CN110243938B - 一种移动力锤模态试验装置及系统 - Google Patents

一种移动力锤模态试验装置及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种移动力锤模态试验装置及系统，所述装置包括定位单元、试验单元、采集单元和模拟单元。定位单元与试验单元连接，用于将试验单元移动到预设位置。试验单元包括驱动器和力锤，通过驱动器为力锤提供动力来敲击待试验模型。采集单元包括加速度传感器和力传感器，加速度传感器设置在待试验模型上，力传感器设置在力锤内部。在力锤敲击待试验模型后，获取待试验模型的加速度信号和力传感器信号。模拟单元与采集单元连接，用于根据采集单元采集的加速度信号和力传感器信号计算得出待试验模型的模态参数。采用本申请提供的移动力锤模态试验装置进行模态试验，能够改善人工锤击获取模态数据不精确的问题。

Description

一种移动力锤模态试验装置及系统
技术领域
本申请涉及风洞试验领域，具体而言，涉及一种移动力锤模态试验装置及系统。
背景技术
目前，对于风洞试验中颤振模型的模态参数检测，通常有两种方法，激振器法和锤击法。由于颤振模型比较轻，采用激振器法需要布置较多的加速度传感器，导致附加质量大，测得的频率降低。因此，锤击法更适合在风洞试验前对颤振模型的模态进行检查。
锤击法中通常又使用移动力锤法对颤振模型进行试验，移动力锤法是由人工使用力锤敲击，该种方法的激振力的准度取决于合适的力锤和敲击者的经验，敲击者的经验决定了力大小、方向以及作用点。如果人工激振导致力的大小不合适，还会出现连击现象和敲击落点的坐标偏离预定点的情况，从而导致识别出的模态出现误差，特别是振型偏差。
有鉴于此，如何提高获取的颤振模型的模态参数的精确性，是目前需要改善的问题。
发明内容
本申请提供一种移动力锤模态试验装置及系统。
第一方面，本申请提供一种移动力锤模态试验装置，包括定位单元、试验单元、采集单元和模拟单元；
所述定位单元包括模型支撑架和定位机构；
所述试验单元包括力锤和驱动器；
所述采集单元包括加速度传感器和力传感器，用于采集待试验模型的加速度信号和力传感器信号；
所述模拟单元与所述采集单元连接，用于根据所述采集单元采集到的所述待试验模型的加速度信号和力传感器信号计算得出所述待试验模型的模态参数；
所述模型支撑架与待试验模型连接，用于固定所述待试验模型；
所述定位机构与所述试验单元连接，用于将所述试验单元移动到预设位置；
所述驱动器与所述力锤连接，用于提供所述力锤锤击所述待试验模型的动力；
所述加速度传感器固定在所述待试验模型，用于采集待试验模型的加速度信号，所述力传感器设置在所述力锤内部，用于采集待试验模型的力传感器信号。
可选地，所述试验单元包括支撑件、连接件和第一运动机构，所述力锤包括锤体和锤头；
所述支撑件靠近所述待试验模型的一端与所述锤体可转动连接、另一端与所述第一运动机构连接；
所述第一运动机构沿所述待试验模型确定的水平面垂直方向上进行靠近或远离所述待试验模型的运动，以使所述力锤和支撑件随所述第一运动机构做靠近或远离所述待试验模型的运动；
所述锤体远离所述驱动器的一端连接所述锤头、另一端通过所述连接件与所述驱动器连接。
可选地，所述第一运动机构包括第一导轨、第一滑块、第一电机和底座；
所述第一滑块与所述支撑件远离所述待试验模型的一端连接并且与所述第一导轨可滑动连接；
所述第一导轨固定在所述底座上，所述第一导轨的延伸方向与所述待试验模型确定的水平面垂直；
所述底座远离所述第一导轨的一端与所述定位机构连接；
所述第一电机与所述第一滑块连接，用于提供所述第一滑块滑动的动力。
可选地，所述连接件为软绳。
可选地，所述驱动器包括气缸和气压调节器；
所述气压调节器与所述气缸连接，用于提供所述气缸运动所需气压。
可选地，所述气缸包括缸体、活塞、活塞杆、第一气门和第二气门；
所述活塞设置在所述缸体内；
所述活塞杆的一端与所述活塞连接、另一端与所述连接件连接；
