一种测量柔性结构的模态振型和扭转振型的方法

摘要

一种测量柔性结构的模态振型和扭转振型的方法，包括将待测量件一端装夹固定于夹持机构，待测量件形成悬臂梁或悬臂板；确定待测量件的振型测量精度，设置测量点；多个激光传感器形成激光传感器组；使激光传感器组位于测量起始位置；激发待测量件的在第n阶固有频率下的多模态振动，激光传感器组步进式通过每个测量点并获取该测量点的振幅；处理器获取所有振幅、并将振幅呈网状连接形成C2连续的连接面，该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。本发明具有既能测量到待测量件的弯曲模态和又能测量到待测量件的扭转模态的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量柔性结构的模态振型和扭转振型的方法。

技术背景

模态分析是研究结构动态特性的重要研究方法。在机械，汽车，航天，土木等工程领域中，常常需要考虑到结构的模态参数。而结构的动态参数是通过模态测试和模态分析的方法来确定。一种操作简单精度高的模态测试装置就成为模态参数测试的关键。目前国内外对模态测试主要采用以下方法：

一，锤击法模态测试：锤击法能量较小，敲击力大小及方向不易控制，一般锤击法都需要采用多次平均以获得较稳定的测量数据。锤击法测试结构的的模态，存在以下难点：（1）难以保证每次敲击力相同和敲在同一位置。（2）锤击法无法直接测出柔性结构的振型。

二，激振法模态测试：主要是通过分析仪器输出信号源来控制激振器，激励被测试件。输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法（MIMO）。而激振器对被测试件击振时，是通过控制激振器的位置来进行不同点的击振，这种击振方法操作繁琐，精度低，也有可能定位在节点处，这使得击振效果不明显。

以上方法都是一种接触式间接的测量方法，由于都是由人为的去敲击或者是移动激振器，操作过程中必然存在误差，使得测试精度低，以致达不到测试要求。

目前的模态测试方法中大都主要关注柔性结构的模态频率的测试，而对反应柔性结构振动特性的重要指标-振型的测试却非常少见。而即使在现有的测量方法中，主要是通过移动激振器对结构上的不同位置进行测试，然后通过分析所测数据得出结构的模态频率和振型，操作过程繁琐，测试精度低，并且是通过固定的传感器间接测量。这种测量方法存在以下显著缺点：

（1）在激振测量的过程中，往往只关注对弯曲模态的测量，而对振动产生的扭转模态的测量却无法检测反映出来。这就对模态检测形成了局限性，无法客观直接的反映结构在振动过程中产生的动态效果，对结构的动态分析也受到限制。

（2）通过移动激振器，整个过程非常麻烦，而且只能测量有限的几个点的振幅值，测量结构比较粗糙，不能精确刻画柔性结构的固有振型。

（3）是一种间接测量方法，不能直观形象揭示结构的固有振型。

（4）通常在待测结构上粘贴传感器，这就给待测结构带来了附加质量，从而改变了结构的质量分布，影响结构的固有特性，导致测试结果与实际相差甚远。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种能够既能测量到待测量件的弯曲模态，又能测量到待测量件的扭转模态的方法。

测量柔性结构的模态振型和扭转振型的方法，包括以下步骤：

1）、将待测量件一端装夹固定于夹持机构，待测量件形成悬臂梁或悬臂板；

2）、确定待测量件的振型测量精度，根据测量精度沿待测量件的长度方向细分为一系列等距离设置的测量点；

测量点的具体数量根据所需要的振型精度而定，而间隔的长度跟待测构件的长度也有直接关系，一般建议划分的点数不得少于10个。步进电机带动同步带的运动是一个间歇运动，由扫频实验得出待测量件的各阶固有频率，激光传感器组在每一个测量点的停留时间为固有振动周期的两倍，测试完后再移动至下一测试点，依次完成待测试件的测量。

3）、多个激光传感器（不小于3个）沿待测量件的高度方向排列形成激光传感器组；使激光传感器组位于测量起始位置，测量起始位置为待测量件的任意一端，测量结束位置为待测量件的另一端；

4）、激发待测量件的在第n阶固有频率下的多模态振动，激光传感器组步进式运动，依次通过每个测量点并获取该测量点的振幅，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；处理器获取所有振幅、并将振幅呈网状连接形成C2连续的连接面，该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

进一步，步骤4）的具体实现方法是：

（4. 1）以激光传感器组的最下面的一个激光传感器在测量起始位置的点作为原点，以待测量件的长度方向为X轴，从测量起始位置向测量结束位置的方向为X轴的正向；以待测量件的高度方向为Y轴，从下向上为Y轴的正向；以待测量件的振动方向为Z轴建立OXYZ坐标系；

