股票代码 300354

经典案例

风洞测试

风洞天平模态分析试验

一、项目简介

       风洞应变天平是风洞实验中测量飞行器模型气动力的重要设备,为飞行器的飞行角度、流线型外形设计、气流对飞行控制的影响等诸多方面的研究提供至关重要的数据资料。目前,应变式天平的静态性能指标已经能够满足型号试验的要求。但随着国防事业的发展和节能降耗的需要,要求其具有足够的响应速度和合适的固有频率,以满足动态测试的需要。而目前应变天平还存在以下2个问题:1)应变天平阻尼比过小,固有频率较低,从而动态响应速度慢;2)由于弹性体设计、制造以及应变片贴片等方面原因造成维间耦合。这些问题的存在极大地降低了天平的测试速度和测试精度,限制了其应用范围。

       本项目以北京701所提供的风洞天平为试验对象,用力锤单点激振,移动传感器的试验方法,采用国际最流行的Polymax模态参数识别方法对实测的频响函数数据进行处理分析,得到实测的固有频率、阻尼比和振型等,为结构进一步优化设计提供参考。

 

二、系统配置

2.1试验仪器及设备

仪器

数量

单位

DH5927N动态信号测试分析系统

16通道

江苏东华测试技术股份有限公司

DH131E型单向加速度传感器

11个

江苏东华测试技术股份有限公司

DH132型单向加速度传感器

4个

江苏东华测试技术股份有限公司

力锤

1套

江苏联能电子技术有限公司

DH5857电荷适调器

5个

江苏东华测试技术股份有限公司

HP笔记本电脑

1台

HP

1、DH5927N动态信号测试分析系统

2、力锤

3、DH5857电荷试调器

4、DH131E传感器

5、DH132传感器

2.2试验对象及模型

三、实验过程

3.1测试步骤框图

 

3.2测试各步骤具体内容

3.2.1 建立模型

       运用DHMA模态分析软件建立的线框模型如下图所示:

3.2.2 划分测点

       测点的数目取决于所选频率范围、期望的模态数、试件上我们所关心的区域、可用的传感器数以及时间。高频模态的振型驻波波长比较短,所以要恰当描述这些模态就需要比较多的响应点。在试件上我们可能有一些特别感兴趣的区域需要仔细研究,因而在这些区域应多布一些响应点。时间和现有的传感器数目在实际上也限制了响应点的数目。

       除了在感兴趣区域多布测点这个原则之外,使测点在试件上某种程度地均匀分布也是比较好的做法。这样可以减少漏掉模态的机会,通常能够得到像样的结构线框动画。

       假如测点数目不足,或侧点位置选择不当(例如缺少一个方向的测量),就有可能使可观性条件遭到破坏,即没有测到结构上重要部分或重要方向的运动。

       根据上述原则,我们根据试验目的的要求,测量尽可能多的响应点,总计79个测点。

3.2.3 边界条件的确定

       为了能够对结构进行试验,试件与环境之间总得有某种连接。连接的方式取决于试验目的。试验目的主要有三种情况:与有限元模型进行比较,在常规工作条件下测量试件的动态特性,或者对规定边界条件下的子结构进行试验研究,使之与整体结构相适应。

       当试验的目的是与有限元结果比较时,那么边界条件应与有限元模型边界条件相一致。在很多情况下,要求模态实验的边界条件是自由-自由条件,这意味着试件与环境之间不存在连接,实际上,用很软的绳子、弹簧和橡胶带等将试件悬吊起来只是自由-自由条件的近似。

       为了使这种悬吊的影响减到最小,悬吊试件的连接点应当选择处于或接近模态节点。柔性悬挂使刚体共振频率从理论上的0偏移到稍高一些的频率,因此,悬挂要足够软,以便保证刚体共振频率远低于第一阶弹性体共振频率(例如小于10%)。

       本次试验中,考虑到天平是一种精密仪器,在地上放置具有弹性的泡沫,将天平放在泡沫上面,这样,将影响降低到最小。

3.2.4设备的连接

       按连接示意图连接好设备并确保工作正常。其中力锤的力信号接入DH5927N上的第16号数采通道;每个传感器依次接入DH5927N的第1~15号数采通道。

3.2.5 激励方式及位置的确定

       本试验采用力锤单点激励,移动传感器的方法。锤击法所要求的装置、试件固定及仪器设备较为简单,不需要与试件有任何的连接,所以,不会出现附加质量和弯矩误差,因而不会影响试件的动特性。

