CN105424797A - 一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置及测试方法，通过力锤在充气柔性薄膜结构的标定激励点进行敲击而施加振动激励，由安装于力锤上的力传感器接收力信号。通过安装在充气柔性薄膜结构表面的加速度传感器接收加速度信号。力信号和加速度信号经过电荷放大器放大之后，由数据采集仪将接收到的加速度电信号和力电信号输入计算机，计算机对信号进行数模转换，并根据力信号和加速度信号得到频响函数矩阵，最终通过参数识别得到结构各阶模态振型和有关模态参数。由此可以为充气柔性薄膜结构的模态数值仿真进行验证并提供参考。本发明结构装置简单、操作便捷、适用性广。

Description

一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置及测试方法

技术领域

本发明适用于充气柔性薄膜结构模态特性的试验分析，具体来说是一种采用力锤激励法测量充气柔性薄膜结构模态振型、相应振动频率及模态阻尼的测试装置及测试方法，用以研究上述结构的振动特性，并可用于指导和验证上述结构的有限元数值仿真分析。

背景技术

近年来，飞艇凭借其在民用和军事领域中的广泛应用前景，成为了当前世界各国研究的焦点。其作为早期预警和超视距飞行平台，具有其他飞行器无法比拟的优势。海湾战争期间，美国通过装备在平流层飞艇上的传感设备首先发现伊拉克进攻科威特的军事行动。而在民用方面，飞艇平台还能应用于如灾害预警、气象观测和导航定位等诸多领域。飞艇作为一种典型的充气柔性薄膜结构，具备空中悬停能力强、能耗低、飞行时间久、有效载重量大、航程远等特点，比其他航空器更便于维护保养。为增加有效负载，飞艇的外蒙皮、充放气囊一般由轻质高强度柔性膜结构组成。充气柔性膜结构本身质量轻，刚度弱且对载荷敏感，因而其力学特性有三个显著特点：第一，膜结构的变形几乎都是非线性大变形；第二，充气膜结构与内外部流场之间有相互耦合作用；第三，柔性飞艇结构刚度低且阻尼小，所以其固有频率在较低范围内密集分布。

正是由于以飞艇为典型代表的充气柔性薄膜结构的固有频率偏低且结构阻尼很小，所以当受到外界激励激发振动时，其结构阻尼无法有效减少动态响应，容易造成结构的振动破坏。因此，对充气柔性结构的固有频率和模态振型的研究具有很强的现实意义。目前，国内外学者针对充气柔性结构的模态研究开展了一系列的理论研究工作，主要集中在两方面：(1)由找形分析获得充气柔性薄膜结构的充气平衡状态的结构构型和应力分布，再进行考虑预应力的模态分析；(2)由找力分析求解给定目标状态对应的应力分布，再计算充气柔性结构的模态振型和固有频率。然而，关于充气柔性薄膜结构模态分析的试验研究还很有限，很难验证数值仿真研究结果的可信性和准确性，还未见到公开发表的针对充气柔性薄膜结构进行模态试验测试的简单、有效和易于操作的测试装置和测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态实验测试装置和测试方法，为充气柔性薄膜结构的固有特性/振动特性分析和安全使用提供可靠的测试方法和测试数据。

本发明采用的技术方案为：一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，包括结构模态试验系统、结构动力学试验系统、充气测压系统、试验用计算机。

所述结构模态试验系统、结构动力学试验系统、试验用计算机通过数据线连接，充气测压系统和试验对象(充气柔性薄膜结构)通过充气软管连接。

结构模态试验系统含4路控制通道，48路采样通道，其采样精度16位。包括信号采集分析仪、带SCSI接口的主机箱、ICP调制输入模块、A/D转换器和DSP数据处理器、信号源输出模块、加速度计校准器组成。结构模态试验系统对加速度传感器输出的加速度电信号、力传感器输出的力信号进行数据采集、信号存储、信号的数模变换和参数计算与分析。

结构动力学试验系统包括激励力锤和加速度传感器，激励力锤与结构模态试验分析系统通过数据线连接，加速度传感器贴于试验对象的薄膜结构中部表面，同样与结构模态试验系统通过数据线连接。通过使用激励力锤敲击试验对象结构的表面，给试验对象施加振动激励，同时将力传感器接收到的激励信号转化为电信号，通过电荷放大器传入信号采集分析仪。加速度传感器将接收到的加速度变化转化为电信号，通过电荷放大器传入结构模态试验分析系统中的信号采集分析仪。

