北航綜合實(shí)驗(yàn)

1、綜合實(shí)驗(yàn)課報(bào)告幾種典型機(jī)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)測(cè)量方法及比較試驗(yàn) 學(xué)院名稱航空科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)名稱固體力學(xué) 學(xué)生姓名朱超磊 指導(dǎo)教師趙壽根2015 年 6 月北京航空航天大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課報(bào)告 第 I 頁 目 錄1 引言.1 1.1 研究背景及意義11.2 現(xiàn)有的研究方法11.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容12 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備.13 實(shí)驗(yàn)材料和試件.14 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.25 結(jié)論.26 實(shí)驗(yàn)總結(jié)、建議或感想.27 參考文獻(xiàn).2北京航空航天大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)課報(bào)告 第 14 頁 1 引言 在航天、機(jī)械、土建和水利等領(lǐng)域，傳統(tǒng)靜強(qiáng)度，靜剛度等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法已經(jīng)不能滿足許多工程的需求，因此需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，對(duì)材料和結(jié)構(gòu)的振

2、動(dòng)特性進(jìn)行研究。同時(shí)，振動(dòng)主被動(dòng)控制也成為了動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的主要問題之一，這些都要求對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象和振動(dòng)特性做更深入的研究。振動(dòng)測(cè)試設(shè)備和數(shù)據(jù)分析處理方法的發(fā)展，如非接觸激光測(cè)振儀器和小波方法的發(fā)展等，是許多動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)及分析成為可能。計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展也為復(fù)雜的振動(dòng)問題的數(shù)值模擬和處理提供了有效的工具。1.1 研究背景及意義懸臂薄平板結(jié)構(gòu)是機(jī)械工程領(lǐng)域的一種常見結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域之中，如機(jī)翼、太陽能板等。然而該結(jié)構(gòu)在外界激振源的長(zhǎng)期激振下容易發(fā)生變形，嚴(yán)重的變形會(huì)引起薄板結(jié)構(gòu)的損壞。因此，研究懸臂薄板結(jié)構(gòu)的共振特性，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)和制造有非常重要的意義。1.2 現(xiàn)有的研究方法目前針

3、對(duì)懸臂薄板的共振模態(tài)分析主要有數(shù)值計(jì)算法，有限元分析法和實(shí)驗(yàn)法。利用數(shù)值分析方法求解被測(cè)物的共振模態(tài)需要嚴(yán)格的邊界條件，而對(duì)于本文所述的懸臂薄板，理論上只能利用瑞利-利茲法得到近似解。有限元分析法是將被測(cè)板分割成若干無限小的單元進(jìn)行分析，該方法能夠分析復(fù)雜形態(tài)物體在不同邊界條件下的共振模態(tài)，但需要消耗大量的時(shí)間，且無法在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)法是一種精確的分析方法，包含激光多普勒測(cè)振法和振幅波動(dòng)電子散斑干涉術(shù)。本次試驗(yàn)采用的是激光多普勒測(cè)振法和錘擊法，對(duì)于激光多普勒測(cè)震法，由于是非接觸測(cè)量，激光多普勒測(cè)振儀在測(cè)量過程中對(duì)物體的振動(dòng)形態(tài)不產(chǎn)生影響，且動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍很寬。傳感頭較小，被放置在物體前方某一合理位

4、置，距離一般為0.04-5米，如果配備商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，測(cè)量距離可以達(dá)到10米。這樣可以實(shí)現(xiàn)高溫物體振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量，而不損傷傳感頭，故在工程實(shí)踐中廣泛采用。在激光多普勒測(cè)振的過程中，對(duì)測(cè)量精度造成影響的外界因素有：激光束的會(huì)聚點(diǎn)因被測(cè)物體的振動(dòng)而離焦物體表面；測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性；激光束本身的強(qiáng)度分布；被測(cè)物體的表面效應(yīng)等；當(dāng)被測(cè)物體表面沾染了油或水時(shí)，將影響表面反射光的能量和特性（隨機(jī)反射），造成測(cè)量誤差。當(dāng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)體的振動(dòng)時(shí)，由于被測(cè)物體表面的粗糙度和形狀等因素，有時(shí)會(huì)造成反射光的瞬時(shí)消失，從而影響測(cè)量信號(hào)質(zhì)量。該方法需要逐點(diǎn)地測(cè)量被測(cè)薄板，因此精度和速度都依賴于被測(cè)板的測(cè)量點(diǎn)數(shù)，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)

