CN111766030A - 一种用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于振动测试技术领域，特别涉及一种用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法；模态测试装置包括：激振器；连杆，沿竖直方向固定在激振器输出轴的顶端；力传感器，通过球头铰装置连接至连杆的顶端，用于测量激励力；呈柔性板状的试验件，一端固定在试验区域内一固定点处，另一端的底面抵靠至力传感器的顶部；加速度传感器，设置在试验件上，用于测试响应信号。本申请的用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法，通过结合球头铰装置和力传感器，以消除连杆轴向刚度和弯曲刚度对结构测试结果的影响，且由于垂直轴向力对结构的影响较小，因此可以基本消除激振器连杆以及激振器的影响，提高测试结果尤其是对柔性结构的测试结果的精度。

Description

一种用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法

技术领域

本申请属于振动测试技术领域，特别涉及一种用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法。

背景技术

在结构振动测试中，常常需要利用激振器对结构进行激励，激振器常采用连杆与结构连接，由于需要传递轴向力，因此需要连杆有较大的轴向刚度以及较小的侧向刚度以便传递力的过程中尽量降低连杆对测试结果的影响，但是对于连杆式的结构，侧向刚度不可能太小，因此对于结构的测试结果影响必然会存在，上述影响对于柔性结构的测试更加明显，会造成测试结果与真实值明显偏离，因此如果希望在地面振动试验中使用激振器激励柔性结构，则必须尽可能降低激振器及连杆的附加特性的影响。本发明提出一种降低激振器及连杆附加特性影响的方法，用于解决轻质柔性结构的模态测试。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法。

第一方面，本申请公开了一种用于柔性结构的模态测试装置，包括：

激振器，所述激振器具有输出轴，用于提供轴向的激励力，其中，所述激振器固定设置在试验区域内的水平地面上，其输出轴沿竖直方向设置；

连杆，所述连杆沿竖直方向设置，其底端固定连接至所述激振器输出轴的顶端；

力传感器，所述力传感器的底部通过球头铰装置连接至所述连杆的顶端；

呈柔性板状的试验件，所述试验件的上下表面与所述水平地面平行，其一端端部与试验区域内一固定点进行固定，其远离所述固定点的一端的底面抵靠至所述力传感器的顶部，其中，所述力传感器用于对所述试验件上实际的激励力进行测量；

加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述试验件上，用于测试所述试验件的响应信号。

根据本申请的至少一个实施方式，所述球头铰装置包括：

球头，所述球头固定连接至所述连杆的顶端，所述球头直径大于所述连杆直径；

下盖，所述下盖中心处设置有连杆通孔，所述连杆的顶端由下至上穿过所述连杆通孔后与所述球头固定连接，其中，所述连杆通孔的直径大于所述连杆的直径，小于所述球头的直径；

上盖，所述上盖适配扣合在所述下盖顶部上，且相扣合的所述上盖和下盖之间成型有与所述球头相适配的球形容纳腔，所述球头转动设置在所述球形容纳腔中，另外，所述上盖的顶部与所述力传感器的底部固定连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述上盖和下盖呈圆盘状，其中

在所述上盖的面向所述下盖的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第一凹槽；

在所述下盖的面向所述上盖的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第二凹槽，且所述连杆通孔与所述第二凹槽连通；

所述第一凹槽与所述第二凹槽构成所述球形容纳腔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述球头铰装置还包括螺栓孔和相适配的螺栓，所述螺栓孔沿轴线方向开设在相扣合的所述上盖和下盖上，并通过螺栓将所述上盖和下盖进行固定，其中，所述螺栓孔和螺栓的数量为多个，沿着周向均匀分布在所述连杆通孔周围。