所述第一气门设置在所述缸体靠近所述连接件的一端，所述第二气门设置在所述缸体的另一端；
所述气压调节器分别与所述第一气门和第二气门连接，用于改变所述缸体内部的气压，以使所述活塞在所述缸体内部做活塞运动。
可选地，所述驱动器包括电磁阀，所述电磁阀与所述气压调节器连接，用于控制所述气压调节器的开关。
可选地，所述定位机构包括第二运动机构、第三运动机构、第二电机和第三电机；
所述第二运动机构包括第二导轨，所述试验单元与所述第二导轨滑动连接；
所述第二电机与所述试验单元连接，用于提供所述试验单元在所述第二导轨上运动的动力；
所述第三运动机构包括第三滑块和第三导轨，所述第三滑块的一侧与所述第二导轨固定连接，所述第三滑块的另一侧与所述第三导轨滑动连接；
所述第三电机与所述第三滑块连接，用于提供所述第三滑块在所述第三导轨上运动的动力；
所述第二导轨和第三导轨的延伸方向相互垂直且与所述待试验模型确定的水平面平行。
可选地，所述定位机构和试验单元分别包括磁栅尺，所述磁栅尺用于对所述试验单元进行定位。
第二方面，本申请提供一种移动力锤模态试验系统，包括控制计算机与第一方面所述的移动力锤模态试验装置；
所述控制计算机与所述移动力锤模态试验装置连接，用于控制所述移动力锤模态试验装置进行试验。
本申请提供一种移动力锤模态试验装置及系统，通过对定位单元、试验单元、采集单元和模拟单元的巧妙设计与集成，能够自动通过试验单元的力锤对待试验模型进行激振，并且也可以通过定位单元准确得到待试验模型的激振点，无需人工使用力锤对待试验模型进行激振和确定激振点，从而改善了现今人工锤击获取模态数据不精确的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的移动力锤模态试验装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的气缸的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的定位机构的结构示意图；
图4为本申请提供的移动力锤模态试验系统的结构示意框图。
图标：1-试验单元；2-定位单元；3-采集单元；4-模拟单元；5-控制计算机；6-待试验模型；10-力锤；11-驱动器；12-支撑件；13-连接件；14-第一运动机构；20-模型支撑架；21-定位机构；101-锤体；102-锤头；110-缸体；111-活塞；112-活塞杆；113-第一气门；114-第二气门；141-第一导轨；142-第一滑块；143-底座；211-第二导轨；212-第三滑块；213-第三导轨。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的具体实施方式进行详细说明。
请参照图1，图1为本申请实施例提供的移动力锤模态试验装置的结构示意图，移动力锤模态试验装置包括试验单元1、定位单元2、采集单元3和模拟单元4。
所述试验单元1包括力锤10和驱动器11。
所述定位单元2包括模型支撑架20和定位机构21。
所述采集单元3包括加速度传感器和力传感器，用于采集待试验模型6的加速度信号和力传感器信号。
所述模拟单元4与所述采集单元3连接，用于根据所述采集单元3采集到的所述待试验模型6的加速度信号和力传感器信号计算得出所述待试验模型6的模态参数。
所述模型支撑架20与待试验模型6连接，用于固定所述待试验模型6；
所述定位机构21与所述试验单元1连接，用于将所述试验单元1移动到预设位置。
所述驱动器11与所述力锤10连接，用于提供所述力锤10锤击所述待试验模型6的动力。
所述加速度传感器固定在所述待试验模型6，用于采集待试验模型6的加速度信号，所述力传感器设置在所述力锤10内部，用于采集待试验模型6的力传感器信号。
在本实施例中，待试验模型6可以是风洞试验中的机翼模型，也可以是风洞试验中的其他颤振模型。
