CN114002507B - 一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，通过使用加速度响应控制的步进正弦激励，保持驱动点的加速度幅值恒定，在不同加速度响应幅值下，提取试验谐波力谱和谐波加速度谱，利用步骤七所述线性插值绘制谐波力面，再如步骤八所述由恒定力幅值平面截取谐波力面，提取恒定力幅值平面和谐波力面的交线，精确得到非线性结构的恒定力幅值频响曲线。本发明使用加速度响应控制，将恒定力频响曲线的各频率点测量，分散到不同加速度响应幅值工况下来测量，最后通过绘制谐波力面来提取，解决了直接力控制在共振峰附近控制效果差的缺陷，得到的非线性结构的恒定力幅值频响曲线连续性更好，对共振频率，共振峰幅值测量更准确。

Description

一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法
技术领域
本发明属于结构动力学领域，特别涉及一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法。
背景技术
非线性结构广泛存在于各类工程结构中，如螺栓连接结构、含间隙和摩擦接触的结构(如舵机系统)、几何非线性结构(如细长悬臂结构)等。非线性结构的动力学特性一般是关于外激励幅值的函数，因此不同激励幅值的频响曲线不能简单通过线性叠加原理得到。为获取准确的非线性结构的实验频响曲线，需要对结构施加恒定幅值激励。
传统的非线性结构的频响测试方法，一是恒定激励电压的正弦扫频，在整个扫频范围内保持激励电压恒定，但是由于结构和激振器的耦合作用，在整个扫频范围内激励力幅值和加速度响应幅值都是随频率变化的，无法测试得到非线性结构动力学特性与激励幅值的定量关系；二是通过控制驱动点的力信号幅值保持恒定来测量结构的频响曲线，但是由于在共振峰附近的力降现象，为保持力幅值恒定，需要急剧升高激励电压，导致共振峰附近控制效果不稳定，采用经典的力幅值控制试验采集的频响曲线，在共振峰会存在跳跃现象。此外在共振峰附近控制偏差大，以至于在共振峰附近共振频率和幅值等测量不准确。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有技术对非线性结构恒定力幅值频响曲线在共振峰附近测试精度不高的缺陷，实现对非线性结构的恒定力幅值频响曲线的精确测量，本发明涉及一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法。
本发明的技术方案是：一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，包括以下子步骤：
步骤一：在非线性结构上粘贴若干加速度传感器，通过预实验确定共振峰的范围；
步骤二：根据预实验结果确定步进正弦扫频激励的频率范围和频率间隔步长；
步骤三：根据测试工况，控制激励点的加速度幅值恒定，对结构施加加速度响应控制的步进正弦扫频实验，提取步进正弦扫频实验的谐波力谱；
步骤四：给定目标的恒定力幅值，连续改变激励点加速度幅值，直到测量的谐波力谱上的最小力幅值大于最大的目标恒定力幅值，此时加速度幅值工况即为最大的激励点加速度幅值工况；
步骤五：将初始工况下的加速度幅值0g与步骤四得到的最大的激励点加速度幅值工况之间的数值进行等分，得到加速度幅值工况表；
步骤六：根据步骤五得到的加速度幅值工况表，利用LMS SCADAS数据采集系统和LMS Test.Lab软件自带的控制器控制驱动点的加速度幅值保持恒定，对非线性结构施加步进正弦激励，利用LMS Test.Lab软件提取各恒定加速度幅值正弦扫频实验工况下的谐波力谱和谐波加速度谱；
步骤七：根据步骤六得到的谐波力谱和谐波加速度谱，使用线性插值绘制谐波力面，其中，X轴是频率；Y轴是加速度幅值；Z轴是力幅值。
步骤八：采用恒定力幅值平面(即，Z为常数的平面)来截取谐波力面，提取恒定力幅值平面与谐波力面之间的交线，最终获得恒定力幅值频响曲线。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤一中的实验为低能量幅值随机扫频实验。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤三中，通过LMS SCADAS数据采集系统和LMSTest.Lab软件的控制器来控制驱动点的加速度幅值恒定。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤七中的绘制谐波力面参见文献Experimental modal analysis of nonlinear systems by using response-controlledstepped-sine testing的绘制方法。