根据本申请的至少一个实施方式，所述上盖的顶部中心位置设置有固定柱，所述固定柱开设有外螺纹，用于与所述力传感器螺纹连接。

根据本申请的至少一个实施方式，所述激振器通过固定架固定设置在试验区域内的水平地面上。

第二方面，本申请还公开了一种用于柔性结构的模态测试方法，采用如上述第一方面中任一项所述的用于柔性结构的模态测试装置，包括如下步骤：

步骤一、通过激振器施加激励力；

步骤二、通过力传感器对施加到试验件上实际的激励力进行测量；

步骤三、通过加速度传感器测试所述试验件的响应信号；

步骤四、根据步骤二得到的激励力和步骤三得到的响应信号，获取所述试验件的频响函数；

步骤五、通过频响函数对试验件的结构模态参数进行辨识，获得结构模态参数。

根据本申请的至少一个实施方式，所述结构模态参数包括频率、阻尼以及振型。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法，通过结合球头铰装置和力传感器，以消除连杆轴向刚度和弯曲刚度对结构测试结果的影响，并且由于垂直轴向力对结构的影响较小，因此本申请可以基本消除激振器连杆以及激振器的影响，提高测试结果尤其是对柔性结构的测试结果的精度。

附图说明

图1是本申请用于柔性结构的模态测试装置的结构示意图；

图2是本申请用于柔性结构的模态测试装置中球头铰装置的结构示意图；

图3是激振器附加刚度和附加质量对轴向力影响等效模型。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。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。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

需要理解的是，在本申请的描述中可能涉及到的技术术语例如 “中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图3对本申请的用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法做进一步详细说明。

第一方面，本申请公开了一种用于柔性结构的模态测试装置，可以包括激振器1、连杆2、球头铰装置3、力传感器4以及试验件5。

具体的，激振器1用于为模态测试提供轴向的激励力，且具有输出轴；需要说明的是，激振器1可以根据需要采用目前已知的多种激振器中的一种。另外，激振器1是固定设置在试验区域内的水平地面上，其输出轴沿竖直方向设置；同样的，激振器1是可以采用多种适合固定方式进行固定，本实施例中，优选激振器1通过固定架（可以是原激振器1自带的固定架，也可以是单独设置的固定架）固定设置在试验区域内的水平地面上。

连杆2可以采用常用的刚性连杆，且连杆2是沿竖直方向设置，其底端通过螺栓或焊接等方式固定连接至激振器1输出轴的顶端，从而使得激振器1输出轴能够通过连杆2传递激励力。

同样，力传感器4可以根据需要采用目前已知的多种力传感器中的一种；力传感器4的底部通过球头铰装置3连接至连杆2的顶端。

其中，球头铰装置3的具体结构可以根据需要进行适合的设置；本实施例中，如图2所示，有球头铰装置3包括球头31、下盖33以及上盖32等部件。

具体的，球头31通过螺纹或焊接等方式固定连接至连杆2的顶端，且优选球头31直径大于连杆2直径。

上盖32和下盖33相适配，可以采用多种适合的结构；本实施例中，优选上盖32和下盖33呈圆盘状。

另外，在下盖33中心处设置有连杆通孔，连杆2的顶端由下至上穿过连杆通孔后与球头31固定连接，其中，优选连杆通孔的直径大于连杆2的直径，且小于球头31的直径。并且，进一步优选在下盖33的面向上盖32的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第二凹槽，且连杆通孔与第二凹槽连通。

进一步，上盖32适配扣合在下盖33顶部上，且优选在上盖32的面向下盖33的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第一凹槽，从而当上盖32和下盖33相扣合时，可以由第一凹槽和第二凹槽构成（即成型）能够与球头31相适配的球形容纳腔；其中，球头31转动设置在球形容纳腔中。并且，强球头铰装置3是通过上盖32的顶部与力传感器4的底部固定连接；进一步地，优选在上盖32的顶部中心位置设置有固定柱，固定柱开设有外螺纹，用于与力传感器4螺纹连接。