充气测压系统包括气泵、微压计以及软管。其中气泵用于对实验对象进行充气加载，微压计用于测量实验对象内部的气压，气泵和实验对象以及微压计与实验对象均由软管相连接。

试验用计算机用于集成和调用结构模态试验分析系统以及结构动力学试验系统，处理和显示由加速度传感器和力传感器传输来的电信号，将采集到的加速度信号和力信号，根据多参考最小二乘复频域(LSCF)原理，生成频响函数矩阵，经过计算得到试验对象的各阶固有频率及其模态参数，并同时作为计算结果的输出显示终端。

进一步的，加速度的测量采用单向加速度传感器，其本身质量不超过4g。

进一步的，试验前应通过试敲，将信号进行时域和频域分析，以合理配置力锤的顶帽(击打部位的材料)及锤头质量。

进一步的，试验前对所有测点进行通道检查，每次测量单点的敲击次数不少于3次。

另外，本发明还提供一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试方法，步骤如下：

步骤一：安装试验对象；

用柔性尼龙绳将试验对象的两端分别连接固定，再将柔性尼龙绳悬挂在试验支架上；

步骤二：创建几何并在气囊上标定测点；

选择坐标系，创建气囊上布置的测点，输入测点坐标，将测点连接形成网格面，同时将测点在试验对象表面上进行标定；

步骤三：通道连接和设置；

创建模型几何之后，布置加速度传感器，将传感器和数据采集装置连接，完成通道设置和数据关联，并设定各传感器参数；

步骤四：传感器灵敏度标定；

步骤五：锤击示波；

通过测试前的几次锤击，设置合理的量程范围，提高测试结果精确性；

步骤六：设置锤击触发级、带宽、窗口以及锤击点；

步骤七：完成前述所有设置，开始模态测试；用力锤按顺序依次敲击结构上已标定好的所有激励点，每次敲击之后，保存力信号和加速度信号；完成全部标定点敲击后，将所有信号数据导入数据处理器，模态试验系统通过信号数据建立频响函数矩阵，进而完成模态参数识别，最终显示各阶模态振型，此外还可对前述所有设置进行修改。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、相对于其他模态参数识别方法，本试验采用的模态参数识别方法为多参考最小二乘复频域法(LSCF)，特别适合充气柔性薄膜结构这种小阻尼且固有频率密集分布的结构系统，提高了测试结果的可靠性和准确性；

2、本发明由于配置了微压计和充气泵，可以对试验对象的内部压强进行连续调节，从而方便研究不同充气压强对薄膜结构固有特性的影响特点；

3、本发明试验装置结构简单，测试方法使用便捷，只需在试验对象上粘贴两个加速度传感器，无需使用应变片和过多的加速度传感器。

附图说明

图1为本发明充气柔性薄膜结构的模态测试装置整体结构示意图；

图2为本发明模态试验系统；

图3为本发明加速度传感器实物图；

图4为本发明激励力锤实物图；

图5为试验对象椭球形薄膜气囊实物图；

图6为本发明充气椭球力锤激励点布置图(黑色点为激励点)；

图7为本发明试验测试的边界条件示意图；

图8为本发明试验测试的边界条件实物图；

图9为本发明模态试验测试原理图；

图10为本发明中锤击激励法测试装置示意图；

图1中附图标记含义为：

1-力锤及力传感器2-加速度传感器

3-椭球形充气柔性薄膜结构4-电荷放大器

5-结构模态试验系统6-试验用计算机

7-微压计8-气泵

图10中附图标记含义为：

9-力传感器10-连接基座

11-导线

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态试验测试装置，如图1所示，包括结构模态试验系统5，结构动力学实验系统(力锤及力传感器1、加速度传感器2)，充气测压系统(气泵8、微压计7)，试验用计算机6，充气柔性薄膜结构3，电荷放大器4。

如图2所示，结构模态试验系统包括信号采集分析仪、带SCSI接口的主机箱、ICP调制输入模块、A/D转换器、DSP数据处理器、信号源输出模块、加速度计校准器。

如图3所示，由导线连接的压电式加速度传感器装置，其中加速度传感器粘贴在柔性薄膜结构的中部表面，用于接收结构振动引起的加速度变化，加速度传感器灵敏度为104.1mv/g，同时将加速度变化转化为电信号通过传感器后部的导线传入结构模态试验系统的信号采集分析仪。

