本发明提供一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置及方法，涉及机械制造及动力学技术领域。该装置在支撑壳体中心放置预埋有金属贴片的上下试件，上下试件的下的接触面构成结合部；支撑壳体顶部中心开有内螺纹通孔，压紧螺栓与之配合压紧结合部试件。压紧螺栓中心开有通孔，激振杆一端安装有压电式力传感器，另一端与激振器相连并通过螺栓通孔将压电式力传感器压在上试件的上表面。在上下试件的预埋金属贴片正下方有电涡流位移传感器。本发明还提供了使用该装置测量结合部动刚度和阻尼的方法。本发明的测量装置及测量方法，能够用于测量构成结合部试件自身具有高阻尼及其自身相对刚度较小的结合部，装置结构简单，测量方法有效可行。
1.一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置，其特征在于：包括激振信号发生系统、激振杆、预紧螺栓、支撑壳体、上试件、下试件、压电式力传感器、两个金属贴片和两个振动位移测量装置；
所述上试件和下试件均采用树脂矿物复合材料，且质量相同，同时，两个试件位于支撑壳体内底部中间位置，上下放置；支撑壳体顶部中心处开有内螺纹通孔；所述预紧螺栓与支撑壳体顶部中心的内螺纹通孔配合对上试件施加预紧力，预紧螺栓中心开有光滑通孔；所述激振杆一端与激振信号发生系统相连，另一端安装有压电式力传感器并穿过预紧螺栓上的通孔压在上试件上表面，对其施加激振载荷，压电式力传感器记录施加在上试件的激振力大小及其随时间变化情况；上试件和下试件的高度中心处对称预埋两个金属贴片，两个振动位移测量装置分别与两个金属贴片对应固定在支撑壳体内，用于测量两个金属贴片的振动位移并记录振动位移数据；所述激振信号发生系统包括PC机、功率放大器和激振器，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器使其振动，进而构成激振信号发生系统。
2.根据权利要求1所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置，其特征在于：所述预埋的两个金属贴片的质量均不大于树脂矿物复合材料试件质量的1％。
3.根据权利要求1所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置，其特征在于：所述两个振动位移测量装置均采用非接触式电涡流位移传感器，电涡流位移传感器通过螺纹连接方式固定到支撑壳体内。
4.一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，采用权利要求1所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置进行测量，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、组装测量装置；
步骤2、利用网线依次将PC机、功率放大器和激振器相连，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器使其振动，进而构成激振信号发生系统；通过PC机和功率放大器控制激振器的激振频率及激振力幅值；
步骤3、将振动位移测量装置的测量信号，压电式力传感器的测量信号通过网线经过与PC机相连的采集卡输入到PC机上，记录上试件和下试件的振动位移及激振力数据；
步骤4、PC机通过内置程序计算得到树脂矿物复合材料的上试件和下试件结合部刚度和阻尼；
(1)根据树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置得到测量树脂矿物复合材料结合部动刚度及阻尼的等效计算模型，进而建立上试件和下试件结合部的振动方程；
(2)求解上试件和下试件结合部的振动方程，得到上试件和下试件结合部的阻尼及动刚度。
5.根据权利要求4所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法为：将支撑壳体置于水平面放置平稳，将预先制备好的带有金属预埋贴片的树脂矿物复合材料的上试件和下试件置于支撑壳体内底面的中心，利用力矩扳手旋转预紧螺栓对结合部施加的预紧压力；
在支撑壳体内两侧分别安装一个振动位移测量装置，使它们分别位于两个金属预埋贴片和的正下方，测量上试件和下试件的振动位移；通过螺纹连接将压电式力传感器连接到激振杆一端，并将激振杆的另一端连接到激振器，将安装有压电式力传感器及激振杆的激振器采用弹性绳悬挂于上试件的正上方，并穿过预紧螺栓的中心孔将压电式力传感器压在上试件的上表面，调节激振器的高度使压电式力传感器压紧上试件。
6.根据权利要求4所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，其特征在于，所述建立的上试件和下试件结合部的振动方程如下公式所示：其中，m1为上试件和下试件的质量，大小用天平秤得；c1为上试件和下试件自身阻尼；cc为上试件和下试件结合部阻尼，k1为上试件和下试件自身刚度；kc为上试件和下试件结合部动刚度；ω为激振器的激振频率，由PC机控制；F1为激振力幅值，由压电式力传感器测得；x1、x2分别为上试件和下试件的振动位移； 为分别为上试件和下试件振动时的速度；
