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实验模态分析的测试设备

2020-03-24 09:48
可靠性杂坛
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实验模态分析(Experimental Modal Analysis)是以振动理论为基础,综合动态测试技术、数字信号处理和参数识别等手段,以模态参数为目标的试验,属于振动试验的一个重要分支。

模态分析试验在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及噪声控制分析等方面有重要作用,尤其是对基于有限元的结构动态设计和动态修改具有重要意义。

模态分析试验是已知激励和响应,求系统的模态参数。进行模态分析试验时,必须先用激振装置给被测结构施加一个振动力,由力传感器测量输入到结构的激振力;响应传感器测量被测结构的振动响应;分析系统将这些输入和输出信号进行离散化等一系列计算,并估计出模态参数。模态参数主要是指模态频率、阻尼和振型。

模态试验按激励方式可分为冲击力锤试验、激振器试验、阶跃激励试验等,本篇主要介绍激振器试验和冲击力锤试验两种模态试验的测试设备。

模态分析试验的设备由以下三大部分组成。

① 激振装置:包括信号发生器、功率放大器、激振装置。

② 拾振装置:包括力传感器、响应传感器、适调放大器。

③ 数据采集与分析系统。

一、激振装置

模态试验的激振装置通常有激振器(Exciter or Shaker)和冲击力锤(Impact Hammer)。激振器试验是模态试验的主要形式,优点是激励能量较大,且易于控制,测试速度快;冲击力锤试验应用得非常广泛,其突出优点是激振设备简单,可以方便随意地选择激励点,特别适合于现场测试,而且不给被测结构附加任何质量,因而不会影响试件的动态特性。

模态试验中常用的激振器均需与信号发生器、功率放大器一起组成激励系统方可使用,信号发生器提供激振器所需要的激励信号源,功率放大器对信号发生器产生的信号进行功率放大后转换为具有足够能量的电信号,驱动激振器工作,如图1所示。

图1 激振器试验中激励信号的产生过程

(1)信号发生器

信号发生器提供激励信号。信号发生器可以是硬件设备,如B&K公司的1019正弦信号发生器;也可以由计算机软件实现,如LMS公司的模态测试分析系统就是由测试软件TestLab中的Source Control发出信号的。不过,无论数字信号发生器,还是计算机辅助产生的信号,最终均以模拟电压信号输出。信号发生器类型一般有以下几种。

① 稳态正弦信号:稳态正弦信号的频率可以缓慢变化,即慢扫频正弦信号,可以是连续慢扫频正弦信号或分段慢扫频信号。

② 周期信号:有多种类型,如快速扫频正弦信号、伪随机信号、周期随机信号等。

③ 随机信号:有纯随机(白噪声)、宽带随机或窄带随机倍号等多种类型。

④ 猝发信号:如扫频正弦猝发信号、随机猝发信号等。

(2)功率放大器

信号发生器提供的激励信号主要是包含特定频率成分和作用时间的电压信号,一般能量很小,无法直接推动激振器。必须经过功率放大器进行功率放大后转换为具有足够能量的电信号,驱动激振器工作。

功率放大器分为定电压功率放大器和定电流功率放大器。定电压功率放大器保证输出信号电压恒定,不随负载变动而改变;而定电流功率放大器保证输出信号电流恒定。一般的功率放大器兼有这两种功能,使用更为方便。

在模态试验中,常采用定电压功率放大器进行频率响应测试,因为它具有很大的优越性,在系统进入共振区时响应增大,负载反射阻抗增大,电压恒定,电流减小,通过激振器产生的激振力幅减少;在反共振点附近,响应减小,负载反射阻抗减小,功率放大器输出电流增大,激振力增大。但在进行适调多点激振和多输入多输出频响函数估计时,定电流功率放大器更加适宜。使用功率放大器时要反复调试放大倍数,以便测量系统放大器不致过载,并具有较高的信噪比。

(3)激振器

模态试验中常用的激振器有电动式和电动液压式两种,对于轿车车身等小型机械结构和模型常用电动式激振器,图2是其基本结构原理图,它是一种对恒定磁场中的动圈供给交流电而产生激振力的装置,优点是只需要电源,使用起来更方便、灵活,工作频率宽,上限频率可达10kHz以上,下限频率可低至几赫兹;缺点是低频特性不好,对飞机、大型机床等超大型结构激励能量不够。

1—弹簧;2—壳体;3—磁钢;4—顶杆;5—磁极;6—铁芯

图2 电动式激振器原理图

对于模拟粗糙路面上行驶的卡车等大型或超大型结构需要用电动液压式激振器才能获得足够的能量和良好的低频特性。它由电动部分、液压驱动部分和激振部分组成,结构要比电动式激振器复杂得多。其工作原理是激励信号经功率放大器放大后送至电动部分,再经液压驱动部分将激振力放大,最后由激振部分输出至结构上产生足够大的激振力。可产生大小为几百千牛顿、频率1Hz以下的激励力,可动行程可达1m;缺点是比较笨重,使用不太方便,且频率上限较低,一般不超1000Hz。

二、激振器的支撑方式

为了使激振器产生的激振力能够有效地施加到试验结构上,需要结合试验结构的动态特性、激振器的动态特性、激振器的安装条件等多种因素。常用以下三种方式支撑激振器。

1. 刚性固定在基础上

将激振器外壳刚性地固定在基础或支架上,如图3所示。理想情况下,基础或支架应是刚性的;实际上,这种理想情况很难达到,基础或支架总是弹性的。激振器与基础部分组成振动系统的第一阶固有频率称为安装频率。刚体支撑要求安装频率远远大于工作频率。所以,此种情况适用于工作频率不高的试验结构。

图3 激振器刚性地固定在基础或支架上

2. 弹性固定在基础上

如果试验结构的固有频率很高,工作频率不能满足远远低于安装频率的条件,则刚性支撑效果将很差。这时,可采用相反的一种安装方式即弹性固定在基础上的支撑方式,如图4所示。此时安装频率远远小于工作频率。弹性支撑一般用低刚度的软弹簧或橡胶绳实现。在这种支撑下工作时,激振器可动部分和不动部分质心基本保持不动。这种固定方式的缺点是激振力偏小。

图4 激振器弹性地固定在基础上

当激振器在低频工作范围内工作时,为了产生足够大的激振力,宜在激振器外壳上附加质量块。

3. 弹性固定在试验结构上

上述两种方式都是将激振器安装在基础上。有些情况下,试验现场难以找到安装部位,特别是一些大型结构,如桥梁、飞机、桩基、采油平台等,往往无法在周围的基础上固定激振器。这时的解决办法是将激振器弹性地固定在结构本身的适当部位,如图5所示。对大型结构,激振器的附加质量是微不足道的。


图5 激振器弹性地固定在试验结构上

值得注意的是,应使支撑刚度尽量减小,以避免由支撑传到结构上的力较大而产生明显的多点激励。

以上三种支撑方式都适于单点激励,只有刚性支撑适于多点激励。

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