如图4所示，激励力锤装置由力传感器，压电式力锤和导线组成，力锤灵敏度为10mv/N。力传感器安装在力锤的前端，在敲击时，首先由力锤的顶帽击打气囊结构，产生的力信号由力传感器转化为电信号，由导线传入结构模态试验系统的信号采集分析仪。

力锤激励法在模态测试时需要提前布置和标定加速度激励点，如图4-图5所示说明了针对试验对象的激励点布置方法。

如图5所示，为试验对象充气椭球形薄膜气囊结构实物，图中囊体表面的黑色交叉点代表力锤敲击激励点。

如图6所示，为充气椭球形薄膜气囊力锤激励点布置图(激励点轴对称分布)，黑色点为激励点。

如图7和图8所示，以实物图和示意图的方式，显示了模态测试装置的试验件边界条件。模态试验时，用柔性尼龙绳将试验件悬挂于支架上，悬挂点位于试验件的两个端点处。将整个悬挂系统简化为单摆系统，从尼龙绳上端固定点到充气薄膜结构轴线距离为l，计算等效单摆固有频率为 $T=2\mathrm{\π}/\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}\sqrt{l/g},f=\mathrm{\ω}/2\mathrm{\π}=\sqrt{g/l}/2\mathrm{\π},$ 其中T为单摆振动周期，ω为圆频率(rad/s)。取等效单摆长度l＝2m，重力加速度g取10m/s²，圆周率π取3.14，则单摆的固有频率为0.4Hz。振动测试中模拟结构的自由状态，要求悬挂系统的频率与结构第一阶固有频率间隔越大越好。故为保证悬挂系统的模态频率f₀与试验对象的最低结构弹性模态频率f₁间隔足够大，悬挂绳的长度应不小于2m。

如图9所示，为本发明模态试验测试原理图，由激励装置(力锤)在充气柔性结构模型上进行敲击，施加振动激励；安装在力锤端部的力传感器接收到力信号，转化为电信号，经电荷放大器将信号放大之后，输入结构模态试验系统的信号采集分析仪；同时，粘贴在试验对象薄膜表面的两个加速度传感器接收到加速度信号，转化为电信号，经电荷放大器将信号放大之后，输入结构模态试验系统的信号采集分析仪；结构模态试验系统对每一组输入信号进行关联保存和数模转换，找出激励点和各个测试点之间的频响函数关系，建立频响函数矩阵，进行进一步分析，求得各阶模态振型及有关模态参数。在完成模态振型和模态参数识别之后，由结构模态试验系统进行模态显示输出。

如图10所示，为本发明中锤击激励法测试装置示意图，两个加速度传感器通过连接基座粘贴在试验件的表面，加速度传感器通过导线与结构模态试验系统的信号采集分析仪相连；力传感器安装在力锤上，力锤通过导线同样与结构模态试验系统的信号采集分析仪相连；结构模态试验系统与试验用计算机连接，进行数据分析和处理，以及模态参数和振型数据的显示输出。

由此可得到充气柔性薄膜结构模态测试所需要的测试装置及其布置/连接方法

本发明还提供一种基于上述锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置的测试方法，具体步骤如下：

步骤一：安装试验对象；

将试验对象充气椭球形薄膜气囊结构的两端，分别用柔性尼龙绳连接固定，再将柔性尼龙绳悬挂在试验支架上，如图7所示；

步骤二：创建几何并在气囊上标定测点；

根据试验模型的特点选择坐标系，试验中对于充气椭球采用柱坐标系，若对于充气梁则中部采用柱坐标系，两端采用球坐标系。创建几何过程中的节点即在气囊上布置的测点，输入测点的坐标，将节点连接形成网格面。充气椭球划分成160网格，146个节点，将测点在气囊实物上进行标定，如图5所示；

步骤三：通道连接和设置；

在模型几何创建之后，进行加速度传感器的粘贴布置，再将传感器和数据采集装置进行连接，通道设置采用单输入-双输出，通过几何将模型上的力锤激励点与力传感器(力锤)关联，将响应点与加速度传感器关联，并设置各传感器的方向、灵敏度和单位；