7.根据权利要求6所述的树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，其特征在于，所述求解上试件和下试件结合部的振动方程，得到上试件和下试件结合部的阻尼及动刚度的具体方法为：令公式(1)的稳态解为：
分别对公式(2)中的x1和x2求一次和二次导数得到：
将式(2)～(4)代入到式(1)中消去eiωt，得到树脂矿物复合材料上试件和下试件的振幅B1和B2分别为：树脂矿物复合材料上试件和下试件振动的相位角大小为ψ1和ψ2分别为：
和B2分别为上试件和下试件振动时的振幅，通过振动位移测量装置测得；ψ1和ψ2分别为上试件和下试件振动时的相位角，通过振动位移测量装置记录的振动曲线求得；
式(5)和式(6)中的B1、B2、ψ1、ψ2、m1、ω、F1均已知，而式(5)和式(6)中的未知量为c1、cc、k1、kc且式(5)和式(6)共有4个方程，因此联立式(5)和式(6)并解之即可求得试件自身刚度和阻尼k1、c1，结合部刚度和阻尼kc、cc。
树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及机械制造及动力学技术领域，尤其涉及一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置及方法。
背景技术
[0002] 树脂矿物复合材料是一种由天然石材骨料、填料、合成树脂及其他组分构成的新型树脂基矿物复合材料，该材料具有高阻尼、热稳定性好、密度低(相对于铸铁，钢)、可常温铸造及成本低等优点。利用树脂矿物复合材料的高阻尼性和热稳定性制造机床的基础件可以显著提高机床的抗振性及抵抗热变形的能力进而显著提高机床的加工精度乃至提高机床的综合性能。
[0003] 对于树脂矿物复合材料机床而言，树脂矿物复合材料结合部的动刚度及阻尼对树脂矿物复合材料机床整机性能有着重要影响，但现有测量结合部的方法均是针对金属材料结合部，金属材料自身阻尼小刚度大，测量该种结合部动刚度和阻尼时可以忽略构成结合部元件自身阻尼及刚度的影响。树脂矿物复合材料由多种成分构成，在成分组成方面其与金属有本质不同且树脂矿物复合材料的阻尼比约为铸铁的8～10倍，但其强度和刚度及密度比金属小许多，因此在材料性能方面其与金属也存在本质区别，因此测量树脂矿物复合材料结合部时不能忽略树脂矿物复合材料自身阻尼和刚度影响，即传统金属结合部动刚度及阻尼的测量方法不适用于树脂矿物复合材料结合部相关性能测量。研发适用于测量树脂矿物复合材料结合部动刚度及阻尼的方法进而指导设计制造树脂矿物复合材料机床具有重要意义。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置及方法，实现对树脂矿物复合材料结合部的动刚度和阻尼进行测量计算。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一方面，本发明提供一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置，包括激振信号发生系统、激振杆、预紧螺栓、支撑壳体、上试件、下试件、压电式力传感器、两个金属贴片和两个振动位移测量装置；
[0006] 所述上试件和下试件均采用树脂矿物复合材料，且质量相同，同时，两个试件位于支撑壳体内底部中间位置，上下放置；支撑壳体顶部中心处开有内螺纹通孔；所述预紧螺栓与支撑壳体顶部中心的内螺纹通孔配合对上试件施加预紧力，预紧螺栓中心开有光滑通孔；所述激振杆一端与激振信号发生系统相连，另一端安装有压电式力传感器并穿过预紧螺栓上的通孔压在上试件上表面，对其施加激振载荷，压电式力传感器记录施加在上试件的激振力大小及其随时间变化情况；上试件和下试件的高度中心处对称预埋两个金属贴片，两个振动位移测量装置分别与两个金属贴片对应固定在支撑壳体内，用于测量两个金属贴片的振动位移并记录振动位移数据；所述激振信号发生系统包括PC机、功率放大器和激振器，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器使其振动，进而构成激振信号发生系统。
[0007] 优选地，所述预埋的两个金属贴片的质量均不大于树脂矿物复合材料试件质量的1％。
[0008] 优选地，所述两个振动位移测量装置均采用非接触式电涡流位移传感器，电涡流位移传感器通过螺纹连接方式固定到支撑壳体内。
[0009] 另一方面，本发明还提供一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1、组装测量装置；