       激励点选择的基本原则是:尽量避免节点,同时使各测点的响应值最大。所以,在现场通过试采样,比较不同点激励参数的信号,确定激励点的位置。

       力锤敲击要有规律,每次敲击的量级要得当,不要连击。

3.2.6传感器的选择

       天平结构的底部很重(大概30kg),在工作过程中是用螺栓固定的,为了振型的完整性,布置了少量的测点,采用DH131E传感器;天平的上部是用来连接被测试构件,起到传递各个力分量的左右,本身的结构重量相当的轻(200g),所以是反映振型的主要区域,采用DH132型传感器(传感器重量很轻,1g),对天平模态试验的影响很小。

3.2.7 数据采集

       整个试验共采集17批数据,第一批采集15个测点的数据,后16批每批采集4个测点的数据,采样频率为5.12kHz,分析选择“频响分析”,参考点为力锤激励点8号测点,方向为Y+。数据采集前,输入每通道传感器对应的灵敏度,选择合适的量程,如果是第一次采样,对于所采信号大小不确定,可先预采样,根据所采信号的大小来确定量程范围;设置连接力锤的数采通道(即16通道)为参考通道;根据每批测点及参考点的信息设置对应通道“几何参数”中的“测点号”和“方向”,设置无误后开始采样。每采集完一批数据需进行备份操作,以免误操作将数据覆盖;在更改“测点号”和“方向”前首先要“新建项目”(项目名称推荐用采样的批次进行命名)。

       采集过程中时刻观察每个通道的时域信号,以免信号过载,尤其是达到共振点时,振动明显变大,最易发生过载;若采集过程中有信号过载的现象发生,应停止采样,更改量程后重新采集。

      典型的频响函数和相干函数曲线如下所示:

3.2.8参数识别

       此次模态试验参数识别的原理是Polymax方法,PolyMax模态识别方法也称作多参考点最小二乘复频域法( Polyreference least squares complex frequency domain method), 是最小二乘复频域法(LSCF)的多输入形式,是一种对极点和模态参预因子进行整体估计的多自由度法,一般首先通过实验建立稳态图,以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子;建立可以线性化的直交矩阵分式模型,然后基于正则方程缩减最小二乘问题,得到压缩正则方程,于是模态参数可以通过求解最小二乘问题得到。该方法集合了多参考点法和LSCF方法的优点,可以得出非常清晰的稳态图,并且密集空间可以被分离出来,尤其在模态较密集的系统(动力总成系统),或者FRF数据受到严重噪声污染的情况下仍可以建立清晰的稳态图,识别出高度密集的模态,对每一个模态的频率、阻尼和振型都有很好的识别精度,是国际最新发展并流行的基于传递函数的模态分析方法。

四、试验结果

       通过DHMA模态分析软件,得到各阶频率、阻尼比和振型如下表格所示:

 

阶次

频率(Hz)

阻尼比(%)

振型

1

145.34

1.19

第一阶振型

2

183.63

0.11

第二阶振型

3

223.20

0.12

第三阶振型

4

602.97

0.04

第四阶振型

5

868.64

0.04

第五阶振型

6

1122.12

0.03

第六阶振型

 

五、模态分析结果验证

       对模态分析结果进行验证的常用方法是模态判定准则(MAC值),用于比较振型的一致性。

       前六阶模态的MAC值及直方图如下所示:

MAC

第1阶

第2阶

第3阶

第4阶

第5阶

第6阶

第1阶

1.00

0.02

0.01

0.02

0.01

0.00

第2阶

0.02

1.00

0.04

0.01

0.02

0.01

第3阶

0.01

0.04

1.00

0.00

0.02

0.03

第4阶

0.02

0.01

0.00

1.00

0.03

0.08

第5阶

0.01

0.02

0.02

0.03

1.00

0.02

第6阶

0.00

0.01

0.03

0.08

0.02

1.00