RU185091U1 - EDUCATIONAL INSTALLATION FOR STUDYING RADIAL OSCILLATIONS OF A CYLINDRICAL SHELL - Google Patents

Abstract

Задача - расширение наглядных возможностей при изучении особенностей динамического поведения цилиндрической оболочки, которая испытывает различные виды колебаний, в том числе радиальные.Задача решается за счет установки в качестве металлического груза - цилиндрической оболочки и применением средств регистрации параметров колебаний, состоящих из осциллографа, частотомера и вибропреобразователя, что приводит к увеличению наглядности при изучении различных видов колебаний цилиндрической оболочки.The task is to expand visual capabilities when studying the dynamic behavior of a cylindrical shell, which experiences various types of vibrations, including radial vibrations. The problem is solved by installing a cylindrical shell as a metal load and using vibration parameters recording means consisting of an oscilloscope, a frequency meter and a vibration transducer , which leads to an increase in visibility when studying various types of vibrations of a cylindrical shell.

Description

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации радиальных колебаний цилиндрической оболочки.The utility model relates to teaching aids and can be used in the educational process to demonstrate radial vibrations of a cylindrical shell.

Известна учебная установка для изучения колебаний конструкции, содержащая подпружиненный груз, установленный на основании, средство задачи колебаний при его перемещении и средство регистрации параметров колебаний, груз состоит из нескольких вертикально расположенных и связанных между собой посредством упругих связей секций, каждая из которых имеет телескопические направляющие с площадками, при этом средство задачи колебаний выполнено в виде установленного на основании и жестко связанного с нижней секцией груза вибровозбудителя, а средство регистрации параметров колебаний состоит из установленных на площадках каждой секции вибродатчиков и связанных с ними интегрирующих усилителей (Авторское свидетельство СССР №1196942, G09В 23/08, 1985).A known training installation for studying structural vibrations, containing a spring-loaded load mounted on the base, a means of the task of vibrations when moving it and a means of recording vibration parameters, the load consists of several sections vertically located and interconnected by means of elastic ties, each of which has telescopic guides with sites, while the means of the task of oscillations is made in the form of a vibration exciter installed on the base and rigidly connected with the lower cargo section, and redstvo registration parameters oscillations consists of platforms installed on each section of the vibration sensors and associated integrating amplifiers (USSR Author's Certificate №1196942, G09V 23/08, 1985).

Наиболее близким по технической сущности решением является учебная установка для изучения колебаний диска, содержащая груз, вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний, груз выполнен в виде металлического диска с постоянными толщиной и радиусом, неподвижно закрепленного на штоке, с нижней стороны, около края которого с зазором, установлены кольцевой нагревательный элемент и вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний представляет собой песочные фигуры, образованные из тонкого слоя сухого песка на лицевой поверхности диска (Патент на полезную модель №167940, G09В 23/08, 2017).The closest in technical essence solution is a training installation for studying disk vibrations containing a load, a vibration exciter, means for recording vibration parameters, the load is made in the form of a metal disk with constant thickness and radius, fixedly mounted on the rod, from the bottom side, near the edge of which with a gap an annular heating element and a vibration exciter are installed, the means for recording vibration parameters is sand figures formed from a thin layer of dry sand on faces surface of the disk (Utility Model Patent No. 167940, G09B 23/08, 2017).

Недостатком прототипа является ограниченность количества демонстрируемых режимов, в том числе, такого как, радиальные колебания цилиндрической оболочки.The disadvantage of the prototype is the limited number of demonstrated modes, including, such as radial vibrations of a cylindrical shell.

Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении особенностей динамического поведения цилиндрической оболочки, которая испытывает различные виды колебаний, в том числе радиальные.The objective of the utility model is to expand visual capabilities in studying the features of the dynamic behavior of a cylindrical shell, which experiences various types of vibrations, including radial ones.

Техническим результатом является возможность визуализации поведения цилиндрической оболочки, которая испытывает различные виды колебаний, в том числе радиальные, а также влияние на частоты собственных колебаний наддува внутренним избыточным давлением.The technical result is the ability to visualize the behavior of a cylindrical shell, which experiences various types of vibrations, including radial ones, as well as the effect of internal excess pressure on the frequencies of natural oscillations of a boost.

