CN113697127B - 一种模态试验支撑装置及使用方法 - Google Patents

一种模态试验支撑装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模态试验支撑装置及使用方法，该装置包括：用于悬吊被试件的悬吊结构；设于悬吊结构下方的支撑结构，用于支撑被试件；悬吊结构和支撑结构相匹配，使模态试验支撑装置的刚度为零；支撑结构包括反刚度菱框、可伸缩套筒、水平弹性部件和底座，可伸缩套筒分别与反刚度菱框和底座连接，水平弹性部件连接反刚度菱框的对角线；其中，悬吊结构包括悬吊横梁、第一弹性部件和第二弹性部件，第一弹性部件和第二弹性部件平行连接于悬吊横梁，用于悬吊被试件，且第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数均为水平弹性部件的弹性刚度系数的一半。本发明的模态试验支撑装置刚度低，满足低频结构的模态试验要求，进而提高了试验可信度性。

Description

一种模态试验支撑装置及使用方法
技术领域
本发明属于机械领域，更具体地，涉及一种模态试验支撑装置及使用方法。
背景技术
实验模态分析又称模态分析的实验过程，简称为模态实验，是理论模态分析的逆过程，是验证有限元分析可靠性的方法之一，也是进行结构动态设计必要和有效的手段之一。在模态实验中，被试结构件的支撑方式是否恰当非常重要，因为结构在不同的边界条件下将有不同的模态参数。模态实验是大型大柔度的太阳能无人机、飞机或结构件必须要完成的试验，但是由于被试件尺寸大、柔度大，其固有频率一般都很低，常规支撑工装难以满足试验要求，试验可信度大大降低。因此，特别需要一种试验可信度高的模态试验支撑装置。
发明内容
本发明的目的是提出一种试验可信度高的模态试验支撑装置及使用方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种模态试验支撑装置，包括：悬吊结构，所述悬吊结构用于悬吊被试件；支撑结构，所述支撑结构设于所述悬吊结构下方，用于支撑所述被试件，所述悬吊结构和所述支撑结构相匹配，使所述模态试验支撑装置的刚度为零；所述支撑结构包括反刚度菱框、可伸缩套筒、水平弹性部件和底座，所述底座设于所述反刚度菱框下方，所述可伸缩套筒分别与所述反刚度菱框和底座连接，所述水平弹性部件连接所述反刚度菱框的对角线；其中，所述悬吊结构包括悬吊横梁、第一弹性部件和第二弹性部件，所述第一弹性部件和第二弹性部件平行连接于所述悬吊横梁，用于悬吊所述被试件，且所述第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数相同，所述第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数为所述水平弹性部件的弹性刚度系数的一半。
优选的，所述反刚度菱框包括依次连接的第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆，以及第一铰、第二铰、第三铰和第四铰，所述第一菱框支杆和所述第二菱框支杆、所述第二菱框支杆和第三菱框支杆，所述第三菱框支杆和第四菱框支杆、所述第四菱框支杆和所述第一菱框支杆依次通过所述第一铰、第二铰、第三铰和第四铰铰接。
优选的，所述第二铰位于所述反刚度菱框的底部，所述第四铰位于所述反刚度菱框的顶部。
优选的，所述第一铰和第三铰之间设有所述水平弹性部件。
优选的，所述可伸缩套筒包括筒体和设于所述筒体内的滑杆，所述滑杆的一端与所述第四铰的底部连接，所述滑杆的另一端设于所述筒体内，所述筒体下部的侧壁上固定连接所述第二铰，所述滑杆在所述筒体内滑动，使得所述反刚度菱框发生形变。
优选的，所述滑杆的所述另一端通过线性轴承连接于所述筒体内。
优选的，所述第四铰的顶部设有橡胶头，所述橡胶头与所述被试件连接。
优选的，所述底座包括支撑柱和水平支撑板，所述支撑柱设置在所述水平支撑板的下方，所述水平支撑板分别与所述支撑柱和所述筒体连接，且所述筒体穿过所述水平支撑板。
优选的，所述第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆和滑杆均采用合金材料制作。