[0011] 将支撑壳体置于水平面放置平稳，将预先制备好的带有金属预埋贴片的树脂矿物复合材料的上试件和下试件置于支撑壳体内底面的中心，利用力矩扳手旋转预紧螺栓对结合部施加的预紧压力；
[0012] 在支撑壳体内两侧分别安装一个振动位移测量装置，使它们分别位于两个金属预埋贴片和的正下方，测量上试件和下试件的振动位移；通过螺纹连接将压电式力传感器连接到激振杆一端，并将激振杆的另一端连接到激振器，将安装有压电式力传感器及激振杆的激振器采用弹性绳悬挂于上试件的正上方，并穿过预紧螺栓的中心孔将压电式力传感器压在上试件的上表面，调节激振器的高度使压电式力传感器压紧上试件；
[0013] 步骤2、利用网线依次将PC机、功率放大器和激振器相连，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器使其振动，进而构成激振信号发生系统；通过PC机和功率放大器控制激振器的激振频率及激振力幅值；
[0014] 步骤3、将振动位移测量装置的测量信号，压电式力传感器的测量信号通过网线经过与PC机相连的采集卡输入到PC机上，记录上试件和下试件的振动位移及激振力数据；
[0015] 步骤4、PC机通过内置程序计算得到树脂矿物复合材料的上试件和下试件结合部刚度和阻尼；
[0016] 所述PC机内置程序执行以下功能：
[0017] (1)根据树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置得到测量树脂矿物复合材料结合部动刚度及阻尼的等效计算模型，进而建立上试件和下试件结合部的振动方程，如下公式所示：
[0018]
[0019] 其中，m1为上试件和下试件的质量，大小用天平秤得；c1为上试件和下试件自身阻尼；cc为上试件和下试件结合部阻尼，k1为上试件和下试件自身刚度；kc为上试件和下试件结合部动刚度；ω为激振器的激振频率，由PC机控制；F1为激振力幅值，由压电式力传感器测得；x1、x2分别为上试件和下试件的振动位移； 为分别为上试件和下试件振动时的速度； 分别为上试件和下试件振动时的加速度，t为时间；
[0020] (2)求解上试件和下试件结合部的振动方程，得到上试件和下试件结合部的阻尼及动刚度；
[0021] 令公式(1)的稳态解为：
[0022]
[0023] 分别对公式(2)中的x1和x2求一次和二次导数得到：
[0024]
[0025]
[0026] 将式(2)～(4)代入到式(1)中消去eiωt，得到树脂矿物复合材料上试件和下试件的振幅B1和B2分别为：
[0027]
[0028] 树脂矿物复合材料上试件和下试件振动的相位角大小为ψ1和ψ2分别为：
[0029]
[0030] 式(5)和式(6)中， f＝k1；g＝c1ω；d＝c1ω；h＝k1-m1ω2；
B1和B2分别为上试件和下试件振动时的振幅，通过振动位移测量装置测得；ψ1和ψ2分别为上试件和下试件振动时的相位角，通过振动位移测量装置记录的振动曲线求得；
[0031] 式(5)和式(6)中的B1、B2、ψ1、ψ2、m1、ω、F1均已知，而式(5)和式(6)中的未知量为c1、cc、k1、kc且式(5)和式(6)共有4个方程，因此联立式(5)和式(6)并解之即可求得试件自身刚度和阻尼k1、c1，结合部刚度和阻尼kc、cc。
[0032] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置及方法，该发明属于直接测量法，通过直接测量树脂矿物复合材料结合部上下试件的振动位移和激振力载荷计算得到结合部的动刚度及阻尼，减少实验误差，提高测量精度；同时该发明也能够测得树脂矿物复合材料试件自身的动刚度和阻尼大小。
附图说明
[0033] 图1为本发明实施例提供的一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置的结构示意图；
[0034] 图2为本发明实施例提供的测量树脂矿物复合材料结合部动刚度及阻尼的等效计算模型示意图。
[0035] 图中，1、激振器；2、激振杆；3、预紧螺栓；4、支撑壳体；5、上试件；6、第一金属贴片；7、第一振动位移测量装置；8、下试件；9、第二振动位移测量装置；10、第二金属贴片；11、压电式力传感器；A、上试件与下试件的结合部。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0037] 一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置，如图1所示，包括激振信号发生系统、激振杆2、预紧螺栓3、支撑壳体4、上试件5、下试件8、压电式力传感器11、两个金属贴片6和10和两个振动位移测量装置；
