本实用新型专利技术提供一种基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，该装置包括振动噪声测试系统、模态分析系统、力锤、加速度传感器、电子秤、直尺、杨氏模量计算系统、台架、橡皮绳、长度为L的试件，该装置的连接方式为：试件用橡皮绳悬挂在台架上，试件悬挂的位置距试件左端面分别为0.224L和0.776L，在试件上固定加速度传感器，并用导线将加速度传感器与振动噪声测试系统相连，用导线将力锤与振动噪声测试系统相连，用导线将振动噪声测试系统、模态分析系统与杨氏模量计算系统相连。本实用新型专利技术通过试验结果结合理论公式推导出金属材料的杨氏模量，使杨氏模量参数值确定过程准确、高效。
【技术实现步骤摘要】
本技术设及一种基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，具体指通 过测量试件自由状态下一阶固有频率并结合理论公式计算，测试并推导出金属材料杨氏模 量的检测方法。
技术介绍
杨氏模量是反映材料力学特性的一个重要参数，在对机械结构件进行有限元仿真 研究时，所提供材料的杨氏模量的准确性将直接影响分析结果的准确性，因此通过实验方 法得到材料的杨氏模量十分重要。近年来，在工程
，多采用光杠杆法测量金属材料 的杨氏模量，进行该测量试验时需要准备较细的金属丝，在测量金属丝长度L时，由于金属 丝上下端装有紧固夹头，同时金属丝处于竖直拉长状态，在测量时会带来一系列问题：一是 由于紧固夹头的阻碍，很难将钢卷尺贴近金属丝，钢卷尺必须与金属丝平行偏置一定距离 才能进行测量，由于人眼读数的视差，会降低读数准确度；其次，由于金属丝处于竖直拉长 状态，测量者要将钢卷尺竖直拉长后再去读数，很难保证视线与刻度对齐，从而产生视差， 降低读数精度；第=，由于采用了光杠杆多次成像的方法放大微小位移，故而对原来位移的 微小扰动，也会同时放大成相当大的干扰，从而影响读取数值的精确度。对于金属材料杨氏 模量的测量还有多种方法，如光纤传感器法、CCD法、干设法、拉伸法和衍射法等，但运些方 法大多实验操作繁琐、理论公式复杂，导致测量效率低、现场适应性差，因此需要研究新的 装置对金属材料的杨氏模量进行测量。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是，提供一种能够简化测量过程、降低测量成本、 提高测量结果准确性的金属材料杨氏模量测量装置。 本技术的技术方案是：一种基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装 置，该装置包括振动噪声测试系统、模态分析系统、力键、加速度传感器、电子砰、直尺、杨氏 模量计算系统、台架、橡皮绳、长度为L的试件，该装置的连接方式为：试件用橡皮绳悬挂在 台架上，试件悬挂的位置距试件左端面分别为0. 22化和0. 776L在试件上固定加速度传感 器，并用导线将加速度传感器与振动噪声测试系统相连，用导线将力键与振动噪声测试系 统相连，用导线将振动噪声测试系统、模态分析系统与杨氏模量计算系统相连；测试过程 为：用力键敲击试件，加速度传感器拾取试件各测点的加速度响应，该响应信号传入振动噪 声测试系统、模态分析系统与杨氏模量计算系统，得到该试件自由状态下的一阶固有频率 和材料的杨氏模量。 上述的基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，其长度为L的试件为等 截面圆棒形。 上述的基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，试件固有频率测试过程 为：在长度为L的试件一端取一激励点，在试件其余位置按等距布置加速度传感器，使用力 键敲击试件，加速度传感器拾取试件各测点的加速度响应，该响应信号传入振动噪声测试 系统和模态分析系统，用最小二乘法拟合求解试件的模态参数，即可得到试件自由状态下 的一阶固有频率fl。 上述的基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，试件杨氏模量的求取过 程为：把试件长度^试件直径t试件质量m和试件自由状态下第一阶固有频率等参数 传入杨氏模量计算系统，根据公式i求出试件材料的杨氏模量。 基于模态固有频率测量金属材料杨氏模量的理论基础： 圆柱梁在xoy平面内的横向振动如图2(a)所示，现在讨论横向变形y(x，t)仅由 弯矩引起的情况。考虑图2(b)所示的一微元dx的隔离体图，由牛顿第二定律，横向的动态 力方程为(1) 式中，P-圆柱梁的密度，S-圆柱梁截面积，Q-剪力。 