进一步地，所述试验单元1包括支撑件12、连接件13和第一运动机构14，所述力锤10包括锤体101和锤头102。
所述支撑件12靠近所述待试验模型6的一端与所述锤体101可转动连接、另一端与所述第一运动机构14连接。
在本实施例中，支撑件12与锤体101可以通过铰链连接，以使锤体101可以相对支撑件12进行转动，在本实施例的其他实施方式中，支撑件12与锤体101之间也可以通过其他方式连接，只要能够实现锤体101相对支撑件12转动的功能即可。
所述第一运动机构14沿所述待试验模型6确定的水平面垂直方向上进行靠近或远离所述待试验模型6的运动，以使所述力锤10和支撑件12随所述第一运动机构14做靠近或远离所述待试验模型6的运动。
进一步地，所述第一运动机构14包括第一导轨141、第一滑块142、第一电机和底座143。
所述第一滑块142与所述支撑件12远离所述待试验模型6的一端连接并且与所述第一导轨141可滑动连接。
所述第一导轨141固定在所述底座143上，所述第一导轨141的延伸方向与所述待试验模型6确定的水平面垂直。
所述底座143远离所述第一导轨141的一端与所述定位机构21连接。
所述第一电机与所述第一滑块142连接，用于提供所述第一滑块142滑动的动力。
在本实施例中，第一运动机构14的运动可以是通过滑块与导轨结合实现，第一滑块142与支撑件12连接，第一电机提供第一滑块142在第一导轨141上滑动的动力，支撑件12可以随着滑块沿第一导轨141延伸方向运动，与支撑件12连接的力锤10也可以沿第一导轨141延伸方向运动，到达预设位置。
所述锤体101远离所述驱动器11的一端连接所述锤头102、另一端通过所述连接件13与所述驱动器11连接。
在本实施例中，连接件13可以是软绳。在驱动器11提供驱动力时，软绳紧绷，锤体101被软绳牵引下降，锤头102上升，当锤头102还未接触到待试验模型6时，驱动器11停止提供驱动力，此时软绳松弛，锤头102由于惯性继续上升，激振(即敲击)待试验模型6，此时力锤10没有其他外力提供动力，故在待试验模型6弹性力及自身重力的作用下，快速脱离待试验模型6，回到初始位置。在其他实施例中，也可以采用其他软性材料作为连接件13，例如细线，来实现驱动器11停止提供驱动力后，力锤10能够快速脱离待试验模型6，不会存在连击的现象，保证了获取数据的准确性。
进一步地，所述驱动器11包括气缸和气压调节器。
所述气压调节器与所述气缸连接，用于提供所述气缸运动所需气压。
请参照图2，图2为本申请实施例提供的气缸的结构示意图，所述气缸包括缸体110、活塞111、活塞杆112、第一气门113和第二气门114。
所述活塞111设置在所述缸体110内。
所述活塞杆112的一端与所述活塞111连接、另一端与所述连接件13连接。
所述第一气门113设置在所述缸体110靠近所述连接件13的一端，所述第二气门114设置在所述缸体110的另一端。
所述气压调节器分别与所述第一气门113和第二气门114连接，用于改变所述缸体110内部的气压，以使所述活塞111在所述缸体110内部做活塞运动。
进一步地，所述驱动器11包括电磁阀，所述电磁阀与所述气压调节器连接，用于控制所述气压调节器的开关。
在本实施例中，可以采取气压调节器和气缸配合作为驱动器11为力锤10提供动力。使用的气体可以是氮气，可以将氮气瓶与气缸的第一气门113和第二气门114连接，再由气压调节器对充入和放出的气压进行控制，来实现气缸的运行，可以通过电磁阀来控制氮气瓶中的氮气进入或放出第一气门113和第二气门114。可以先对气缸下腔充气(氮气充入第二气门114)，上腔放气(上腔中的氮气从第一气门113中放出)，活塞111向上移动，连接件13变得松弛，锤头102因为重力下降到预设位置，连接件13重新紧绷。