发布日期：2022-12-23
课堂里的振动台Shaking Things Up in the Classroom
课堂里的振动台
Shaking Things Up in the Classroom
作者Arman Molki
Engineering Curriculum Specialist | Quanser
我们进入学术振动台领域超过20年了。从那时候起，我们的Shake Table II和Shake Table III使全球学者能够进行结构动力学和地震工程方面的前沿研究。在这篇博客文章中，我想重点介绍我们较少谈及却满足课堂教学的振动台Shake Table I-40。特别是，我想要展示如何通过这个平台，在课堂上轻松的演示几个基础结构动力学概念。
那么什么是Shake Table I-40呢？它是一种能够创建自定义运动曲线的（包括真实的地震数据）的便携式的单轴工作台。由于占地面积小，它拥有一些令人印象深刻的规格：40mm的行程，低于2微米的分辨率，最大加速度1g，10Hz的操作频带和开放式软件架构，是一款功能强大且可靠的工具。我个人喜欢Shake Table I-40，因为他方便携带，在实验室或者教室中能够轻松运输并安置。
通过Shake Table I-40的演示案例
结构振动领域，我们的用户已经在Shake Table I-40上使用了多种结构，包括我们自己的主动质量阻尼器（AMD-1）、乐高积木以及K’Nex结构。这些天我们最喜欢的是一家名为Mola的众筹公司生产的结构设备。今年早些时候，我在BC省温哥华举行的EERI会议上遇到了Mola的创始人兼首席执行官。Márcio花了些时间给我进行演示后，我当场就买了Mola的结构装置（https://molamodel.com/products/mola-structural-kit-1），因为我知道这将完美搭配我们的ST I-40。
这个装置可以方便快速的构建交互式物理模型来模拟建筑结构的静态状态。结合振动台，就可以分析动态载荷下的结构。此装置包含一组模块化零件（杆，刚性连接器，支架等），这些零件通过磁铁连接，可以进行多种组合。在这个过程中你可以构建不同结构系统，可以看到它的运动和形变，可以借助你自己的双手去感受这些结构。不仅如此，他还附带了实验室指南。
固有频率
任何动态结构的基本特征之一是其共振（或固有）频率。这是物体在没有任何外力的情况下振动的频率，如用一把柔性的标尺，将它的一端夹在桌子的边缘（如同一个悬臂梁），然后轻弹另一端，瞬间的受力会让标尺以一定频率振动。调节标尺的长度再次轻弹，你能够观察到不同的振动频率。
相对应的，建筑会以类似的方式振动，虽然轻弹的方式不会让它振动，但在经受强风和地震的冲击时也会产生相似的反应。建筑的固有频率取决于其刚度（k）和质量（m），如下所示：
因此，要改变建筑物的固有频率，可以调整建筑物的质量或频率。接下来我们会对其中的一些概念进行演示证明。
下面的视频展示了安装在振动台上的单个独立式立柱。首先，对立柱施加1Hz的正弦波，它轻轻地来回摇摆。当我将频率提高到3Hz的时候（接近其固有频率），立柱开始剧烈晃动。最后，当我施加超过立柱的共振频率（如10Hz）的输入时，它几乎不会甩动。质量对固有频率的影响
现在让我们来看一下质量对共振频率的影响。在下面的视频中，我在振动台上安装了一个短立柱。我估测它的共振频率大于10Hz。显然，当我施加4Hz的正弦波时，立柱几乎不会晃动。但是，当我增加立柱的质量（通过添加圆形钢球）时，它的共振频率会下降，同时摆动变得更加剧烈。
刚度对固有频率的影响
作为最后一个演示，我将演示刚度是如何改变结构的固有频率的。当我在结构组件间使用刚性连接器并施加5Hz的正弦波时，你能够轻易的观察到结构的振动（请注意此频率下的振形）。当我使用侧撑加固结构（以此来增加它的共振频率）时，在5Hz的频率下，结构几乎不会晃动。
这些都是很不错的演示，展示了结构动力学的基本概念。Mola装置的多功能性与我们的ST I-40的保真度相结合，真正将理论应用于课堂上的任何结构分析。
作者简介
Arman Molki是加拿大Quanser，Inc.的工程课程专家。 在过去的15年中，他一直致力于开发转化实验室课程，旨在以清晰有效的方式教授基础工程和科学概念
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