本发明进一步的技术方案是：所述每一个测试工况下的恒定力频响曲线需要由至少五个等间隔的加速度幅值工况线性插值得到。
发明效果
本发明的技术效果在于：本发明提出的一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，通过使用步骤六所述的加速度响应控制的步进正弦激励，保持驱动点的加速度幅值恒定，在不同加速度响应幅值下，提取试验谐波力谱和谐波加速度谱，利用步骤七所述线性插值绘制谐波力面，再如步骤八所述由恒定力幅值平面截取谐波力面，提取恒定力幅值平面和谐波力面的交线，精确得到非线性结构的恒定力幅值频响曲线。本发明的主要创新点如步骤七所述，使用加速度响应控制，相比直接力控制的控制效果更好，将恒定力频响曲线的各频率点测量，分散到不同加速度响应幅值工况下来测量，最后通过绘制谐波力面来提取，解决了直接力控制在共振峰附近控制效果差的缺陷，得到的非线性结构的恒定力幅值频响曲线连续性更好，对共振频率，共振峰幅值测量更准确。
附图说明
图1试验测试对象，包含局部摩擦非线性的单螺栓振子的测试原理图。
图2单螺栓振子在不同加速度幅值响应控制步进正弦扫频得到的谐波力谱。
图3单螺栓振子在不同加速度幅值响应控制步进正弦扫频得到的加速度谱。
图4由单螺栓振子的谐波力谱和加速度谱线性插值得到谐波力面。
图5用1N恒定力平面截取谐波力面。
图6单螺栓振子响应控制步进正弦扫频实验得到的恒定力频响曲线与直接恒定力测试得到的频响曲线对比。
1-激振器；2-力传感器；3-第一加速度传感器；4-第二加速度传感器；5-吊绳；6-第三加速度传感器；7-第一试验件；8-柔性梁；9-M6螺栓；10-第二试验件；
具体实施方式
参见图1-图6，一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频响测试方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：对结构进行预实验(即低能量幅值随机扫频实验)，确定共振峰的范围；
步骤二：根据预实验结果确定步进正弦扫频激励的频率范围和频率间隔步长；
步骤三：根据测试工况，控制驱动点的加速度幅值恒定，对结构施加加速度响应控制的步进正弦扫频实验，提取结构扫频实验的谐波力谱；
步骤四：改变激励点加速度幅值，使得谐波力谱最小力幅值大于最大的目标恒定力幅值，此加速度幅值工况即为最大的驱动点加速度幅值工况；
步骤五：将0g(初始工况)～最大的驱动点加速度幅值工况之间的加速度做5～10等分，给定加速度幅值工况表；
步骤六：按照加速度幅值工况，利用LMS SCADAS高精度数据采集系统和LMSTest.Lab软件控制驱动点的加速度幅值保持恒定，对结构施加步进正弦激励，提取各加速度幅值下的谐波力谱和谐波加速度谱，要求谐波力谱上力幅值的最小值随着加速度响应幅值工况增大而增大，谐波加速度谱上相同频率下的加速度幅值随着加速度响应幅值工况增大而增大；
步骤七：根据谐波力谱和谐波加速度谱，通过线性插值绘制谐波力面(HarmonicForce Surface，HFS。见文献T,/>H N.Experimental modal analysisof nonlinear systems by using response-controlled stepped-sine testing[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2021,146:107023.)。其中，X轴是频率；Y轴是加速度幅值；Z轴是力幅值；
步骤八：采用恒定力幅值平面(即，Z为常数的平面)来截取谐波力面，提取恒定力幅值平面与谐波力面之间的交线，即为恒定力幅值频响曲线。
每一个测试工况下的恒定力频响曲线需要由至少五个等间隔的加速度幅值工况线性插值得到。
绘制的谐波力面Y轴是试验得到的加速度谱，Z轴是试验得到的谐波力谱，通过谐波力面得到的频响曲线是完全基于试验数据的。
下面结合附图以包含局部摩擦非线性的单螺栓振子为例，测试5N工况下恒定力的频响曲线，对本发明的频响测试方法作进一步详细说明。
步骤一：如图1，试验部件Ⅰ和试验部件Ⅱ之间通过M6螺栓连接。在激励点(实际激励点是点2，但是不考虑试验件的弹性变形时，为实验测量方便，可假定点2和点3处的加速度相同；也可直接采用阻抗传感器测量激励点(点2)的加速度响应)粘贴加速度传感器(即图1中所示加速度传感器I)作为控制传感器，通过预实验得到结构的共振频率约246Hz；
步骤二：根据共振频率设置共振峰附近的关心频率范围为241Hz～255Hz，频率间隔步长为0.1Hz。