另外，为加强球头铰装置3中上下盖连接的稳定性，球头铰装置3还包括螺栓孔和相适配的螺栓34；螺栓孔沿轴线方向开设在相扣合的上盖32和下盖33上，并通过穿入螺栓34将上盖32和下盖33进行固定，其中，螺栓孔和螺栓34的数量为多个，多个螺栓孔沿着周向均匀分布在连杆通孔周围。

进一步，试验件5呈柔性板状，其一端端部（参见图3中试验件的左端）与试验区域内一固定点进行固定，此时试验件5的上下表面与水平地面平行；试验件5的远离固定点的一端（参见图3中试验件的右端）的底面抵靠至力传感器4的顶部；其中，力传感器4用于对试验件5上实际的激励力进行测量。

同样的，加速度传感器可以根据需要采用目前已知的多种加速度传感器中的一种；该加速度传感器设置在试验件5上，用于测试试验件5的响应信号。

最后需要说明的是，在模态测试试验中，可以将顶杆对试验件的作用分为三个类：沿轴向的力、垂直轴向的力以及弯矩，以下对三个力的影响进行分析：

1）垂直轴向力：垂直于轴向的力并不是试验所需的，实际使用过程中，由于激振器对结构激励过程中，结构弯曲变形，从而使得激励点的位置发生横向移动，实际试验中，由于横向位移较小、同时激振器连杆结构的横向刚度与试验件的横向刚度相比较小，因此可以忽略该方向的附加力的影响；

2）轴向力：由于激振器动圈及其安装结构的存在，并且激振器动圈与测试结构通过连杆连接，因此激振器的刚度和质量特性会对结构的振动特性产生明显影响；为了消除激振器的附加质量和附加刚度的影响，本申请将力传感器布置在结构与连杆界面处（即上述力传感器4的安装结构），并利用力传感器测试作用在结构上的激励力大小，实际测试获得的激励力会受到激振器的附加特性影响而与实际的输入电压信号不同，但是由于采用力传感器测试了界面力，可以将激振器的附加特性作为外力叠加至激励力上，因此实现了结构与激振器的界面的分离。

为了进一步获得结构的模态信息，可以结合力传感器记录的力信号与加速度传感器测量的结构响应信号，计算结构的传递特性，估计获得频响函数，并进行模态参数的识别，获得模态信息（后续方法将进一步介绍）。由于频响函数计算过程中，将界面力作为外力，因此激振器的影响已经排除在外。因此，经过上述操作，可以消除激振器附加质量和附加刚度引起的轴向力变化的影响。

3）弯矩影响：由于激振器的长度有限并且需要具有较大的轴向刚度，因此不能做到很细以便消除附加弯矩的影响，同时考虑到柔性结构测试方向上结构的弯曲刚度不大，与顶杆的弯曲刚度往往处在同一量级，因此该因素对结构的测试结果影响最大。

而本申请为了降低连杆的附加特性，引入内置上述球头铰装置（3）的连杆结构，由于球头铰不会传递弯矩，因此可以有效消除附加弯矩的影响。

综上所述，本申请的用于柔性结构的模态测试装置及模态测试方法，通过结合球头铰装置和力传感器，以消除连杆轴向刚度和弯曲刚度对结构测试结果的影响，并且由于垂直轴向力对结构的影响较小，因此本申请可以基本消除激振器连杆以及激振器的影响，提高测试结果尤其是对柔性结构的测试结果的精度。

第一方面，本申请还公开了一种用于柔性结构的模态测试方法，采用上述第一方面中任一项所述的用于柔性结构的模态测试装置，包括如下步骤：

步骤一、通过激振器1施加激励力。

当然，在步骤一之前，还可以包括试验装置准备步骤，具体可以按照图1所示结构进行试验连接，其中带有球头铰装置3的连杆2与力传感器4通过螺接的方式相连接。

步骤二、通过力传感器4对施加到试验件5上实际的激励力进行测量。

步骤三、通过加速度传感器测试试验件5的响应信号。

步骤四、根据步骤二得到的激励力和步骤三得到的响应信号，获取（估计、估算）试验件5的频响函数；

步骤五、通过频响函数对试验件5的结构模态参数进行辨识，获得结构模态参数；其中，结构模态参数包括频率、阻尼以及振型。

本申请的上述模态测试方法中，由于实际作用在试验件上的轴向力已经被传感器测试并用于频响函数估计，因此消除了轴向的附加刚度和质量影响；而球头铰不传递弯矩，因此连杆对结构没有弯矩作用。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，包括：