5、選取較多時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量速度。而本次試驗(yàn)采用的就是前者方法，區(qū)別只是起震裝置不同，分別采用錘擊法和聲波起震法。錘擊法與激光測(cè)振儀的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相同，區(qū)別在于錘擊法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為粘貼在被測(cè)板上的加速度傳感器，它是通過給結(jié)構(gòu)施加一個(gè)激振力，激起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，測(cè)量結(jié)構(gòu)響應(yīng)及激振力之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，來尋求結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法也稱測(cè)力法模態(tài)分析。在測(cè)量頻率響應(yīng)函數(shù)時(shí)，可采用力錘和激振器兩種激勵(lì)方式。力錘激勵(lì)方式簡(jiǎn)單易行，特適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，一般支持快速的多參考技術(shù)和小的各向同性結(jié)構(gòu)。由于力錘移動(dòng)方便，在這種激勵(lì)方式下，一般采用的是多點(diǎn)激勵(lì)，單點(diǎn)響應(yīng)方式，即測(cè)量的是頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣中的一行。

6、激振器激勵(lì)時(shí)，由于激振器安裝比較困難，多采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)響應(yīng)的方法，即測(cè)量的是頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣中的一列。這種激勵(lì)方式可使用多種激勵(lì)信號(hào)，且激振能量較大，適合于大型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)。1.3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1.掌握簡(jiǎn)諧振動(dòng)基本參數(shù)（頻率、振幅、速度、加速度等）的測(cè)試方法；2.學(xué)習(xí)常用測(cè)振傳感器及其配套儀器的一般操作；3.掌握單自由度系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)的測(cè)試及相關(guān)測(cè)振設(shè)備的正確使用； 4.學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集、檢測(cè)、分析技術(shù)；2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備激振器（小錘或音箱）、電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)（振動(dòng)臺(tái)）、加速度傳感器、激光測(cè)振儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、力傳感器、放大系統(tǒng) 激光測(cè)振儀方法1將非接觸激振器（音箱）接入激振

7、信號(hào)源輸出端，把激振器對(duì)準(zhǔn)鋼板，保持一定的初始間隙（約為810mm），使振動(dòng)時(shí)激振器不碰撞質(zhì)量塊。 2開啟激振信號(hào)源的電源開關(guān)，對(duì)系統(tǒng)施加交變正弦激振力，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，調(diào)整信號(hào)源的輸出調(diào)節(jié)開關(guān)便可改變振幅大小。調(diào)整信號(hào)源的輸出調(diào)節(jié)開關(guān)時(shí)注意不要過載。 3激振頻率由低到高逐漸增加，當(dāng)觀察到系統(tǒng)出現(xiàn)如下圖所示的第一階振型且振幅最大時(shí)，信號(hào)源顯示的頻率就是系統(tǒng)的一階固有頻率。依此下去，可得到如圖所示的第二、三階振型和二、三階固有頻率。3 實(shí)驗(yàn)材料和試件待測(cè)鋼板4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 錘擊法1、 測(cè)點(diǎn)的確定（建模） 由于梁在y、z方向和 x方向尺寸相差較大，所以，可以將梁簡(jiǎn)化為桿件，只需在x方向順序布置若