步骤三：通过LMS SCADAS高精度数据采集系统和LMS Test.Lab软件的控制器来控制驱动点的加速度幅值恒定，对结构施加响应控制的步进正弦扫频激励。以1g作为初始加速度，通过LMS Test.Lab软件提取扫频实验的谐波力谱，如图2所示，横轴为频率，纵轴为力幅值，不同颜色的线表示不同的加速度响应幅值工况，根据谐波力谱力幅值最小值，连续改变激励加速度幅值工况，直到谐波力谱力幅值最小值大于5N(目标值)。
步骤四：根据步骤三的测试结果，在激励点加速度幅值为9g时，谐波力谱上力幅值最小值约6.23N，大于目标值5N，以9g加速度幅值作为最大加速度幅值工况。在1g～9g工况之间，取八等份。设定测试加速度幅值工况分别为：1g、2g、3g、4g、5g、6g、7g、8g、9g。
步骤五：按照试验工况，对结构施加恒定加速度幅值响应控制的步进正弦扫频激励，在不同加速度响应幅值工况下，提取谐波力谱和谐波加速度谱，如图2和图3所示，其中横轴为频率，纵轴为力幅值加速度幅值，不同颜色的线表示不同的加速度响应幅值工况。从图3可以看出，不同加速度响应幅值工况下的谐波力谱上力幅值最小值，随着加速度响应幅值增大而增大，满足测试要求。从图4可以看出，不同加速度响应幅值工况下的加速度谱，在相同频率下的加速度幅值随着加速度响应幅值增大而增大，满足测试要求。
步骤六：由谐波力谱和谐波加速度谱，通过线性插值绘制谐波力面，如图4所示。其中，X轴为频率；Y轴为加速度幅值；Z轴为力幅值。
步骤七：用Z＝5N的恒定力平面截取谐波力面，提取交线即为恒定力频响曲线，如图5所示，其中红色曲线为5N恒定力平面与谐波力面的交线。将通过加速度响应控制步进正弦扫频提取的恒定力频响曲线与直接力控制的步进正弦测量得到的频响曲线比较，如图6所示。在远离共振峰的区域，通过HFS得到的恒定力频响曲线与直接力控制得到的频响曲线基本吻合，在共振峰峰值附近，频率差异在0.1Hz以内，验证了测量的正确性。从图6可以看出，采用力控制方法得到的频响曲线，在共振峰处呈现明显的尖锐突变，以及锯齿形不连续，这是由于在共振峰控制效果不稳定，导致在峰值数据失真。直接力控制的步进正弦扫频试验方法，由于控制器波动，导致频响曲线测量过早跳变，无法精确给出共振频率和共振峰幅值的实验测量值。但通过加速度响应控制的步进正弦扫频绘制谐波力面得到的频响曲线光滑性好，对共振峰处不存在不合理的突变和锯齿波动，共振频率测量精确，对共振峰处幅值测量准确。

Claims (4)

1.一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，其特征在于，包括以下子步骤：
步骤一：在非线性结构上粘贴若干加速度传感器，通过预实验确定共振峰的范围；
步骤二：根据预实验结果确定步进正弦扫频激励的频率范围和频率间隔步长；
步骤三：根据测试工况，控制激励点的加速度幅值恒定，对结构施加加速度响应控制的步进正弦扫频实验，提取步进正弦扫频实验的谐波力谱；
步骤四：给定目标的恒定力幅值，连续改变激励点加速度幅值，直到测量的谐波力谱上的最小力幅值大于最大的目标恒定力幅值，此时加速度幅值工况即为最大的激励点加速度幅值工况；
步骤五：将初始工况下的加速度幅值0g与步骤四得到的最大的激励点加速度幅值工况之间的数值进行等分，得到加速度幅值工况表；
步骤六：根据步骤五得到的加速度幅值工况表，利用LMS SCADAS数据采集系统和LMSTest.Lab软件自带的控制器控制驱动点的加速度幅值保持恒定，对非线性结构施加步进正弦激励，利用LMS Test.Lab软件提取各恒定加速度幅值正弦扫频实验工况下的谐波力谱和谐波加速度谱；
步骤七：根据步骤六得到的谐波力谱和谐波加速度谱，使用线性插值绘制谐波力面，其中，X轴是频率；Y轴是加速度幅值；Z轴是力幅值；
步骤八：采用恒定力幅值平面(即，Z为常数的平面)来截取谐波力面，提取恒定力幅值平面与谐波力面之间的交线，最终获得恒定力幅值频响曲线。
2.如权利要求1所述的一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，其特征在于，所述步骤一中的实验为低能量幅值随机扫频实验。
3.如权利要求1所述的一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，其特征在于，所述步骤三中，通过LMS SCADAS数据采集系统和LMS Test.Lab软件的控制器来控制驱动点的加速度幅值恒定。
4.如权利要求1所述的一种响应控制步进正弦扫频的非线性结构频域响应测试方法，其特征在于，所述步骤三中，测试工况中每一个测试工况下的恒定力频响曲线需要由至少五个等间隔的加速度幅值工况线性插值得到。
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