激振器（1），所述激振器（1）具有输出轴，用于提供轴向的激励力，其中，所述激振器（1）固定设置在试验区域内的水平地面上，其输出轴沿竖直方向设置；

连杆（2），所述连杆（2）沿竖直方向设置，其底端固定连接至所述激振器（1）输出轴的顶端；

力传感器（4），所述力传感器（4）的底部通过球头铰装置（3）连接至所述连杆（2）的顶端；

呈柔性板状的试验件（5），所述试验件（5）的上下表面与所述水平地面平行，其一端端部与试验区域内一固定点进行固定，其远离所述固定点的一端的底面抵靠至所述力传感器（4）的顶部，其中，所述力传感器（4）用于对所述试验件（5）上实际的激励力进行测量；

加速度传感器，所述加速度传感器设置在所述试验件（5）上，用于测试所述试验件（5）的响应信号。

2.根据权利要求1所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，所述球头铰装置（3）包括：

球头（31），所述球头（31）固定连接至所述连杆（2）的顶端，所述球头（31）直径大于所述连杆（2）直径；

下盖（33），所述下盖（33）中心处设置有连杆通孔，所述连杆（2）的顶端由下至上穿过所述连杆通孔后与所述球头（31）固定连接，其中，所述连杆通孔的直径大于所述连杆（2）的直径，小于所述球头（31）的直径；

上盖（32），所述上盖（32）适配扣合在所述下盖（33）顶部上，且相扣合的所述上盖（32）和下盖（33）之间成型有与所述球头（31）相适配的球形容纳腔，所述球头（31）转动设置在所述球形容纳腔中，另外，所述上盖（32）的顶部与所述力传感器（4）的底部固定连接。

3.根据权利要求2所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，所述上盖（32）和下盖（33）呈圆盘状，其中

在所述上盖（32）的面向所述下盖（33）的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第一凹槽；

在所述下盖（33）的面向所述上盖（32）的一侧，凹陷设置有截面呈弧形的第二凹槽，且所述连杆通孔与所述第二凹槽连通；

所述第一凹槽与所述第二凹槽构成所述球形容纳腔。

4.根据权利要求3所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，所述球头铰装置（3）还包括螺栓孔和相适配的螺栓（34），所述螺栓孔沿轴线方向开设在相扣合的所述上盖（32）和下盖（33）上，并通过螺栓（34）将所述上盖（32）和下盖（33）进行固定，其中，所述螺栓孔和螺栓（34）的数量为多个，沿着周向均匀分布在所述连杆通孔周围。

5.根据权利要求2所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，所述上盖（32）的顶部中心位置设置有固定柱，所述固定柱开设有外螺纹，用于与所述力传感器（4）螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，所述激振器（1）通过固定架固定设置在试验区域内的水平地面上。

7.一种用于柔性结构的模态测试方法，采用如权利要求1-6任一项所述的用于柔性结构的模态测试装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过激振器（1）施加激励力；

步骤二、通过力传感器（4）对施加到试验件（5）上实际的激励力进行测量；

步骤三、通过加速度传感器测试所述试验件（5）的响应信号；

步骤四、根据步骤二得到的激励力和步骤三得到的响应信号，获取所述试验件（5）的频响函数；

步骤五、通过频响函数对试验件（5）的结构模态参数进行辨识，获得结构模态参数。

8.根据权利要求7所述的用于柔性结构的模态测试方法，其特征在于，所述结构模态参数包括频率、阻尼以及振型。

Images