Сущность полезной модели заключается в том, что в учебной установке для изучения радиальных колебаний цилиндрической оболочки, содержащей металлический груз с постоянными толщиной и радиусом, с нижней стороны, около края которого с зазором, установлен вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний, металлический груз выполнен в виде цилиндрической оболочки, жестко защемленной по краям в опорах, неподвижно закрепленных на основании, средство регистрации параметров колебаний, состоящее из осциллографа, частотомера, звукового генератора и вибропреобразователя, представляющего собой чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и инерционной массы, скрепленных клеем, помещенный в корпус с крышкой, а одна из опор снабжена штуцером, соединенным трубопроводом с системой наддува.The essence of the utility model lies in the fact that in a training installation for studying the radial vibrations of a cylindrical shell containing a metal load with constant thickness and radius, from the bottom side, near the edge of which with a gap, a vibration exciter is installed, a means for recording vibration parameters, the metal load is made in the form a cylindrical shell, rigidly clamped around the edges of the supports, fixedly mounted on the base, means for recording vibration parameters, consisting of an oscilloscope, a frequency meter, sounds generator and vibration transducer, which is a sensitive element, consisting of a piezoelectric element and inertial mass, fastened with glue, placed in a housing with a cover, and one of the supports is equipped with a fitting connected by a pipeline to the pressurization system.

Новизна заключаются в том, что металлический груз выполнен в виде цилиндрической оболочки, жестко защемленной по краям в опорах, неподвижно закрепленных на основании, средство регистрации параметров колебаний, состоящее из осциллографа, частотомера, звукового генератора и вибропреобразователя, представляющего собой чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и инерционной массы, скрепленных клеем, помещенный в корпус с крышкой, а одна из опор снабжена штуцером, соединенным трубопроводом с системой наддува.The novelty lies in the fact that the metal load is made in the form of a cylindrical shell rigidly clamped around the edges in supports fixedly mounted on the base, means for recording vibration parameters, consisting of an oscilloscope, a frequency meter, a sound generator and a vibration transducer, which is a sensitive element consisting of a piezoelectric element and inertial mass, bonded with glue, placed in a housing with a cover, and one of the supports is equipped with a fitting connected by a pipeline to the pressurization system.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.The analysis of known technical solutions (analogues) in the studied area and related areas allows us to conclude that they lack features similar to the significant distinguishing features in the claimed device.

На фиг. 1 изображен общий вид учебной установки.In FIG. 1 shows a General view of the training installation.

Учебная установка для изучения радиальных колебаний цилиндрической оболочки содержит металлическую цилиндрическую оболочку 1 постоянной толщины и радиуса, жестко защемленную по краям в опорах 2 и 3, неподвижно закрепленных на основании 4. На основании 4, с нижней стороны оболочки 1, около края с зазором, установлен вибровозбудитель 5, выполненный в виде электромагнита, питание обмотки которого осуществляется переменным напряжением, подаваемым от звукового генератора 6 через усилитель 7. Для исключения удвоения частоты колебаний оболочки 1 по сравнению с частотой возбуждающей силы в линию питания электромагнита вибровозбудителя 5 включен диод 8.A training installation for studying the radial vibrations of a cylindrical shell contains a metal cylindrical shell 1 of constant thickness and radius, rigidly clamped at the edges in the supports 2 and 3, fixedly mounted on the base 4. On the base 4, from the bottom of the shell 1, near the edge with a gap, is installed vibration exciter 5, made in the form of an electromagnet, the winding of which is supplied with alternating voltage supplied from the sound generator 6 through the amplifier 7. To avoid doubling the oscillation frequency of the sheath 1 compared to the frequency of the exciting force in the electromagnet power supply line exciter 5 included diode 8.

Система измерения включает вибропреобразователь 9, представляющий собой чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и инерционной массы, скрепленных клеем, помещенный в корпус с крышкой, осциллограф 10 и частотомер 11. Наддув цилиндрической оболочки 1 осуществляется через штуцер 12.The measurement system includes a vibration transducer 9, which is a sensitive element consisting of a piezoelectric element and an inertial mass fastened with glue, placed in a housing with a lid, an oscilloscope 10 and a frequency meter 11. The cylindrical shell 1 is pressurized through a nozzle 12.