当试验开始时，可以对气缸上腔充气(氮气充入第一气门113)，下腔放气(下腔中的氮气从第二气门114放出)，此时活塞111向下运动，活塞杆112牵引连接件13向下，连接件13紧绷，锤头102向上运动，在接触到待试验模型6之前，可以再次对气缸下腔充气，上腔放气，此时活塞111上升，连接件13与活塞杆112之间的距离变短，连接件13松弛，力锤10此时没有外力提供动力，由于惯性继续向上运动，激振待试验模型6，随后在待试验模型6的弹性力及力锤10自身重力的作用下快速离开待试验模型6。在其他实施例中，也可以采取其他方式完成对力锤10的驱动，实现力锤10能够在停止接收驱动器11的驱动力后快速脱离待试验模型6，例如，一种风车式的驱动器，可以有四个风车叶，通过伺服电机驱动四个风车叶进行转动，力锤10与风车叶接触，当力锤10开始与风车叶接触时，受到风车叶的推力做靠近待试验模型6的运动，在力锤10还未接触到待试验模型6时，此时接触的风车叶已经轮转离开，力锤10处于两个风车叶之间，力锤10不受到任何驱动力，由于惯性继续向上运动，激振待试验模型6，随后由于待试验模型6的弹性力和力锤10自身重力的作用下快速脱离待试验模型6。
请参照图3，图3为本申请实施例提供的定位机构21的结构示意图，所述定位机构21包括第二运动机构、第三运动机构、第二电机和第三电机。
所述第二运动机构包括第二导轨211，所述试验单元1与所述第二导轨211滑动连接。
所述第二电机与所述试验单元1连接，用于提供所述试验单元1在所述第二导轨211上运动的动力。
所述第三运动机构包括第三滑块212和第三导轨213，所述第三滑块212的一侧与所述第二导轨211固定连接，所述第三滑块212的另一侧与所述第三导轨213滑动连接。
所述第三电机与所述第三滑块212连接，用于提供所述第三滑块212在所述第三导轨213上运动的动力。
所述第二导轨211和第三导轨213的延伸方向相互垂直且与所述待试验模型6确定的水平面平行。
进一步地，所述定位机构21和试验单元1分别包括磁栅尺，所述磁栅尺用于对所述试验单元1进行定位。
在本实施例中，定位机构21可以通过设置两个方向垂直的运动机构来使试验单元1到达预设位置(待试验模型6的模型激振点)，并且可以通过磁栅尺对位置进行精细化调整。在其他实施例中，定位机构21也可以采取其他设置方式，使试验单元1能够达到预设位置。
请参照图4，图4为本申请提供的移动力锤模态试验系统的结构示意框图，包括控制计算机5与前述的移动力锤模态试验装置。
所述控制计算机5与所述移动力锤模态试验装置连接，用于控制所述移动力锤模态试验装置进行试验。
在本实施例中，模拟单元4可以通过如下公式获取模态参数：
Figure BDA0002108985000000101
其中，[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；
Figure BDA0002108985000000102
为加速度信号；
Figure BDA0002108985000000103
为速度信号；x为位移信号；f(t)为力传感器信号。
应当理解的是，速度信号
Figure BDA0002108985000000104
和位移信号x都可以由加速度信号
Figure BDA0002108985000000105
通过积分得到。
可以将上式进行拉氏变换，得到传递函数：
H(s)＝(s2[M]+s[C]+[K])-1
其中，s为变换因子。
在本实施例中，可以认为变换因子s＝jω，此时可以得到传递函数与模态参数间的解析关系式：
Figure BDA0002108985000000106
其中，ωr为某阶圆频率；ω为圆频率；ξr为阻尼比；Φ为振型。由上式可知，由传递函数的行或列，便足以确定全部模态参数。
综上所述，采用本申请提供的移动力锤模态试验装置进行模态试验，能够改善人工锤击获取模态数据不精确的问题，有效地防止了过载和连击的问题，同时采用了机器自动激振的方式，不需要人工过多参与，提升了模态试验的试验效率。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种移动力锤模态试验装置，其特征在于，包括试验单元、定位单元、采集单元和模拟单元；
