CN107131984B - 一种随机振动试验测力方法 - Google Patents
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Abstract
一种随机振动试验测力方法，步骤为：(1)安装试验件、工装组件、压电测力装置至振动台。(2)开展正弦扫描试验。(3)测力装置灵敏度标定。(4)随机振动试验的测力装置电压信号转化为振动力。(5)工装组件振动力的剔除，得到作用在试验件上的随机振动力均方根。本发明消除了原来方法没有考虑共振区加速度频率响应差异的影响，避免了作用在试验件上的振动力计算偏小的问题。本发明采用正弦扫描试验的方法对每次试验的测力装置系统灵敏度进行标定，克服了现有的测力装置系统灵敏度的计算复杂及误差积累的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种随机振动试验测力方法，此方法可以有效修正附加质量的影响，得到正确的试验件安装界面力。
背景技术
工程上存在一种类型的振动，其振动规律不能用一个确定的函数来描述。该振动表现为具有不确定性、不能预估、不可能完全重复，这一类的振动称为随机振动。
使用压电测力装置可以测量试验件在随机振动试验中振动力的大小。大多数情况，试验件不能直接安装压电测力装置上，需要夹具进行连接，这些在试验件与压电块之间的结构质量，称为附加结构质量，一般包括压电附加板和夹具工装，总称为工装组件。因此，要得到随机振动中实际试验件产生的力需要在压电测力装置测出的力中去除附加结构质量即工装组件所产生的力。
传统的修正附加质量影响的方法是按工装组件与试验件的质量比的比例对所测得的力进行比例去除，但是随机振动中该方法忽略了试验件本身的共振特性，由于夹具工装非完全刚性，附加结构在共振区和非共振区对力的贡献不均匀，按质量比例的方法计算受力会使得作用在试验件上的振动力计算有较大偏差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术中没有考虑不同加速度响应对随机振动力影响的不足，提供了一种随机振动试验测力方法。
本发明的技术方案是：一种随机振动试验测力方法，步骤如下：
(1)将试验件、工装组件以及压电测力装置安装在一起，并在工装组件和试验件上粘贴加速度传感器；
(2)启动振动台进行低量级正弦扫描试验；
(3)获取试验件在正弦振动时共振前的低频区域内加速度响应量级，以及压电测力装置在正弦振动时共振前的低频区域内电压信号量级；
(4)将步骤(3)中的加速度响应量级乘以试验件和工装组件的总质量，得到正弦振动力的量级；
(5)用步骤(3)中的电压信号量级除以步骤(4)中的正弦振动力的量级，得到压电测力装置灵敏度系数；
(6)开始进行随机振动测试实验，将采集到的压电测力装置的随机振动电压信号除以步骤(5)中得到的测力装置灵敏度系数，得到作用在试验件和工装组件上总的随机振动力的时域数据；
(7)将步骤(6)中得到的随机振动力的时域数据经过傅里叶变换后，得到试验件和工装组件的总的随机振动力的频域数据，即力功率谱密度；
(8)分别对测量得到的试验件、工装组件上的总的随机振动力的频域数据进行傅里叶变换，得到试验件的加速度功率谱密度和工装组件的加速度功率谱密度；
(9)剔除工装组件随机振动力，得到作用在试验件上的随机振动力均方根。
所述压电测力装置包括负载盘(1)、四个沿水平方向安装的压电传感器(2.1)、四个沿竖直方向安装的压电传感器(2.2)、底座(3)、四个侧向定位板、八个螺栓以及数据采集和处理系统。
将试验件、工装组件以及压电测力装置安装的具体过程为：把压电测力装置安装到振动台上，试验件通过夹具工装安装在压电附加板上，而压电附加板连接压电测力装置。
所述低量级正弦扫描试验的频率采用20～2000HZ。
所述振动台的输入量级为0.5g。
所述步骤(3)的具体过程为：将正弦振动的加速度响应数据处理成幅值曲线，并排除误差干扰，统计压电附加板在低频区域内响应加速度的量级；将压电测力装置电压时域信号的干扰误差剔除，然后统计剔除干扰误差后的电压时域信号在低频区域内的量级。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明充分考虑了试验件的随机振动响应特性，基于加速度频率响应在每个频点上去除工装组件的随机振动力，能够考虑共振区与非共振区不同频段的力的不同，消除了原来方法没有考虑共振区加速度频率响应差异的影响，避免了作用在试验件上的振动力计算偏小的问题。本发明采用正弦扫描试验的方法对每次试验的测力装置系统灵敏度进行标定，克服了现有的测力装置系统灵敏度的计算复杂及误差积累的问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明测力装置的构型示意图；
图3为本发明试验控制点、压电附加板加速度测点、试验件与测力装置的位置关系示意图；
图4为本发明随机振动试验测力装置的电压时域信号示意图；
图5为本发明组合体的振动力功率谱密度曲线示意图；
图6为本发明试验件随机振动加速度响应曲线示意图；
图7为本发明压电附加板随机振动加速度响应曲线示意图；
图8为本发明试验件的振动力功率谱密度曲线示意图。
具体实施方式
①安装试验件、工装组件、压电测力装置至振动台
一般压电测力装置构成如图2所示，由负载盘(1)、四个沿水平方向安装的压电传感器(2.1)、四个沿竖直方向安装的压电传感器(2.2)、底座(3)、四个侧向定位板、八个螺栓以及数据采集和处理系统组成。把压电测力装置安装到振动台上，试验件通过夹具工装安装在压电附加板上，而压电附加板连接压电测力装置。压电附加板、试验件、工装与测力装置的位置关系如图3所示。
