CN108489602B - 一种基于模态测试技术的惯性参数识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于振动模态测试技术的结构惯性参数识别方法，设计振动测试与分析技术，能够在较高支撑刚度的边界条件和较大噪声的环境条件下对结构惯性参数进行快速而准确的识别。适用于工厂环境下较大噪声的测试工作。本发明的方法包括：基于结构频率响应特性的直接参数识别法和剩余惯量法的组合方法。

Description

一种基于模态测试技术的惯性参数识别方法
技术领域
本发明涉及振动测试技术领域，特别是一种基于模态测试技术的惯性参数识别方法。
背景技术
质量、质心位置、转动惯量和惯性积等惯性参数是结构动态仿真、性能优化、有限元分析、悬置安装位置和角度选取等过程中所需的重要参数。基于振动测试技术的结构惯性参数识别方法逐渐成为新的研究热点，目前主要分为三种方法，包括直接参数识别法，剩余惯量法和模态模型法。剩余惯量法应用较多；直接参数识别法根据结构最高阶刚体模态和第一阶弹性模态之间的加速度频响函数谱线实部数据，不依赖其他已知量，直接求出结构质量、质心、转动惯量和惯性积等共10个参数，但该方法对噪声和弹性模态的干扰十分敏感，很难得到准确结果；模态模型法通过识别质量归一化刚体模态振型，依据质量矩阵关于刚体模态振型的正交性，求出10个惯性参数，但该方法需要一次锤击得到4-6阶刚体模态，这往往很难做到，且该方法惯性参数的识别精度取决于刚体模态振型的识别精度，而对振型的识别精度往往不如对频率的识别精度。此外，噪声和刚体振型的耦合也会对结果造成不利影响。剩余惯量法精度较好，对噪声和弹性模态干扰不太敏感，但需要提前已知质量参数，而这往往是待求的未知量，与测试的目的不符。此外，为了使测试点的分布反映结构几何轮廓，需要布置大量测试点，增大了测试工作量，达不到高效测试的目的。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种新的测试方法，能够满足在较高弹簧支撑刚度和含有弹性模态和噪声干扰的情况下，一次测试得到所有10个惯性参数结果，并保持较高精度的方法。
为达到上述目的，本发明的实施采用以下技术方案：
本发明提供一种用于识别结构惯性参数的测试方法，所述方法用于一种结构的惯性参数识别测试，所述测试由于支撑系统具有较大刚度，并且测试环境包含较大噪声，所述方法包括：
针对所述结构第一阶弹性模态振型，找到第一阶弹性模态振型节点位置，在符合惯性参数识别测试选点原则的前提下，在节点或其附近位置布置测点；
针对所述的测点分布，进行锤击法测试，得到包含最高阶刚体模态和第一阶弹性模态的频响函数矩阵；
利用频响函数矩阵代入所述直接参数识别法计算非第一阶弹性模态主要振动方向的质量值；
利用所述质量值，使用所述剩余惯量法，求出剩余9个惯性参数。
采用上述技术方案与现有技术相比，其有益效果为：
本发明提供的一种基于振动测试技术的惯性参数识别方法，与现有的剩余惯量法相比，本实施例结合直接参数识别法，实现了在不依赖任何已知量的前提下，在具有较高支承刚度和较大噪声干扰的测试环境下对结构惯性参数准确识别的目的，并且减少了测试点的数量，大幅降低工作量，有效地避免了直接参数识别法和剩余惯量法单独使用所面临的缺陷。
附图说明
图1为本发明基于模态测试技术的惯性参数识别方法的流程图；
图2为某型列车转向架构架模态试验测点分布图；
图3为某型列车转向架构架第一阶弹性模态振型和节点位置图；
图4为某型列车转向架构架惯性参数识别测试测点分布图；
图5为某型列车转向架构架频响函数谱线及质量线选带情况。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种适用于较高刚度弹簧支撑、含有较大噪声干扰环境下的结构惯性参数识别测试技术，能够在弹性模态和噪声影响的条件下，保持较高的识别精度，并且减少了测点数量，大大降低测试工作强度，具备一定的工程实践意义。
本发明方法用于实际工厂环境下的结构惯性参数识别，实际工厂环境下的结构惯性参数识别受到较大刚度的弹簧支撑系统影响，导致刚体模态不够低，并且测试环境中存在较大噪声影响，为达到上述目的，本发明的实施采用如下步骤：
步骤一：校正力锤和传感器灵敏度；
步骤二：均匀布置测点，高频采样，使用锤击法测试，3-5次锤击平均，测试结构第一阶弹性模态振型及其节点位置；
步骤三：在符合惯性参数识别测试选点原则的前提下，在第一阶弹性模态节点处或其附近重新布置测点，低频采样，8-10次锤击平均，获取包含刚体模态和第一阶弹性模态的频响函数矩阵；
步骤四：将频响函数矩阵、测点坐标及输入输出方向等信息代入直接参数识别法中，选择一段相对平直的加速度频响函数谱线，计算质量参数，取非第一阶弹性模态主要振动方向的质量值作为质量识别值；
步骤五：将识别的质量值代入剩余惯量法中计算剩余9个参数。