（4. 2）根据各激光传感器与原点处的激光传感器之间的距离计算得到第i个激光传感器在测量起始位置的坐标                                                ；根据每个测量点与测量起始位置的距离，计算第i个激光传感器在第j个测量点的坐标；

（4. 3）确定需要测量的振型是待测量件在第n阶固有频率下的振型，使激振器的激振频率等于待测量件的第n阶固有频率，激振器将激励信号施加于待测量件；激励信号施加在激振器上激起待测量件的多模态振动；

（4.4）激光传感器组步进式运动、依次通过每个测量点，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；第i个激光传感器在第j个测量点测得振幅，该点的振幅坐标为；振幅的坐标输入处理器中；

（4.5）处理器连接所有振幅坐标形成C2连续的连接面；该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

由于待测量件的n阶固有频率是待测量件的固有属性，因此其第n阶固有频率是可获知的。通过本发明的系统和方法，可以对待测量件的任一阶固有频率进行模态振型的测量。

本发明方法具有以下优势：

1）、激光传感器组为沿待测量件的高度方向从上到下直线排列，这样就可实现激光传感器组所对待测量件的一个截面检测，即实现了柔性结构的面测量。

2）、由于是对被测试件的面测量，可以明显的识别出被测试件的振动模态为弯曲模态还是扭转模态；这可以通过激光传感器组将检测到的振动信息经数据采集卡传输到PC机上，即可显示出被测试件的模态振型，直观的反映出被测试件的动态特性。

3）、本发明方法采用激光传感器检测，为非接触直接测量，不会带来附加质量。通过控制激光传感器的数量：可以反映测试的疏密程度，即反映测试的精密程度；也可控制激光传感器的数量，实现对测试件的线测量。

附图说明

图1为本发明的测试方案原理框图。

图2为被测试件的网格划分。

图3为一阶模态的振型网格图。

图4为一阶模态沿y轴方向的振型图。

图5为二阶模态下的扭转振型图。

图6为二阶模态沿y轴方向的振型图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

一种测量柔性结构的模态振型和扭转振型的方法，包括以下步骤：

1）、将待测量件一端装夹固定于夹持机构，待测量件形成悬臂梁或悬臂板；

2）、确定待测量件的振型测量精度，根据测量精度沿待测量件的长度方向细分为一系列等距离设置的测量点；

测量点的具体数量根据所需要的振型精度而定，而间隔的长度跟待测构件的长度也有直接关系，一般建议划分的点数不得少于10个。步进电机带动同步带的运动是一个间歇运动，由扫频实验得出待测量件的各阶固有频率，激光传感器组在每一个测量点的停留时间为固有振动周期的两倍，测试完后再移动至下一测试点，依次完成待测试件的测量。

3）、多个激光传感器（不小于3个）沿待测量件的高度方向排列形成激光传感器组；使激光传感器组位于测量起始位置，测量起始位置为待测量件的任意一端，测量结束位置为待测量件的另一端；

4）、激发待测量件的在第n阶固有频率下的多模态振动，激光传感器组步进式运动，依次通过每个测量点并获取该测量点的振幅，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；处理器获取所有振幅、并将振幅呈网状连接形成C2连续的连接面，该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

步骤4）的具体实现方法是：

（4. 1）以激光传感器组的最下面的一个激光传感器在测量起始位置的点作为原点，以待测量件的长度方向为X轴，从测量起始位置向测量结束位置的方向为X轴的正向；以待测量件的高度方向为Y轴，从下向上为Y轴的正向；以待测量件的振动方向为Z轴建立OXYZ坐标系；

（4. 2）根据各激光传感器与原点处的激光传感器之间的距离计算得到第i个激光传感器在测量起始位置的坐标；根据每个测量点与测量起始位置的距离，计算第i个激光传感器在第j个测量点的坐标；在测量过程中激光传感器在测量点停留的位置形成网格，每个传感器停留在每个测量点的位置，形成网格上的一个能够获取到振幅坐标的点，如图2所示。

（4. 3）确定需要测量的振型是待测量件在第n阶固有频率下的振型，使激振器的激振频率等于待测量件的第n阶固有频率，激振器将激励信号施加于待测量件；激励信号施加在激振器上激起待测量件的多模态振动；

（4.4）激光传感器组步进式运动、依次通过每个测量点，激光传感器组在每一个测量点的测量时间大于待测量件的固有振动周期；第i个激光传感器在第j个测量点测得振幅，该点的振幅坐标为；振幅的坐标输入处理器中；

