢架的位移[J]．江西理工大学学报，2007，28(6)：50-52．[12]徐杏华．均布载荷作用下悬臂梁的弹性应力解[J]．湖南城市学院学报，2010，19(4)：9-11．。

悬臂梁冲击试验悬臂梁冲击试验是对材料的脆性（或韧性）进行测量的另一种试验方法，对使用简支梁冲击试验中冲不断的材料，使用悬臂梁冲击试验就显得特别重要。

1．定义无缺口试样悬臂梁冲击强度：无缺口试样在悬臂梁冲击破坏过程中所吸收的能量与试样原始横截面积之比，用KJ/m2表示；缺口试样悬臂梁冲击强度：指缺口悬臂梁试验在冲击破坏过程中所吸收的能量与试样缺口处原始横截面积之比，用KJ /m2表示；反置缺口式样悬臂梁冲击强度：指反置缺口试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与试样缺口处原始横截面积之比，试验时摆锤的冲击方向为缺口的背面，用KJ/m2表示；平行冲击：对层压增强材料在悬臂梁冲击试验中摆锤的冲击方向平行于板材的层压面；完全破坏：指试样断裂成两段或多段；铰链破坏：指断裂的试样由没有刚性的很薄表皮连在一起的一种完全破坏；部分破坏：指除铰链破坏以外的不完全破坏；不破坏：指试样未破坏，只是产生弯曲变形并有应力发白现象产生；2．方法原理由已知能量的摆锤一次冲击垂直固定成悬臂梁的试样，测量试样破坏时所吸收的能量。

摆锤的冲击线与试样的夹具和试样的缺口的中心线相隔一定距离。

3．方法要点1)试验机必须有一套可替换的摆锤，以保证吸收的能量在摆锤容量范围内；若有几个摆锤都能满足要求，应选用能量最大者；不同摆锤所测结果不能相互比较；2)试样可用模具直接经压塑或注塑；也可从压塑或注塑的板材上经机械加工制成。

试样的缺口可在铣床、刨床或专用缺口加工机上加工。

3)对于各向异性材料应分别按平行和垂直板材的某一特征方向分别切取试样。

对于各向异性的材料，通常是冲击平行于板面的试样侧面。

4)试验时首先抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中并按图1－1的要求夹住试样。

测定缺口试样时，缺口应在摆锤冲击刃的一侧面；然后释放摆锤；记录试样吸收的冲击能并对摩擦损失进行修正。

被测试样可能出现前述4种破坏类型种的某一种或一种以上，此时应把其中属于完全破坏和铰链破坏的测定值用以计算其算术平均值；在出现部分破坏时，如果要求报告此种部分破坏的测定值，应用字母P 表示；对完全不破坏的试样不报告其数值，并用NB 表示。

悬臂梁冲击试验作业指导书-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII1.0目的规范各种塑料悬臂梁冲击试验方法2.0范围：适用于检测室所有检测员3.0职责：品保员负责检测样品的抽取与送检。

注塑员负责对样品的注塑成型。

检测员负责样品的测试，并严格按照操作指导书操作。

4.0检验规程:4.1试样状态调节：温度 23±2℃，湿度为50±10%，试验前试样应在生化箱中进行温湿平衡处理，具体处理时间见《塑料状态调节作业指导书》。

温湿平衡处理完成后在与状态调节相同的环境下测试。

样条在生化箱中应平放避免堆积。

4.2试样检查：试样应无翘曲，相对表面应互相平行，相邻表面应相互垂直，所有表面和棱应无划痕、麻点、凹陷和飞边。

试样可用直尺、平板、目测检查是否符合要求，经检查发现试样不合要求时，应舍弃。

4.3 试样数量：一组应测试10个试样，当变异系数小于5％时，测试5个试样。

4.4 缺口加工：试样缺口在缺口加工机上加工出角度为45±1，缺口底部半径为0.25±0.05mm的A型缺口。

缺口加工机的刀尖线速度为90－185m/min，进给率为10－130mm/min。

定期检查刀具的锐度，如刀尖半径和形状不在规定的范围内，要及时更换刀具。

4.5 试样尺寸：长度l：80±2mm、宽度b：10±0.2、厚度h：4±0.2mm；测量每个试样中部的厚度、缺口剩余宽度精确到0.02mm。

缺口然后在“用户参数”中输入其所测试的宽度和厚度。

4.6 测试：4.6.1检查实验机是否有规定的冲击速度和正确的能量范围，破断试样吸收的能量在摆锤容量的10－80％范围，若几个摆锤都能满足要求，应选择其中能量最大的摆锤。

4.6.2抬起并锁住摆锤，把试样放在虎钳中. 试样支座为固定夹具和活动夹具组成的虎钳。

夹具的夹持面应平行，偏差在士0. 025 mm之内。