步骤三中惯性参数识别测试选点原则是：1、响应测试点的分布要反映结构几何轮廓，均匀分布，不能都处于一条直线上，不能位于对称轴或转动节线上，响应点坐标转换矩阵条件数不宜超过20左右；2、激励自由度个数至少6个，每个方向至少1个，力线方向不能全部相同，且力线不能穿过质心，激振力坐标转换矩阵条件数不宜超过20左右。
质量数值包括X、Y、Z、三个方向的结果，并不是每个结果都可用，具体计算过程为：响应点坐标转换矩阵：
Figure BDA0001612066360000031
激振力坐标转换矩阵：
Figure BDA0001612066360000032
为防止某些参数因数值过小导致相对误差过大，可考虑将参考坐标系原点平移一段距离，以保证测试数据的准确性。
步骤四中直接参数识别法的计算原理是通过最小二乘法求解6×6阶质量矩阵(此处脚标中的m、n指m行、n列)：
Figure BDA0001612066360000033
其中R为响应点坐标转换矩阵，W为激励点坐标转换矩阵，H为实测频响函数矩阵实部数据。质量矩阵M各元素分布：
Figure BDA0001612066360000041
步骤五剩余惯量法的计算原理是：
识别质心：
Figure BDA0001612066360000042
其中
Figure BDA0001612066360000043
为质心处的角加速度，m为已知质量，fx,fy,fz为某响应点处收到的锤击激励力大小，
Figure BDA0001612066360000044
为该点的平动加速度。xc、yc、zc分别为结构X、Y、Z方向的质心。
识别转动惯量和惯性积：
Figure BDA0001612066360000045
其中m为已知质量，Jxxo,Jyyo,Jzzo,Jxyo,Jxzo,Jyzo分别为三个转动惯量和三个惯性积，Mx,My,Mz为广义激励力矩。
本发明适用于具有较高弹簧刚度支撑结构在含较大噪声环境下进行的惯性参数快速测试，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于振动模态测试的惯性参数识别方法，其特征在于，该方法针对实测结构的加速度频率响应函数矩阵，识别出第一阶弹性模态振型，找到模态节点位置；
利用所述弹性模态节点位置作为响应测试点，采用直接参数识别法求出测试点三个方向对应的质量参数，并选择第一阶弹性模态振动幅值较小的方向对应的质量数值作为识别结果；
基于所述质量数值通过剩余惯量法求解剩余9个惯性参数；
所述识别方法具体包括以下步骤：
步骤一：校正力锤和传感器灵敏度；
步骤二：均匀布置测点，高频采样，使用锤击法测试，3-5次锤击平均，测试结构第一阶弹性模态振型及其节点位置；
步骤三：在符合惯性参数识别测试选点原则的前提下，在第一阶弹性模态节点处或其附近重新布置测点，低频采样，8-10次锤击平均，获取包含刚体模态和第一阶弹性模态的频响函数矩阵；
步骤四：将频响函数矩阵、测点坐标及输入输出方向信息代入直接参数识别法中，选择平直的加速度频响函数谱线，计算质量参数，取非第一阶弹性模态主要振动方向的质量值作为质量识别值；
步骤五：将识别的质量值代入剩余惯量法中计算剩余9个参数；
步骤三中惯性参数识别测试选点原则是：
a、响应测试点的分布要反映结构几何轮廓，均匀分布，不都处于一条直线上，不位于对称轴或转动节线上，响应点坐标转换矩阵条件数不超过20；
b、激励自由度个数至少6个，每个方向至少1个，力线方向不全部相同，且力线不穿过质心，激振力坐标转换矩阵条件数不超过20；
所述质量数值包括X、Y、Z、三个方向的结果，具体计算过程为：
响应点坐标转换矩阵：
Figure FDA0002392289440000011
激振力坐标转换矩阵：
Figure FDA0002392289440000012
两端同时右乘f-1，并使用最小二乘法，得到：
Figure FDA0002392289440000021
其中R为响应点坐标转换矩阵，W为激励点坐标转换矩阵，H为实测频响函数矩阵实部数据；
所述质量矩阵M6×6表示为：
Figure FDA0002392289440000022
取弹性模态振幅较小的方向的m作为质量参数识别值。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动模态测试的惯性参数识别方法，其特征在于，将所述质量参数识别值m作为剩余惯量法的必要已知量代入计算，得到质心，包括Xc，Yc，Zc，转动惯量包括Jxxo，Jyyo，Jzzo，和惯性积包括Jxyo，Jyzo，Jxzo。
3.根据权利要求1所述的一种基于振动模态测试的惯性参数识别方法，其特征在于，在设计响应点坐标转换矩阵和激振力坐标转换矩阵时，为防止某些参数因数值过小导致相对误差过大，将参考坐标系原点平移一段距离，以保证测试数据的准确性。
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