（4.5）处理器连接所有振幅坐标形成C2连续的连接面；该连接面为待测量件在第n阶固有频率下的固有振型。

由于待测量件的n阶固有频率是待测量件的固有属性，因此其第n阶固有频率是可获知的。通过本发明的系统和方法，可以对待测量件的任一阶固有频率进行模态振型的测量。

本实施方式以薄壁板结构为实施对象，其尺寸参数为：长1200mm,宽600mm,厚3mm，实现测量的具体过程如下：

首先，将薄壁板一端固定在夹持机构上，形成悬臂板；

接着，通过扫频的方法测试出被测试件的固有频率和阻尼等物理参数；将扫频信号的频率范围设置为0.1Hz~40Hz，具体频率范围视被测试结构而定；通过PC机（即处理器）发出扫频信号，经功率放大器放大后，传输给激振器，激振器接收到信号后，击起待测量件的多模态振动，并通过激光传感器测得到待测量件的振动信息，经过信号处理后，传输到数据采集板卡，最后将该所测振动信息进行频谱分析，得到待测量件的多阶固有频率、阻尼等模态信息，如图1所示。

通过扫频测试，得到待测量件的各阶固有频率，以前三阶固有频率为例说明。第一阶固有频率为2.89Hz,第二阶固有频率为18.08Hz。在测得薄壁板结构的各阶固有频率的情况下，对薄壁板进行网格的划分，如图2所示，在薄壁板的长度方向分为12等份，在其高度方向设置有13个激光测试点，这些测试点在同一垂直直线上。

测试试验前，将激光传感器组移动至初始位置。以薄壁板结构的长度方向为X轴，高度方向为Y轴，薄壁板的振动幅度为Z轴，建立OXYZ坐标系；以激光传感器组的最下面的一个激光传感器在测量起始位置的点作为原点，测试原点即为（0,0,0）；在X轴方向任一激光测试点所测得的振动量坐标为（X_i,Y_i,Z_ij）。

确定激光传感器组位于测试原点时，由PC机发出频率为2.89Hz的正弦信号，然后由功率放大器将信号放大，并传输给激振器，激振器在接收到信号后，对薄壁板进行击振，激光传感器对薄壁板的振动进行测试。同时激光传感器组在步进电机的作用下成步进式运动，依次通过每个测量点。激光传感器将测得的振动信息传输到采集板卡。

表1为频率为2.89Hz击振下的激光传感器所测数据

经处理得出其在频率为2.89Hz的正弦信号振动下薄壁板的振型图，如图3所示。其Y轴方向视图，其振型图为一条平滑上升的曲线，即任一截面上X_i，Y_i下对应的Z_i j相等，如图4所示，说明薄壁板在同一截面上的振幅相同，也即说明了薄壁板在一阶频率下的振动为弯曲振动。

同样使激光传感器组位于测试原点（0,0,0），由PC机发出频率为18.08Hz的正弦信号，经功率放大器将其放大后传输给激振器，激振器在接收到信号后，击起薄壁板的振动，激光传感器对薄壁板的振动信息进行采集，并将数据传输到数据采集板卡里。

在二阶固有频率的振动下，激光传感器所测试的数据如表2所示，通过数据可知，在Y_i=0.3处其振幅值为零，即该截面静止，不产生振动；而数据在Y_i=0.3处对称，并随着离Y_i=0.3这个中性面的距离的增大，其振幅值也随着增大，由二阶连续性可知，所测数据必须在一条平滑的曲线上。即在二阶固有频率的击振下，该薄壁板的振动模态为扭转模态。经数据处理后得其扭转振动数据如表3所示，其振型图如图5所示。其Y轴方向视图，如图6所示，该振型图突出了薄壁板的扭转幅度。

通过对薄壁板的振动测试，可以很清楚的识别出薄壁板的弯曲模态和扭转模态。

表2为频率为18.08Hz击振下激光传感器所测数据

表2续

表3为经处理得出频率为18.08Hz击振下的实验数据

表3续

本发明的有益效果是：

1）、激光传感器组的各传感器沿待测量件的高度设置，可以测量待测量件不同高度的模态，不仅能检测待测量件的弯曲模态，而且还能检测其扭转模态，更直观更精确的反映柔性结构的动态特性。该测试系统降低了操作的难度，提高了测试的精度和准确性。

2）、在确定待测量件的振型精度后，通过控制步进电机输入的脉冲数和频率，步进电机运转带动同步带运动，激光传感器随滑块沿直线导轨可精确的依次通过设置的测量点，即可实现对柔性结构的高精度非接触测量，无需移动激振器的位置。

3）、本发明所采用激光传感器直接测量待测量件在模态振动时各测量点的振动幅值；激光检测是一种非接触式的测量，不会给系统带来附加质量，即不会影响柔性结构的固有特性，提高了测试的准确性。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。