将微元dx右侧面处所有弯矩相加得出[001 引（2) 由材料力学知识可知，圆柱梁的曲率与弯矩的关系为[001 引（3) 式中，E-圆柱梁材料的弹性模量，J= // ,y2ds称为某一截面的惯量矩（取决于 截面的形状），圆柱梁的惯量矩J=S(d/4)2,其中d为圆柱梁的直径，M-弯矩。 将式（2)与式（3)相结合，圆柱梁横向振动的运动方程可写为[001 引（4) 对一根长度L>>直径d的圆柱梁，用中部的两根悬线将其吊起来，如图1所示， 使两端处于自由状态，在不考虑外力情况下，X处沿垂直方向（y方向）的位移满足如下关 系：(5) 用分离法求解方程巧），令y(x，t) =X(x)T(t)，代入式巧），可得(6)[002引设圆柱梁上各点都做简谐运动，则此两方程的通解分别为(7)于是横向振动方程巧）的通解为 y(X，1:) = (aichKx+azshKx+asCosKx+a4sinKx) ?bCOS(Wt+本） (8) 式中(9) 称为固有圆频率公式，适用于不同边界条件下任意形状截面的试件。只要用特定 的边界条件定出常数K，带入特定截面的惯量矩J，就可得到具体条件下的计算公式。如果 悬线悬挂在试件的节点（处于共振状态的圆柱梁中，位移恒等于零的位置）附近，则圆柱梁 的两端均处于自由状态。此时其边界条件为自由端横向作用力F和弯矩M均为零。即[003? 故有 将通解带入W上边界条件得到 COSKL?chKL= 1 (10) 采用数值解法可W得到本特征值K和圆柱梁长L应满足 当KiL= 4. 730,时所对应的试件频率就是自由状态下第一阶非零固有圆频率。 试件在W第一阶非零固有频率振动时存在两个节点，它们的位置分别距离左端0.22化和 0. 77化。 将第一个本征值KiL= 4. 73对应的Ki= 4. 73/L代入式巧），可得到自由振动时 的第一阶非零固有圆频率为(11)[00川解出杨氏模量正= 1.9978X10-3.(12) 式中：.为第一阶非零固有频率。[004引对于圆柱梁. 代入上式得到（13) 式中：m为圆柱梁的质量。式（13)是本实验杨氏模量的计算公式。在国际单位制 中杨氏模量E的单位为N-m2。 本技术的有益性在于通过对试件键击法试验获得准确的固有频率值，结合杨 氏模量理论公式即可得到被测试件金属材料的杨氏模量实际数值，运在没有材料试验机或 需要获取准确的杨氏模量W解决现场问题的情况下尤其有用，本技术能够简化测量过 程、降低测量成本、提高测量结果的准确性。【附图说明】 图1是表示本技术的一实施方式的基于固有频率的金属材料杨氏模量测量 装置组成图。 图2是表示本技术理论基础的圆柱梁横向振动示意图。 图3是表示本技术上述实施方式的金属材料杨氏模量测量分析流程图。 附图标号说明 1、振动噪声测试系统，2、模态分析系统，3、力键，4、加速度传感器，5、电子砰，6、直 尺，7、杨氏模量计算系统，8、台架，9、橡皮筋，10、试件【具体实施方式】 下面，结合附图1~3对本技术的基于固有频率的金属材料杨氏模量测量装 置作W下详细说明。 如图1所示基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置包括振动噪声测试 系统1、模态分析系统2、力键3、加速度传感器4、电子砰5、直尺6、杨氏模量计算系统7、台 架8、橡皮筋9、试件10,金属材料杨氏模量测量方法如下： a)用直尺6测量试件10的长度L和直径d;[005引 b)用电子砰5测量试件10的质量m; C)将试件10用橡皮绳9悬挂在台架8上，试件悬挂的位置距试件左端面0. 22化 和0. 77化； d)在试件10上固定加速度传感器4,并用导线将加速度传感器4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模态固有频率的金属材料杨氏模量测量装置，该装置包括振动噪声测试系统、模态分析系统、力锤、加速度传感器、电子秤、直尺、杨氏模量计算系统、台架、橡皮绳、长度为L的试件，该装置的连接方式为：试件用橡皮绳悬挂在台架上，试件悬挂的位置距试件左端面分别为0.224L和0.776L，在试件上固定加速度传感器，并用导线将加速度传感器与振动噪声测试系统相连，用导线将力锤与振动噪声测试系统相连，用导线将振动噪声测试系统、模态分析系统与杨氏模量计算系统相连；测试过程为：用力锤敲击试件，加速度传感器拾取试件各测点的加速度响应，该响应信号传入振动噪声测试系统、模态分析系统与杨氏模量计算系统，得到该试件自由状态下的一阶固有频率和材料的杨氏模量。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周长峰，
申请(专利权)人：山东交通学院，
类型：新型
国别省市：山东;37
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