本发明还提供一种根据上述模态试验支撑装置的使用方法，包括：将被试件放置在支撑结构上，并通过悬吊结构进行悬吊；待悬吊后的被试件平衡且静止后，调整第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆和第四菱框支杆，使得第一菱框支杆与第二菱框支杆重合，第三菱框支杆和第四菱框支杆重合，且第一菱框支杆与第三菱框支杆位于同一水平线。
本发明的有益效果在于：本发明的模态试验支撑装置刚度低，满足低频结构的模态试验要求，进而提高了试验可信度性，且组成简单、可靠，鲁棒性好，操作容易。
本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。其中，在本发明示例性实施方式中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的一个实施例的模态试验支撑装置的结构框图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的模态试验支撑装置的反刚度菱框的结构示意图。
附图标记说明：
1、悬吊结构；2、被试件；3、悬吊横梁；4、反刚度菱框；5、筒体；6、底座；41、第一菱框支杆；42、第二菱框支杆；43、第三菱框支杆；44、第四菱框支杆；45、第一铰；46、第二铰；47、第三铰；48、第四铰；49、水平弹性部件；50、橡胶头；51、滑杆；52、线性轴承；61、水平支撑板；62、支撑柱。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施例。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
根据本发明的一种模态试验支撑装置，包括：悬吊结构，悬吊结构用于悬吊被试件；支撑结构，支撑结构设于悬吊结构下方，用于支撑被试件，悬吊结构和支撑结构相匹配，使模态试验支撑装置的刚度为零；支撑结构包括反刚度菱框、可伸缩套筒、水平弹性部件和底座，底座设于反刚度菱框下方，可伸缩套筒分别与反刚度菱框和底座连接，水平弹性部件连接反刚度菱框的对角线；其中，悬吊结构包括悬吊横梁、第一弹性部件和第二弹性部件，第一弹性部件和第二弹性部件平行连接于悬吊横梁，用于悬吊被试件，且第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数相同，第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数为水平弹性部件的弹性刚度系数的一半。
具体的，太阳能无人机由悬吊结构悬挂在悬吊横梁上，悬吊结构可以选用橡皮绳、弹簧等弹性元件，太阳能无人机下方由支撑结构支撑，支撑结构包括反刚度菱框、可伸缩套筒、底座和水平弹性部件，反刚度菱框设置在可伸缩套筒上，可伸缩套筒固定连接在底座上，底座设置在反刚度菱框的下方，底座放置在水平地面上，水平弹性部件设置在反刚度菱框的对角线上。
悬吊结构包括弹性刚度系数相同的第一弹性部件和第二弹性部件，为了使模态试验支撑装置的刚度为零，选用弹性刚度系数为水平弹性部件的弹性刚度系数一半的第一弹性部件和第二弹性部件。
模态试验支撑装置的刚度是采用模态试验支撑装置进行模态试验时，模态试验支撑装置的受力与形变的比值，模态试验支撑装置的刚度越小，模态试验的结果越精准。
设定第一弹性部件弹性刚度系数K v 为水平弹性部件弹性刚度系数K h 的一半。支撑系统的力学关系为：
假设水平弹性部件的弹性刚度系数为K h ，竖直的第一弹性部件的弹性刚度系数为K v ，需隔振质量为m，其余质量暂不计。x轴正向向上，4个菱框支杆水平重叠的点为x零点。
在质量块重力作用下，竖向的第一弹性部件变形：△x=mg/K v
在外力作用下，整个剪角机构的受力表示为：
Figure 203789DEST_PATH_IMAGE001
，
其中：x表示质量块向上运动位置，
其中：
Figure 426960DEST_PATH_IMAGE002
综合上式，可表示为：
Figure 898392DEST_PATH_IMAGE003
(1)
令：
Figure 890619DEST_PATH_IMAGE004
表达式（1）转化为：
Figure 225523DEST_PATH_IMAGE005
零刚度条件为：
Figure 935990DEST_PATH_IMAGE006
其中，x为第一弹性部件的原始长度，L为菱框支杆的长度。
