论文总字数：15043字

摘 要

在现代的水利工程中，闸门是一项重要组成部分。然而，由于闸门自身结构的复杂性以及工作条件、环境的变化性，在运行过程中会存在很多安全稳定性问题。在长期的研究中得知，闸门振动是导致闸门破坏的关键因素，也是导致大部分水利工程建筑物破坏的重要原因。

本次论文主要是针对闸门振动问题来设计一个模态测试系统。除此之外，我们还对各种加速度计的性能、工作条件以及使用范围进行研究筛选，最终选取适合本次试验的加速度计芯片，并且自行设计一个加速度传感器。

结构表明： 在较宽的范围内，闸门存在以低频为主的固有频率，因而引起流激振动。闸门在顺流向、垂向、横向均存在多阶固有频率，并且垂向的固有频率是三者中最低的，从而表明闸门垂向模态刚度明显低于另外两个方向。

关键词：闸门 压电加速度计 模态测试 振动特性

Design of Piezoelectric Accelerometer and Gate Modal Test System

Abstract

The gate is an important part of the water conservancy project.However, due to its complex structure and changeability of working condition and environment, many safety and stability issues exist during operation.In the long-term study that the gate vibration is a key factor leading to damage to the gate, but also an important reason to the destruction of most water conservancy project building.

In this paper,to solve the gate vibration problem,we design a modal test system.In addition,we also study a variety of accelerometer performance, working conditions and the usable range.Finally,we choose a accelerometer chip which is suitable for this test and design a accelerometer.

The results show that in a wide range,the gate has a natural frequency dominated by low frequency, which causes flow induced vibration.The multi-order natural frequency exist in in-line,vertical and horizontal,and the vertical natural frequency is the lowest among the three directions which shows that the vertical modal stiffness of the gate is significantly lower than the other two directions.

Key Words:Gate; Piezoelectric accelerometer; Modal test; Vibration characteristics

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 概述 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 国内外现状 1

1.3要解决的问题 2

1.4本章小结 3

第二章 压电加速度计的设计 4

2.1加速度传感器简介 4

2.1.1工作原理 4

2.1.2加速度传感器的分类 4

2.2 设计与选用 6

2.2.1 压电加速度计的技术指标 6

2.2.2 压电加速度计的选型 7

2.2.3 ADXL105加速度传感器 8

2.3压电加速度计的结构设计 8

2.3.2传感器的输出接头形式 9

2.3.3压电加速度计的总体结构组装 9

2.4 本章小结 12

第三章 测试系统设计 13

3.1 模态分析 13

3.1.1 模态分析简介 13

3.1.2 模态分析原理 13

3.2 模态测试系统 13

3.2.1 激振 14

3.2.2测量 14

3.2.3分析 15

3.3模态测点布置 15

3.4本章小结 16

第四章 模态测试结果与分析 17

4.1闸门模态测试结果 17

4.1.1闸门来水方向 17

4.1.2闸门垂直方向 23

4.1.3闸门侧向方向 29

4.2模态测试结果分析 32

4.3本章小结 32

第五章 成本核算 33

5.1设备与零部件价格 33

5.2本章小结 33

结束语 34

参考文献 35

致谢 37

第一章 概述

1.1 课题背景及意义

闸门，亦称为水工闸门，是现代水利工程中的关键组成部分，它的功能，就是能够根据人们的要求，开启或关闭孔口，以便能够对上游和下游的水位进行调节，同时也能够对于水面上的漂浮物例如树枝，流冰，生活垃圾等有效的消除^[1]。然而，现实生活中，发生在水工建筑物的安全事故却是层出不穷，基于相关研究人员的调查得知，闸门的振动对于水利建筑物的影响是不可忽视的，甚至在某些事故中，闸门振动就是“罪魁祸首”^[2]。因此，我们本次的课题就是基于闸门振动而研究的。

1.2 国内外现状

对于闸门振动的研究，国内外的学者们其实已经早早开始了，下面介绍一下他们的研究成果^[3]。

曹青（2006）对弧形闸门的振动特性进行研究，应用了NASTRAN程序对闸门的结构进行了全面地考察，结果发现：（1）流固耦合能够充分减小闸门的自振频率，并且影响着其他阶数的振型，特别是对一些相关支臂的振动，它们的振型和频率也会有一定程度的变化。（2）对于单位刚度比，在一定范围内，随着它的增加，闸门的自振频率会有所减小，因而刚度比的取值应该略微偏小，但也不能特别小，否则将会导致门页的刚度降低，使门体受到破坏。（3）支臂的界面形式也会影响自振特性，一般取工字型的截面，这样一来，只需调整腹板高度，就能达到调整闸门的自振频率的目的^[4]。

薛慧芳，王游（2012）对某倒吸虹口闸门的自振特性进行考察，应用了ANSYS系统，分别对无水和有水时的闸门模态特性进行了研究计算，当然这一切是把流固耦合这一因素考虑在内的，结果表明：在研究闸门振动特性时，排除水流这一因素是不科学的，另外闸门在开度较小的状态下，其一阶竖直方向的振动频率略大于20HZ，因而为了避免工作时出现共振危害，应该对闸门的结构进行适当地改变，同时对于竖直方向的限制应该提高^[5]。

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