УЧЕБНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ РАДИАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для демонстрации радиальных колебаний цилиндрической оболочки.
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).
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).
Недостатком прототипа является ограниченность количества демонстрируемых режимов, в том числе, такого как, радиальные колебания цилиндрической оболочки.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении особенностей динамического поведения цилиндрической оболочки, которая испытывает различные виды колебаний, в том числе радиальные.
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.
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.
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.
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.
На фиг. 1 изображен общий вид учебной установки.
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.
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.
Демонстрация колебаний радиальных колебаний цилиндрической оболочки на учебной установке производится следующим образом.
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.
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.
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.
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,
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.
Так как незначительному изменению частоты вблизи резонанса соответствует большое изменение сдвига фаз, то поворот эллипса при переходе через резонанс происходит практически мгновенно.
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.
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.
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.
Для исследования влияния наддува оболочки 1 внутренним избыточным давлением добиваются произвольного резонансного режима.
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.