步骤四：传感器灵敏度标定；

传感器的参数为给定的，力锤灵敏度为10mv/N，加速度传感器灵敏度为104.1mv/g；

步骤五：锤击示波；

锤击示波通过测试前的几次锤击设置合理的量程范围，以保证得到更精确的测试结果；

步骤六：锤击设置；

锤击设置主要设置触发级、带宽、窗口以及锤击点；

步骤七：测试，保存和分析数据；

完成了前述所有的设置后即可以进行力锤激励法模态测试。用力锤按照顺序依次敲击充气柔性薄膜结构上已经布置并标定好的所有激励点，每一次敲击之后，在结构模态试验系统中保存力锤上的力传感器接收到的力信号，同时在结构模态试验系统中保存两个加速度传感器接收到的加速度信号。在完成所有标定的激励点的敲击之后，将所有保存的信号数据导入结构模态试验系统中的数据处理器，模态试验系统通过信号数据建立频响函数矩阵，进一步通过分析计算进行模态参数识别，最终将结构的各阶模态振型显示出来。此外还可以对前述所有设置进行修改，另外还可对测量中的一些计算和操作进行设置，如测量的平均次数，模态测试中要计算的频响函数系数和估算方法等。

由此可得到充气柔性薄膜结构的各阶模态振型和相应的模态参数。

Claims (5)

1.一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，其特征在于：包括结构模态试验系统、结构动力学试验系统、充气测压系统和试验分析用计算机；

结构模态试验系统含4路控制通道，48路采样通道，其采样精度16位；包括信号采集分析仪、带SCSI接口的主机箱、ICP调制输入模块、A/D转换器和DSP数据处理器、信号源输出模块、加速度计校准器组成；结构模态试验系统对加速度传感器输出的加速度电信号、力传感器输出的力信号进行数据采集、数据存储、信号的数模变换和参数计算与分析；

结构动力学试验系统包括激励力锤和加速度传感器，激励力锤与结构模态试验分析系统通过数据线连接，加速度传感器贴于试验对象的薄膜结构中部表面，同样与结构模态试验系统通过数据线连接；通过使用激励力锤敲击试验对象结构的表面，给试验对象施加振动激励，同时将力传感器接收到的激励信号转化为电信号，通过电荷放大器传入信号采集分析仪；加速度传感器将接收到的加速度变化转化为电信号，通过电荷放大器传入结构模态试验分析系统中的信号采集分析仪；

充气测压系统包括气泵、微压计以及软管，其中气泵用于对实验对象进行充气加载，微压计用于测量实验对象内部的气压，气泵和实验对象以及微压计与实验对象均由软管相连接；

试验用计算机用于集成和调用结构模态试验分析系统以及结构动力学试验系统，处理和显示由加速度传感器和力传感器传输来的电信号，将采集到的加速度信号和力信号，根据多参考最小二乘复频域(LSCF)原理，生成频响函数矩阵，经过计算得到试验对象的各阶固有频率及其模态参数，并同时作为计算结果的输出显示终端；

所述结构模态试验系统、结构动力学试验系统、试验用计算机通过数据线连接，充气测压系统和试验对象通过充气软管连接，所述试验对象为充气柔性薄膜结构。

2.如权利要求1所述一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，其特征在于：加速度的测量采用单向加速度传感器，其本身质量不超过4g。

3.如权利要求1所述一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，其特征在于：试验前应通过试敲，将信号进行时域和频域分析，以合理配置力锤的顶帽及锤头质量。

4.如权利要求1所述一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，其特征在于：试验前对所有测点进行通道检查，每次测量单点的敲击次数不少于3次。

5.一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试方法，其特征在于：

步骤一：安装试验对象；

用柔性尼龙绳将试验对象的两端分别连接固定，再将柔性尼龙绳悬挂在试验支架上；

步骤二：创建几何并在气囊上标定测点；

选择坐标系，创建气囊上布置的测点，输入测点坐标，将测点连接形成网格面，同时将测点在试验对象表面上进行标定；

步骤三：通道连接和设置；

创建模型几何之后，布置加速度传感器，将传感器和数据采集装置连接，完成通道设置和数据关联，并设定各传感器参数；

步骤四：传感器灵敏度标定；

步骤五：锤击示波；

通过测试前的几次锤击，设置合理的量程范围，提高测试结果精确性；

步骤六：设置锤击触发级、带宽、窗口以及锤击点；

步骤七：完成前述所有设置，开始模态测试；用力锤按顺序依次敲击结构上已标定好的所有激励点，每次敲击之后，保存力信号和加速度信号；完成全部标定点敲击后，将所有信号数据导入数据处理器，模态试验系统通过信号数据建立频响函数矩阵，进而完成模态参数识别，最终显示各阶模态振型，此外还可对前述所有设置进行修改。