8、干敲擊點(diǎn)即可。敲擊點(diǎn)的數(shù)目要根據(jù)測(cè)量的模態(tài)階數(shù)來定，一般情況下，敲擊點(diǎn)數(shù)目要多于所要測(cè)量的階數(shù)。實(shí)驗(yàn)中將梁在x方向10等份，即可布9個(gè)測(cè)點(diǎn)。選取拾振點(diǎn)時(shí)要盡量避免將拾振點(diǎn)放置在所要測(cè)量的模態(tài)振型的節(jié)點(diǎn)上。 2、 儀器連接 將力錘上的力傳感器通過電荷放大器接到采集器的通道1，壓電加速度傳感器通過電荷放大器接到采集器的通道2。 3、打開儀器電源，雙擊控制分析軟件，選擇分析/頻響函數(shù)分析功能。在新建的四個(gè)窗口內(nèi)，分別顯示頻響函數(shù)數(shù)據(jù)、通道1的時(shí)間波形、相干函數(shù)和通道2的時(shí)間波形。 4、參數(shù)設(shè)置 1）分析參數(shù)設(shè)置： 采樣率：由測(cè)量頻率范圍選定(分析頻率取整) 采樣方式：瞬態(tài) 觸發(fā)方式：信號(hào)觸發(fā) 延遲點(diǎn)

9、數(shù)： -200 平均方式：線性平均 平均次數(shù)：5 時(shí)域點(diǎn)數(shù):1024或2048 頻域點(diǎn)數(shù)：800 預(yù)覽平均： 2）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 參考通道：通道1 工程單位和靈敏度：在靈敏度設(shè)置欄內(nèi)輸入相應(yīng)通道傳感器的靈敏度。傳感器靈敏度為KCH（PC/EU）表示每個(gè)工程單位輸出多少PC的電荷，如是力，在參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓N，則此處為PC/N；如是加速度，參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2 ，則此處為PC/ m/s2。量程范圍：調(diào)整量程范圍，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到較好的信噪比。調(diào)整原則：不要使儀器過載，也不要使得信號(hào)過小。 模態(tài)參數(shù)：編寫測(cè)點(diǎn)號(hào)和方向。采用單點(diǎn)拾振法時(shí)，如果測(cè)量1號(hào)點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)，在通道1（力錘信號(hào)）

10、的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)輸入1，測(cè)量方向輸入+Z；通道2（加速度傳感器信號(hào)）內(nèi)輸入傳感器放置的測(cè)點(diǎn)號(hào)，方向?yàn)?Z。當(dāng)力錘移動(dòng)到其他點(diǎn)進(jìn)行敲擊時(shí)，就必須相應(yīng)的修改力錘通道的模態(tài)信息/節(jié)點(diǎn)欄內(nèi)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)。每次移動(dòng)力錘后都要新建文件。 5、預(yù)測(cè)試。用力錘敲擊各個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀察有無波形，如果有一個(gè)或兩個(gè)通道無波形或波形不正常，就要檢查儀器是否連接正確、導(dǎo)線是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等等，直至波形正確為止。使用適當(dāng)?shù)那脫袅η脫舾鳒y(cè)點(diǎn)，調(diào)節(jié)量程范圍，直到力的波形和響應(yīng)的波形既不過載也不過小。 6、正式測(cè)量。按編寫好的敲擊點(diǎn)以此進(jìn)行敲擊，由于預(yù)覽平均方式處在打開狀態(tài)，軟件在每次敲擊采集數(shù)據(jù)后，會(huì)提示是否保

11、存該次試驗(yàn)數(shù)據(jù)。若力錘信號(hào)無連擊，力和響應(yīng)信號(hào)均無過載，且相干函數(shù)較好，就選擇“保存”本次測(cè)試數(shù)據(jù)。若力錘信號(hào)有連擊，力和響應(yīng)信號(hào)有過載，就不要保存本次測(cè)試數(shù)據(jù)，可選擇“否”，重新對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行敲擊和測(cè)量。 7、數(shù)據(jù)預(yù)處理 采樣完成后，對(duì)采樣數(shù)據(jù)重新檢查并再次回放計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。對(duì)力信號(hào)加力窗，力窗窗寬要調(diào)整合適，對(duì)響應(yīng)信號(hào)加指數(shù)窗?；胤艛?shù)據(jù)重新計(jì)算頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。 8、模態(tài)分析 1）幾何建模：自動(dòng)創(chuàng)建矩形模型，輸入模型的長(zhǎng)寬參數(shù)以及分段數(shù)；打開節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)欄，編寫測(cè)點(diǎn)號(hào)； 2）導(dǎo)入頻響函數(shù)數(shù)據(jù)：從上述實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)文件內(nèi)，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)讀入模態(tài)軟件，注意選擇測(cè)量類型，采用單點(diǎn)拾振測(cè)量方式；