由上述分析可知，水平弹性部件的弹性刚度系数为竖直方向的第一弹性部件弹性刚度系数的2倍时，整个支撑装置有近似零刚度特性。因此，第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数为水平弹性部件的弹性刚度系数的一半时，整个支撑装置的刚度为零或近似为零。
根据示例性的实施方式，模态试验支撑装置刚度低，满足低频结构的模态试验要求，进而提高了试验可信度性，且组成简单、可靠，鲁棒性好，操作容易。
作为优选方案，反刚度菱框包括依次连接的第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆，以及第一铰、第二铰、第三铰和第四铰，第一菱框支杆和第二菱框支杆、第二菱框支杆和第三菱框支杆，第三菱框支杆和第四菱框支杆、第四菱框支杆和第一菱框支杆依次通过第一铰、第二铰、第三铰和第四铰铰接。
具体的，反刚度菱框由4根菱框支杆通过4个铰依次铰接在一起。
作为优选方案，第二铰位于反刚度菱框的底部，第四铰位于反刚度菱框的顶部。
具体的，位于反刚度菱框底部的铰为第二铰，位于反刚度菱框顶部的铰为第四铰，位于反刚度菱框右部的铰为第一铰，位于反刚度菱框左部的铰为第三铰。
作为优选方案，第一铰和第三铰之间设有水平弹性部件。
具体的，左右的第一铰和第三铰由水平弹性部件连接，上面的第四铰上面安装橡胶头，第四铰的下面与滑杆固接在一起。
作为优选方案，可伸缩套筒包括筒体和设于筒体内的滑杆，滑杆的一端与第四铰的底部连接，滑杆的另一端设于筒体内，筒体下部的侧壁上固定连接第二铰，滑杆在筒体内滑动，使得反刚度菱框发生形变。
具体的，第二铰固定在筒体的侧壁上，滑杆通过线性轴承连接于筒体内，筒体垂直安装在水平支撑板上，调整反刚度菱框的菱框支杆时，滑杆在筒体内滑动，使得反刚度菱框发生变形。
作为优选方案，滑杆的另一端通过线性轴承连接于筒体内。
作为优选方案，第四铰的顶部设有橡胶头，橡胶头与被试件连接。
具体的，被试件放置在第四铰的顶部的橡胶头上。
作为优选方案，底座包括支撑柱和水平支撑板，支撑柱设置在水平支撑板的下方，水平支撑板分别与支撑柱和筒体连接，且筒体穿过水平支撑板。
具体的，支撑柱设置在水平支撑板的下方，水平支撑板上设置有筒体，筒体与反刚度菱框连接，滑杆在筒体内滑动，带动反刚度菱框发生形变。
作为优选方案，第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆和滑杆均采用合金材料制作。
具体的，4个框菱支杆和滑杆均采用铝合金材料制作的，橡胶头采用弹性较大的橡胶材料。
本发明还提供一种根据上述模态试验支撑装置的使用方法，包括：将被试件放置在支撑结构上，并通过悬吊结构进行悬吊；待悬吊后的被试件平衡且静止后，调整第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆和第四菱框支杆，使得第一菱框支杆与第二菱框支杆重合，第三菱框支杆和第四菱框支杆重合，且第一菱框支杆与第三菱框支杆位于同一水平线。
具体的，使用前使太阳能无人机在悬吊结构的两根弹性部件的悬吊作用下平衡且静止，调整4个菱框支杆，使4个菱框支杆都水平，且处于同一水平线上，水平弹性结构处于最大拉伸状态，橡胶头顶在太阳能无人机重心位置的结构上；在这种形态下，模态试验装置的刚度为零或近似为零，开始进行模态试验。
实施例
图1示出了根据本发明的一个实施例的模态试验支撑装置的结构框图。图2示出了根据本发明的一个实施例的模态试验支撑装置的反刚度菱框的结构示意图。
结合图1和图2所示，该模态试验支撑装置，包括：悬吊结构1，悬吊结构1用于悬吊被试件2；支撑结构，支撑结构设于悬吊结构1下方，用于支撑被试件2，悬吊结构1和支撑结构相匹配，使模态试验支撑装置的刚度为零；支撑结构包括反刚度菱框4、可伸缩套筒、水平弹性部件49和底座6，底座6设于反刚度菱框4下方，可伸缩套筒分别与反刚度菱框4和底座6连接，水平弹性部件49连接反刚度菱框4的对角线；其中，悬吊结构1包括悬吊横梁3、第一弹性部件和第二弹性部件，第一弹性部件和第二弹性部件平行连接于悬吊横梁3，用于悬吊被试件2，且第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数相同，第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数为水平弹性部件49的弹性刚度系数的一半。