②开展正弦扫描试验
将加速度传感器粘贴在试验件、工装上，连接传感器至数据测量系统，启动振动台与测量系统，开展20～2000HZ、0.5g量级的正弦扫描试验。振动过程中，使用数据采集系统对测力装置电压信号和试验件与工装的加速度响应数据进行采集。
③测力装置灵敏度标定
将正弦振动的加速度响应数据处理成幅值曲线，并排除误差干扰，统计压电附加板在低频(非共振)区域内响应加速度的量级。将测力装置电压时域信号的干扰误差剔除，然后统计该电压信号在低频(非共振)区域内的量级。将上述加速度量级乘以工装组件和试验件的总质量，得到正弦振动力的量级。然后上述电压信号量级除以正弦振动力的量级，得到测力装置的灵敏度系数，单位为V/N。
④随机振动试验的测力装置电压信号转化为振动力
将随机振动试验中采集的测力装置的电压时域信号除以测力装置灵敏度系数，得到作用在试验件和工装组件上总的随机振动力的时域数据。然后对振动力的时域数据进行傅里叶变换，得到总的振动力功率谱密度数据。
⑤工装组件振动力的剔除
根据惯性力的概念，作用在试验件上的振动力和作用在组合体上的振动力的比值为：
对上式进行平方，并在全频段上积分后开根号，得到作用在试验件上振动力的均方根大小：
上述公式使用每个频点的加速度响应修正测得的随机振动力，从而可以剔除工装组件随试验件振动所产生的力，得到作用在试验件上的随机振动力的均方根大小。其中为组合体的振动力功率谱密度大小，为试验件的振动力功率谱密度大小，m试验件为试验件质量，m附加板为压电附加板和工装的质量和，a试验件为试验件质心处的随机振动响应加速度功率谱密度，a附加板为工装组件底部的随机振动响应加速度功率谱密度，F试验件作用在试验件上的随机振动力均方根大小。
这里默认已经采集到了随机振动试验中试验件和工装组件的随机振动响应加速度功率谱密度数据。
实施例
某试验件的质量为18.353kg，压电附加板和工装的质量和为14.499kg，正弦扫描试验：在前50s的低频区域内，压电附加板底部加速度幅值为0.82920g，则正弦振动力的幅值为：(18.353kg+14.499kg)*0.82920g＝267.2330N。根据测力装置的测量结果，在前50s的低频区域内电压幅值为1.070V，试验件的灵敏度系数为：1.070V/267.2330N＝4.004*e-3V/N
将随机振动试验测力装置的电压时域信号(如图4)除以测力装置灵敏度系数得到随机振动力的时域数据，进行傅里叶变换后，得到组合体的振动力功率谱密度数据，处理成曲线如图5。将试验件随机振动加速度响应功率谱密度数据、压电附加板随机振动加速度响应功率谱密度数据化成曲线，如图6图7。按照本发明的公式(1)进行计算，得到试验件的振动力功率谱密度曲线如图8。按照本发明的公式(2)进行计算，得到作用在试验件上的随机振动力的均方根大小为1496.2N。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种随机振动试验测力方法，其特征在于步骤如下：
(1)将试验件、工装组件以及压电测力装置安装在一起，并在工装组件和试验件上粘贴加速度传感器；
(2)启动振动台进行低量级正弦扫描试验；
(3)获取试验件在正弦振动时共振前的低频区域内加速度响应量级，以及压电测力装置在正弦振动时共振前的低频区域内电压信号量级；
(4)将步骤(3)中的加速度响应量级乘以试验件和工装组件的总质量，得到正弦振动力的量级；
(5)用步骤(3)中的电压信号量级除以步骤(4)中的正弦振动力的量级，得到压电测力装置灵敏度系数；
(6)开始进行随机振动测试实验，将采集到的压电测力装置的随机振动电压信号除以步骤(5)中得到的测力装置灵敏度系数，得到作用在试验件和工装组件上总的随机振动力的时域数据；
(7)将步骤(6)中得到的随机振动力的时域数据经过傅里叶变换后，得到试验件和工装组件的总的随机振动力的频域数据，即力功率谱密度；
(8)分别对测量得到的试验件、工装组件上的总的随机振动力的频域数据进行傅里叶变换，得到试验件的加速度功率谱密度和工装组件的加速度功率谱密度；
(9)剔除工装组件随机振动力，得到作用在试验件上的随机振动力均方根。
2.根据权利要求1所述的一种随机振动试验测力方法，其特征在于：所述压电测力装置包括负载盘(1)、四个沿水平方向安装的压电传感器(2.1)、四个沿竖直方向安装的压电传感器(2.2)、底座(3)、四个侧向定位板、八个螺栓以及数据采集和处理系统。
3.根据权利要求1或2所述的一种随机振动试验测力方法，其特征在于：将试验件、工装组件以及压电测力装置安装的具体过程为：把压电测力装置安装到振动台上，试验件通过夹具工装安装在压电附加板上，而压电附加板连接压电测力装置。
4.根据权利要求3所述的一种随机振动试验测力方法，其特征在于：所述低量级正弦扫描试验的频率采用20～2000HZ。
5.根据权利要求3所述的一种随机振动试验测力方法，其特征在于：所述振动台的输入量级为0.5g。
6.根据权利要求3所述的一种随机振动试验测力方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体过程为：将正弦振动的加速度响应数据处理成幅值曲线，并排除误差干扰，统计压电附加板在低频区域内响应加速度的量级；将压电测力装置电压时域信号的干扰误差剔除，然后统计剔除干扰误差后的电压时域信号在低频区域内的量级。
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