Демонстрация колебаний радиальных колебаний цилиндрической оболочки на учебной установке производится следующим образом.Demonstration of oscillations of radial vibrations of a cylindrical shell in a training installation is as follows.

Переменный ток от звукового генератора 6, через усилитель 7 поступает в вибровозбудитель 5, который, в свою очередь, заставляет цилиндрическую оболочку 1 совершать вынужденные радиальные колебания. Резонанса колебаний цилиндрической оболочки 1 можно добиться путем плавного изменения частот звукового генератора 6. Для регистрации колебаний цилиндрической оболочки 1 к ней необходимо приложить вибропреобразователь 9.Alternating current from the sound generator 6, through the amplifier 7, enters the vibration exciter 5, which, in turn, causes the cylindrical shell 1 to perform forced radial vibrations. The resonance of the oscillations of the cylindrical shell 1 can be achieved by smoothly changing the frequencies of the sound generator 6. To register the vibrations of the cylindrical shell 1, it is necessary to attach a vibration transducer 9 to it.

При воздействии механических колебаний инерционная масса вибропреобразователя 9 испытывает действие знакопеременной силы. При этом пьезоэлемент подвергается деформации растяжения-сжатия. В результате прямого пьезоэлектрического эффекта вырабатывается электрический сигнал, величина которого пропорциональна амплитуде колебаний оболочки, а фаза и частота равны фазе и частоте ее колебаний.When exposed to mechanical vibrations, the inertial mass of the vibration transducer 9 experiences the action of alternating force. In this case, the piezoelectric element is subjected to tensile-compression deformation. As a result of the direct piezoelectric effect, an electrical signal is generated, the value of which is proportional to the amplitude of the shell vibrations, and the phase and frequency are equal to the phase and frequency of its vibrations.

Полученный электрический сигнал подается на вертикальный вход осциллографа 10, а на его горизонтальный вход подается сигнал от звукового генератора 6, который одновременно подается на вход частотомера 11.The resulting electrical signal is fed to the vertical input of the oscilloscope 10, and a signal from the sound generator 6, which is simultaneously fed to the input of the frequency counter 11, is fed to its horizontal input.

При сложении двух гармонических сигналов на экране осциллографа 10 образуются фигуры Лиссажу. Так как на установившемся режиме оболочка 1 совершает колебания с частотой вынуждающей силы, то полученное изображение имеет форму эллипса, наклон и соотношение полуосей которого зависят от соотношения фаз и амплитуд колебаний оболочки и вынуждающей силы,When adding two harmonic signals on the screen of the oscilloscope 10, Lissajous figures are formed. Since in the steady state, the shell 1 vibrates with the frequency of the driving force, the resulting image has the shape of an ellipse, the slope and the ratio of the semiaxes of which depend on the ratio of the phases and amplitudes of the shell vibrations and the driving force,

При приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний возрастает амплитуда колебаний оболочки 1 и пропорциональный сигнал, вырабатываемый вибропреобразователем 9, вследствие чего увеличивается соответствующая ось эллипса. Одновременно, вследствие изменения сдвига фаз между вынуждающей силой и колебаниями оболочки, меняется наклон осей эллипса. При резонансе оси эллипса становятся параллельны координатным осям, а при дальнейшем увеличении частоты эллипс продолжает поворачиваться и занимает положение в соседней, по сравнению с исходной, четверти координатной плоскости.When approaching the frequency of the driving force to the frequency of natural vibrations, the amplitude of the shell 1 and the proportional signal generated by the vibration transducer 9 increase, as a result of which the corresponding axis of the ellipse increases. At the same time, due to a change in the phase shift between the driving force and vibrations of the shell, the inclination of the axes of the ellipse changes. With resonance, the axes of the ellipse become parallel to the coordinate axes, and with a further increase in frequency, the ellipse continues to rotate and occupies a position in an adjacent quarter of the coordinate plane compared to the original one.

Так как незначительному изменению частоты вблизи резонанса соответствует большое изменение сдвига фаз, то поворот эллипса при переходе через резонанс происходит практически мгновенно.Since an insignificant change in the frequency near the resonance corresponds to a large change in the phase shift, the rotation of the ellipse when passing through the resonance occurs almost instantly.