[0038] 所述上试件5和下试件8均采用树脂矿物复合材料，且质量相同，同时，两个试件5和8位于支撑壳体4内底部中间位置，且上下放置；支撑壳体4顶部中心处开有内螺纹通孔；所述预紧螺栓3与支撑壳体4顶部中心的内螺纹通孔配合对上试件5施加预紧力，预紧螺栓3中心开有光滑通孔；所述激振杆2一端与激振信号发生系统相连，另一端安装有压电式力传感器11并穿过预紧螺栓3上的通孔压在上试件5上表面，对其施加激振载荷，压电式力传感器11记录施加在上试件5的激振力大小及其随时间变化情况；上试件5和下试件8的高度中心处对称预埋两个金属贴片6和10，两个振动位移测量装置7和9分别与两个金属贴片6和10对应固定在支撑壳体内，用于测量两个金属贴片6和10的振动位移并记录振动位移数据；所述激振信号发生系统包括PC机、功率放大器和激振器1，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器1使其振动，进而构成激振信号发生系统。
[0039] 所述预埋的两个金属贴片6和10的质量均不大于树脂矿物复合材料试件质量的1％。
[0040] 所述两个振动位移测量装置7和9均采用非接触式电涡流位移传感器，电涡流位移传感器通过螺纹连接方式固定到支撑壳体内。
[0041] 一种树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量方法，包括以下步骤：
[0042] 步骤1、组装测量装置；
[0043] 将支撑壳体4置于水平面放置平稳，将预先制备好的带有金属预埋贴片的树脂矿物复合材料上试5和下试件8置于支撑壳体4内底面的中心，利用力矩扳手旋转预紧螺栓3对结合部施加的预紧压力；
[0044] 通过施加不同的预紧力距便可获得不同大小的预紧压力，预紧压力大小可以根据力矩扳手的扭矩并通过换算得到，换算公式如下所示：
[0045]
[0046] 其中，P为预紧压力，T为力矩扳手的力矩读数，A为结合部的公称面积，为螺纹升角，θ为当量摩擦角，d2为螺纹中径。
[0047] 在支撑壳体4内两侧分别安装一个振动位移测量装置7和9，使它们分别位于两个金属预埋贴片6和10的正下方，测量树脂矿物复合材料上试件5和下试件8的振动位移；通过螺纹连接将压电式力传感器11连接到激振杆2一端，并将激振杆2的另一端连接到激振器1，将安装有压电式力传感器11及激振杆2的激振器1采用弹性绳悬挂于上试件5的正上方，并穿过预紧螺栓3的中心孔将压电式力传感器11压在上试件5的上表面，调节激振器1的高度使压电式力传感器11压紧上试件5；
[0048] 步骤2、利用网线依次将PC机、功率放大器、激振器1相连，PC机产生的单位正弦信号通过功率放大器放大后输入到激振器1使其振动，进而构成激振信号发生系统；通过PC机和功率放大器控制激振器1的激振频率及激振力幅值；
[0049] 步骤3、将振动位移测量装置7和9的测量信号，压电式力传感器11的测量信号通过网线经过与PC机相连的采集卡输入到PC机上，记录上试件和下试件的振动位移及激振力数据；
[0050] 步骤4、PC机通过内置程序计算得到树脂矿物复合材料上试件5和下试件8结合部刚度和阻尼；
[0051] 所述PC机内置程序执行以下功能：
[0052] (1)根据树脂矿物复合材料结合部动刚度和阻尼测量装置得到如图2所示的测量树脂矿物复合材料结合部动刚度及阻尼的等效计算模型，进而建立上试件和下试件结合部的振动方程，如下公式所示：
[0053]
[0054] 其中，m1为上试件5和下试件8的质量，大小用天平秤得；c1为上试件5和下试件8自身阻尼；cc为上试件5和下试件8结合部阻尼，k1为上试件5和下试件8自身刚度；kc为上试件5和下试件8结合部动刚度；ω为激振器1的激振频率，由PC机控制；F1为激振力幅值，由压电式力传感器11测得；x1、x2分别为上试件5和下试件8的振动位移； 为分别为上试件5和下试件8振动时的速度； 分别为上试件5和下试件8振动时的加速度；
[0055] (2)求解上试件5和下试件8结合部的振动方程，得到上试件5和下试件8结合部的阻尼及动刚度；
[0056] 令公式(1)的稳态解为：
[0057]
[0058] 分别对公式(2)中的x1和x2求一次和二次导数得到：
[0059]
[0060]
[0061] 将式(2)～(4)代入到式(1)中消去eiωt，得到树脂矿物复合材料上试件5和下试件8的振幅B1和B2，分别为：
[0062]
[0063] 树脂矿物复合材料上试件5和下试件8振动的相位角大小为ψ1和ψ2分别为：
[0064]
[0065] 式(5)和式(6)中， f＝k1；g＝c1ω；d＝c1ω；h＝k1-m1ω2；
B1和B2分别为上试件5和下试件8振动时的振幅，通过振动位移测量装置测得；ψ1和ψ2分别为上试件5和下试件8振动时的相位角，通过振动位移测量装置记录的振动曲线求得；
[0066] 式(5)和式(6)中的B1、B2、ψ1、ψ2、m1、ω、F1均已知，而式(5)和式(6)中的未知量为c1、cc、k1、kc且式(5)和式(6)共有4个方程，因此联立式(5)和式(6)并解之即可求得试件自身刚度和阻尼k1、c1，结合部刚度和阻尼kc、cc。
[0067] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