所述试验单元包括力锤和驱动器；
所述定位单元包括模型支撑架和定位机构；
所述采集单元包括加速度传感器和力传感器，用于采集待试验模型的加速度信号和力传感器信号；
所述模拟单元与所述采集单元连接，用于根据所述采集单元采集到的所述待试验模型的加速度信号和力传感器信号计算得出所述待试验模型的模态参数；
所述模型支撑架与待试验模型连接，用于固定所述待试验模型；
所述定位机构与所述试验单元连接，用于将所述试验单元移动到预设位置；
所述驱动器与所述力锤连接，用于提供所述力锤锤击所述待试验模型的动力；
所述加速度传感器固定在所述待试验模型，用于采集待试验模型的加速度信号，所述力传感器设置在所述力锤内部，用于采集待试验模型的力传感器信号；
所述试验单元还包括支撑件、连接件和第一运动机构，所述力锤包括锤体和锤头；
所述支撑件靠近所述待试验模型的一端与所述锤体可转动连接、另一端与所述第一运动机构连接；
所述第一运动机构沿所述待试验模型确定的水平面垂直方向上进行靠近或远离所述待试验模型的运动，以使所述力锤和支撑件随所述第一运动机构做靠近或远离所述待试验模型的运动；
所述锤体远离所述驱动器的一端连接所述锤头、另一端通过所述连接件与所述驱动器连接；
所述连接件为软绳；
所述定位机构包括第二运动机构、第三运动机构、第二电机和第三电机；
所述第二运动机构包括第二导轨，所述试验单元与所述第二导轨滑动连接；
所述第二电机与所述试验单元连接，用于提供所述试验单元在所述第二导轨上运动的动力；
所述第三运动机构包括第三滑块和第三导轨，所述第三滑块的一侧与所述第二导轨固定连接，所述第三滑块的另一侧与所述第三导轨滑动连接；
所述第三电机与所述第三滑块连接，用于提供所述第三滑块在所述第三导轨上运动的动力；
所述第二导轨和第三导轨的延伸方向相互垂直且与所述待试验模型确定的水平面平行。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一运动机构包括第一导轨、第一滑块、第一电机和底座；
所述第一滑块与所述支撑件远离所述待试验模型的一端连接并且与所述第一导轨可滑动连接；
所述第一导轨固定在所述底座上，所述第一导轨的延伸方向与所述待试验模型确定的水平面垂直；
所述底座远离所述第一导轨的一端与所述定位机构连接；
所述第一电机与所述第一滑块连接，用于提供所述第一滑块滑动的动力。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动器包括气缸和气压调节器；
所述气压调节器与所述气缸连接，用于提供所述气缸运动所需气压。
4.根据权利要求3中所述的装置，其特征在于，所述气缸包括缸体、活塞、活塞杆、第一气门和第二气门；
所述活塞设置在所述缸体内；
所述活塞杆的一端与所述活塞连接、另一端与所述连接件连接；
所述第一气门设置在所述缸体靠近所述连接件的一端，所述第二气门设置在所述缸体的另一端；
所述气压调节器分别与所述第一气门和第二气门连接，用于改变所述缸体内部的气压，以使所述活塞在所述缸体内部做活塞运动。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述驱动器包括电磁阀，所述电磁阀与所述气压调节器连接，用于控制所述气压调节器的开关。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述定位机构和试验单元分别包括磁栅尺，所述磁栅尺用于对所述试验单元进行定位。
7.一种移动力锤模态试验系统，其特征在于，包括控制计算机与权利要求1-6中任一项所述的移动力锤模态试验装置；
所述控制计算机与所述移动力锤模态试验装置连接，用于控制所述移动力锤模态试验装置进行试验。
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