12、3）參數(shù)識(shí)別：首先用光標(biāo)選擇一個(gè)頻段的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊參數(shù)識(shí)別按鈕，搜索峰值，計(jì)算頻率阻尼及留數(shù)（振型）。 9、動(dòng)畫顯示 打開振型表文件和幾何模型窗口，在振型表文件窗口內(nèi)，按數(shù)據(jù)匹配命令，將模態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)分配給幾何模型的測(cè)點(diǎn)。進(jìn)入到幾何模型窗口，點(diǎn)擊動(dòng)畫顯示按鈕，幾何模型將相應(yīng)模態(tài)頻率的振型以動(dòng)畫顯示出來。在振型表文件內(nèi)用鼠標(biāo)選擇不同的模態(tài)頻率，幾何模型上就會(huì)相應(yīng)的將其對(duì)應(yīng)的振型顯示出來，上圖為簡(jiǎn)支梁的前四階振型的彩色動(dòng)畫顯示。在幾何模型窗口內(nèi)，使用相應(yīng)按鈕可以對(duì)動(dòng)畫進(jìn)行控制，如更換在視圖選擇中選取顯示方式：?jiǎn)我晥D、多模態(tài)和三視圖；改變顯示色彩方式；振幅、速度和大小，以及幾何位置。 振動(dòng)臺(tái)電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)

13、，是目前使用最廣泛的一種振動(dòng)設(shè)備。它的頻率范圍寬，小型振動(dòng)臺(tái)頻率 范圍為010kHz，大型振動(dòng)臺(tái)頻率范圍為02kHz，動(dòng)態(tài)范圍寬，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或手動(dòng)控制；加速度波形良好，適合產(chǎn)生隨機(jī)波；可得到很大的加速度。原理：是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)置的，當(dāng)通電導(dǎo)體處的恒定磁場(chǎng)中將受到力的作用，半導(dǎo)體中通以交變電流時(shí)將產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)線圈正式處在一個(gè)高磁感應(yīng)強(qiáng)度的空隙中，當(dāng)需要的振動(dòng)信號(hào)從信號(hào)發(fā)生器或振動(dòng)控制儀產(chǎn)生并經(jīng)功率放大器放大后通到驅(qū)動(dòng)線圈上，這時(shí)振動(dòng)臺(tái)就會(huì)產(chǎn)生需要的振動(dòng)波形。組成部分：基本上由驅(qū)動(dòng)線圈及運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)動(dòng)部件懸掛及導(dǎo)向裝置、勵(lì)磁及消磁單元、臺(tái)體及支承裝置。1、試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)天線模塊進(jìn)行試

14、驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，確定其固有頻率、阻尼比和振型。試驗(yàn)內(nèi)容是對(duì)被測(cè)試件施加激振力，同時(shí)測(cè)定激勵(lì)與響應(yīng)信號(hào)，對(duì)不同測(cè)點(diǎn)重復(fù)以上過程，得到各測(cè)點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線，根據(jù)頻響函數(shù)曲線進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。2、試驗(yàn)設(shè)備有振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)、加速度傳感器、脈沖錘、電荷放大器、同步采集卡、計(jì)算機(jī)。 3、試驗(yàn)準(zhǔn)備 1） 試件的支撐 試中使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作的一個(gè)重要方面。一種是經(jīng)常采用的自由狀態(tài)。即使實(shí)驗(yàn)對(duì)象在任一坐標(biāo)上都不與地面相連接，自由地懸浮在空中。如放在很軟的泡沫塑料上；或用很長(zhǎng)的柔索將試件吊起而在水平方向激振，可認(rèn)為在水平方面處于自由狀態(tài)。另一種是地面支承狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上有一點(diǎn)或若干選定點(diǎn)與地面固結(jié)。如果我