其中，反刚度菱框4包括依次连接的第一菱框支杆41、第二菱框支杆42、第三菱框支杆43、第四菱框支杆44，以及第一铰45、第二铰46、第三铰47和第四铰48，第一菱框支杆41和第二菱框支杆42、第二菱框支杆42和第三菱框支杆43，第三菱框支杆43和第四菱框支杆44、第四菱框支杆44和第一菱框支杆41依次通过第一铰45、第二铰46、第三铰47和第四铰48铰接。
其中，第二铰46位于反刚度菱框4的底部，第四铰48位于反刚度菱框4的顶部。
其中，第一铰45和第三铰47之间设有水平弹性部件49。
其中，可伸缩套筒包括筒体5和设于筒体内的滑杆51，滑杆51的一端与第四铰48的底部连接，滑杆51的另一端设于筒体5内，筒体5下部的侧壁上固定连接第二铰46，滑杆51在筒体5内滑动，使得反刚度菱框4发生形变。
其中，滑杆51的另一端通过线性轴承52连接于筒体5内。
其中，第四铰48的顶部设有橡胶头50，橡胶头50与被试件2连接。
其中，底座6包括支撑柱62和水平支撑板61，支撑柱62设置在水平支撑板61的下方，水平支撑板61分别与支撑柱62和筒体5连接，且筒体5穿过水平支撑板61。
其中，第一菱框支杆41、第二菱框支杆42、第三菱框支杆43、第四菱框支杆44和滑杆51均采用合金材料制作。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种模态试验支撑装置，其特征在于，包括：
悬吊结构，所述悬吊结构用于悬吊被试件；
支撑结构，所述支撑结构设于所述悬吊结构下方，用于支撑所述被试件，所述悬吊结构和所述支撑结构相匹配，使所述模态试验支撑装置的刚度为零；
所述支撑结构包括反刚度菱框、可伸缩套筒、水平弹性部件和底座，所述底座设于所述反刚度菱框下方，所述可伸缩套筒分别与所述反刚度菱框和底座连接，所述水平弹性部件连接所述反刚度菱框的对角线；
其中，所述悬吊结构包括悬吊横梁、第一弹性部件和第二弹性部件，所述第一弹性部件和第二弹性部件平行连接于所述悬吊横梁，用于悬吊所述被试件，且所述第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数相同，所述第一弹性部件和第二弹性部件的弹性刚度系数为所述水平弹性部件的弹性刚度系数的一半；所述反刚度菱框包括依次连接的第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆，以及第一铰、第二铰、第三铰和第四铰，所述第一菱框支杆和所述第二菱框支杆、所述第二菱框支杆和第三菱框支杆，所述第三菱框支杆和第四菱框支杆、所述第四菱框支杆和所述第一菱框支杆依次通过所述第一铰、第二铰、第三铰和第四铰铰接；所述第二铰位于所述反刚度菱框的底部，所述第四铰位于所述反刚度菱框的顶部；
所述第一铰和第三铰之间设有所述水平弹性部件。
2.根据权利要求1所述的模态试验支撑装置，其特征在于，所述可伸缩套筒包括筒体和设于所述筒体内的滑杆，所述滑杆的一端与所述第四铰的底部连接，所说滑杆的另一端设于所述筒体内，所述筒体下部的侧壁上固定连接所述第二铰，所述滑杆在所述筒体内滑动，使得所述反刚度菱框发生形变。
3.根据权利要求2所述的模态试验支撑装置，其特征在于，所述滑杆的所述另一端通过线性轴承连接于所述筒体内。
4.根据权利要求1所述的模态试验支撑装置，其特征在于，所述第四铰的顶部设有橡胶头，所述橡胶头与所述被试件连接。
5.根据权利要求2所述的模态试验支撑装置，其特征在于，所述底座包括支撑柱和水平支撑板，所述支撑柱设置在所述水平支撑板的下方，所述水平支撑板分别与所述支撑柱和所述筒体连接，且所述筒体穿过所述水平支撑板。
6.根据权利要求2所述的模态试验支撑装置，其特征在于，所述第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆、第四菱框支杆和滑杆均采用合金材料制作。
7.一种根据权利要求1至6中任一项所述的模态试验支撑装置的使用方法，其特征在于，包括：
将被试件放置在支撑结构上，并通过悬吊结构进行悬吊；
待悬吊后的被试件平衡且静止后，调整第一菱框支杆、第二菱框支杆、第三菱框支杆和第四菱框支杆，使得第一菱框支杆与第二菱框支杆重合，第三菱框支杆和第四菱框支杆重合，且第一菱框支杆与第三菱框支杆位于同一水平线。
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