Наступление резонанса определяется в момент "переброса" эллипса. Величина частоты определяется по лимбу звукового генератора 6 и табло частотомера 11. Установив частоту резонансных колебаний оболочки 1, определяют соответствующую этому режиму форму колебаний.The onset of resonance is determined at the time of the "flip" of the ellipse. The magnitude of the frequency is determined by the dial of the sound generator 6 and the scoreboard of the frequency meter 11. Having established the frequency of the resonant vibrations of the shell 1, determine the corresponding form of vibration.

Амплитуда колебаний оболочки на узловых линиях равна нулю, а точки поверхности оболочки 1, равноудаленные от узловой линии, совершают колебания в противофазе. Поэтому при перемещении вибропреобразователя 9 в направлении узловой линии эллипс деформируется и поворачивается, вырождаясь в узлах в отрезок прямой, горизонтальной координатной оси, а при прохождении узловой линии продолжает поворачиваться, занимая положение в соседней четверти координатной плоскости.The amplitude of the shell vibrations on the nodal lines is zero, and the points of the surface of the shell 1, equidistant from the nodal line, oscillate in antiphase. Therefore, when moving the vibration transducer 9 in the direction of the nodal line, the ellipse deforms and rotates, degenerating in nodes into a segment of a straight horizontal axis, and when passing through the nodal line it continues to rotate, occupying a position in the neighboring quarter of the coordinate plane.

Перемещая вибропреобразователь 9 вдоль образующей оболочки 1 и в поперечном направлении и наблюдая за перемещением фигур Лиссажу, подсчитывают количество и расположение узловых линий в продольном и поперечном направлении, т.е. определяют форму колебаний оболочки.Moving the vibration transducer 9 along the generatrix of the shell 1 and in the transverse direction and observing the movement of the Lissajous figures, the number and arrangement of nodal lines in the longitudinal and transverse directions are calculated, i.e. determine the shape of the shell.

Для исследования влияния наддува оболочки 1 внутренним избыточным давлением добиваются произвольного резонансного режима.To study the effect of pressurization of the shell 1 by internal overpressure, an arbitrary resonance mode is achieved.

Предлагаемая учебная установка позволяет доходчиво и наглядно показать особенности динамического поведения цилиндрической оболочки, которая испытывает различные виды колебаний, в том числе радиальные, а также влияние на частоты собственных колебаний наддува внутренним избыточным давлением, а также сравнить их величины.The proposed training facility allows you to clearly and clearly show the features of the dynamic behavior of the cylindrical shell, which experiences various types of vibrations, including radial, as well as the effect on the frequencies of natural oscillations of the boost by internal overpressure, and also compare their values.

Claims (1)

Учебная установка для изучения радиальных колебаний цилиндрической оболочки, содержащая металлический груз с постоянными толщиной и радиусом, с нижней стороны, около края которого с зазором, установлен вибровозбудитель, средство регистрации параметров колебаний, отличающаяся тем, что металлический груз выполнен в виде цилиндрической оболочки, жестко защемленной по краям в опорах, неподвижно закрепленных на основании, средство регистрации параметров колебаний, состоящее из осциллографа, частотомера, звукового генератора и вибропреобразователя, представляющего собой чувствительный элемент, состоящий из пьезоэлемента и инерционной массы, скрепленных клеем, помещенный в корпус с крышкой, а одна из опор снабжена штуцером, соединенным трубопроводом с системой наддува.A training installation for studying the radial vibrations of a cylindrical shell, containing a metal load with constant thickness and radius, from the bottom side, near the edge of which with a gap, a vibration exciter is installed, means for recording vibration parameters, characterized in that the metal load is made in the form of a cylindrical shell, rigidly clamped along the edges in the supports fixedly mounted on the base, a means for recording oscillation parameters, consisting of an oscilloscope, a frequency counter, a sound generator and vibration transducer a developer, which is a sensitive element consisting of a piezoelectric element and an inertial mass fastened with glue, placed in a housing with a cover, and one of the supports is equipped with a fitting connected by a pipeline to the pressurization system.

Images