15、們關(guān)心實(shí)際工況支承條件下的模態(tài)，這時(shí)，可在實(shí)際支承條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 本試驗(yàn)中，因?yàn)樵嚰惭b于振動(dòng)臺(tái)上，所以采用地面支撐的方式，為了減少地基的干擾，在振動(dòng)臺(tái)四個(gè)腳布設(shè)橡膠墊。 3、試驗(yàn)系統(tǒng) 搭建試驗(yàn)分析系統(tǒng)。采集卡分別采集各測(cè)點(diǎn)信號(hào)并保存信號(hào)，對(duì)保存的信號(hào)進(jìn)行分析，識(shí)別模態(tài)參數(shù)。 5、 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)的軟件應(yīng)用 根據(jù)試件建立模型，并標(biāo)出各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置。結(jié)構(gòu)模型建立完畢，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，信號(hào)采集完畢，進(jìn)入頻響函數(shù)分析模塊。首先查看采樣得到的信號(hào)相干性，在信號(hào)相干性較好的情況下可進(jìn)行頻響函數(shù)分析。頻響函數(shù)分析完畢，進(jìn)入?yún)?shù)識(shí)別模塊，根據(jù)估計(jì)得到的頻響函數(shù)值采用分量分析法識(shí)別參數(shù)。根據(jù)頻響函數(shù)幅

16、值譜峰值情況劃分頻帶，分別對(duì)各個(gè)頻帶進(jìn)行正交多項(xiàng)式擬合，根據(jù)擬合后的頻響函數(shù)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，最后根據(jù)各測(cè)點(diǎn)頻響函數(shù)信息識(shí)別結(jié)構(gòu)振型。5 結(jié)論對(duì)于懸臂方板（二維彈性體），振動(dòng)時(shí)其上下不動(dòng)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）會(huì)形成一條線，稱為節(jié)線（即節(jié)點(diǎn)連續(xù)構(gòu)成的線）。不同階次的模態(tài)對(duì)應(yīng)的結(jié)線位置也不同，從上圖也可以看出。由此可知，在測(cè)振方法中，錘擊法、激光多普勒測(cè)振方法等，都在科學(xué)研究及工程實(shí)踐中得到了應(yīng)用，產(chǎn)生了很大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，工程中的振動(dòng)問題，尤其是現(xiàn)代電子工業(yè)和信息工程中的大量問題，具有高頻率振動(dòng)、多尺度（宏、微、納觀）、多場(chǎng)（溫度、濕度、電、磁、輻射）聯(lián)合作用等特點(diǎn)，也給上述方法提出了更高的技術(shù)要求

17、。事實(shí)上，振動(dòng)測(cè)量方法正在不斷地改進(jìn)，儀器和設(shè)備正在不斷地更新。激光振動(dòng)測(cè)量已成為力學(xué)、光學(xué)、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)、建議或感想本次試驗(yàn)讓我們對(duì)振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)問題的研究方法和響應(yīng)的設(shè)備有了更深刻的認(rèn)識(shí)和了解。試驗(yàn)和理論分析往往是相輔相成的，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析不僅可以對(duì)理論研究提供依據(jù)，還能發(fā)現(xiàn)很多理論研究中沒有出現(xiàn)的現(xiàn)象和問題，例如模態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元方法發(fā)展有著重要意義。通過模態(tài)分析和有限元分析結(jié)合使用，利用有限元分析模型確定模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)、激勵(lì)點(diǎn)、支持點(diǎn)（懸掛點(diǎn)），參照計(jì)算振型隊(duì)測(cè)試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識(shí)命名，尤其是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)很重要。利用試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元分析模型進(jìn)行修改，以達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。利用有限元模型對(duì)試驗(yàn)條件所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行仿真分析，如邊界條件模擬、附加質(zhì)量、附加剛度所帶來的誤差及其消除。兩套模型頻譜一致性