CN114216668A - 一种模态试验悬挂装置及模态试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模态试验悬挂装置及模态试验系统，属于模态试验参数测量技术领域，解决了现有技术中模态试验边界条件模拟中空气弹簧操作复杂且应用范围小的问题。一种模态试验悬挂装置，包括：悬挂组件；所述悬挂组件包括多个钢弹簧，所述钢弹簧的技术参数根据所述试验件的重量及基频来确定；所述钢弹簧包括并联设置的多个，以及由多个所述钢弹簧并联连接的至少一组；还包括吊车横梁，所述吊车横梁上连接有多条吊链，每个所述钢弹簧及每组所述钢弹簧分别通过吊钩将所述试验件悬吊在所述吊链上。本发明通过设置的悬挂组件以及将试验件悬挂在悬挂组件上，能够方便较大体积、重量及基频低试验件的模态试验的高精度参数测量。

Description

一种模态试验悬挂装置及模态试验系统

技术领域

本发明涉及模态试验参数测量技术领域，尤其涉及一种模态试验悬挂装置及模态试验系统。

背景技术

目前，航空航天技术发展飞速，对模态试验技术提出了更高的要求。较大体积、较大质量、低频、超低频模态测量需求越显突出。为准确提供模态参数供航天航空产品研制设计，必须通过模态试验对试验件进行激振来测量结构的动态特性、固有频率、模态振型和阻尼等参数。在国内外的模态试验中，试验件应处于完全自由的状态，不受附加边界约束的影响，因此为获取试验件的自由-自由状态，大都采用悬挂来模拟结构所需的自由-自由边界条件。

在理想的模态试验中，试验件结构处于完全自由状态，不受任何附加边界的约束影响，称为结构的自由-自由边界条件。因此，为了获取结构的自由模态，通常采用悬挂或支撑来模拟结构所需的自由-自由边界条件。对于由“试验件－悬挂装置”组成的垂直方向模态试验，悬挂装置的作用是使模态试验的试验件处于自由的状态。不同悬挂装置边界模拟的方式差别很大。

现有的模态试验边界条件模拟包括空气弹簧支撑方式，空气弹簧尺寸庞大，对于不同型面的试验件，要设计生产不同的工装模具，且使用时需要反复调节，大多适用于较重且不易于悬吊的试验件。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种模态试验悬挂装置及模态试验系统，用以解决现有模态试验边界条件模拟中空气弹簧操作复杂且应用范围小的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种模态试验悬挂装置，包括：悬挂组件；所述悬挂组件包括多个钢弹簧，所述钢弹簧的技术参数根据所述试验件的重量及基频来确定；所述钢弹簧包括并联设置的多个，以及由多个所述钢弹簧并联连接的至少一组；还包括吊车横梁，所述吊车横梁上连接有多条吊链，每个所述钢弹簧及每组所述钢弹簧分别通过吊钩将所述试验件悬吊在所述吊链上。

可选地，每组所述钢弹簧设置有合力工装，多个所述钢弹簧并联连接在所述合力工装上，所述吊链吊钩与所述合力工装连接。

可选地，所述合力工装包括主体、旋转吊环、吊环、固定板、压块以及第一销轴。

可选地，所述合力工装包括上合力工装以及下合力工装，多个所述钢弹簧并联连接在所述上合力工装及所述下合力工装之间，所述上合力工装与所述吊链吊钩连接。

可选地，还包括转接套件，所述下合力工装与所述转接套件连接。

可选地，所述转接套件包括转接卸扣，所述转接卸扣与所述下合力工装连接。

可选地，所述转接卸扣包括U型杆和第二销轴，所述U型杆与所述旋转吊环连接，所述销轴与试验件连接。

可选地，还包括保护件，所述保护件设置在所述吊链吊钩与所述转接套件之间。

可选地，所述保护件为钢丝绳。

另一方面，本发明还提供了一种模态试验系统，包括上述的模态试验悬挂装置。

可选地，所述保护件设置在所述上合力工装与所述下合力工装之间。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明中，通过将钢弹簧设置为包括并联设置的多个，或者并联设置的多个以及由多个钢弹簧并联连接构成的至少一组，能够提高钢弹簧连接的灵活性，可以实现单个或多个相同重量和频率钢弹簧的组合，从而实现长度较长(20米以上)、体积较大、重量较重(30吨以上)的航空航天产品的模态试验的高精度参数测量。

(2)本发明通过设置吊车横梁以及在吊车横梁上连接的多条吊链，能够方便通过钢弹簧以及连接组件将试验件进行悬吊，从而保证试验件稳定的悬吊状态。

(3)通过连接在吊链上的吊链吊钩或者设置在每组钢弹簧与试验件之间的转接套件，提高了试验件连接的便捷性及可靠性。在每组钢弹簧中包括的合力工装，能够使单组中的多个钢弹簧并联连接，方便实现多个钢弹簧的组合，可并联连接多个相同重量及频率的钢弹簧，达到增加承载能力的目的，保证了较重且基频低试验件的模态试验测量。

(4)通过在吊链吊钩与转接套件之间、或者在上合力工装与下合力工装之间设置保护件(钢丝绳)，能够有效避免试验件因意外掉落而造成的安全事故，提高了试验过程的安全性。

(5)本发明通过将悬挂组件设置为包括多个钢弹簧能够方便对于试验件的连接组装，根据试验件的重量及基频来确定钢弹簧的数量以及技术参数，能够使试验系统的刚体频率低于试验件基频的1/3。具体来说，可以为试验件基频的1/5，如此低的刚体频率提高了模态试验参数(如固有频率、振型、阻尼比、力-频曲线等)测量的质量和准确性。在具体的模态试验中，可根据实际试验件的重量及基频要求设计钢弹簧钢丝线径、弹簧外径、旋向、拉伸长度和承载力等技术参数，并且通过选择单个钢弹簧或并联多个钢弹簧自由搭配的形式，保证系统固有频率边界条件的模拟。

通过本发明中的钢弹簧悬挂装置能够满足试验件在垂直方向自由-自由边界条件的模态试验，且对于较重(30吨以上)试验件，刚度远远大于钢弹簧附加刚度，故可以忽略钢弹簧附加刚度对测量数据的影响，得到了良好的试验效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明中模态试验悬挂装置的结构示意图；

图2为本发明中上合力工装的结构示意图；

图3为本发明中转接卸扣的结构示意图；

图4为本发明压块的结构示意图；

图5为本发明第一销轴的结构示意图；

图6为本发明固定板的结构示意图；

图7为本发明吊环的结构示意图；

图8为本发明合力工装的主体的结构示意图；

图9为本发明实施例设置备用吊链的结构示意图。

附图标记：

1-钢弹簧；

2-吊车横梁；

3-吊链；

4-吊链吊钩；

5-合力工装；51-上合力工装；52-下合力工装；53-吊环；54-固定板；55-压块；

6-转接套件；61-旋转吊环；62-转接卸扣；63-U型杆；64-第二销轴；

7-钢丝绳；

8-试验件；

9-主体；

10-备用吊链；

11-凸起；

12-连接吊环；

13-包带。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

参见图1，本发明的一个具体实施例，公开了一种模态试验悬挂装置。本实施例的模态试验悬挂装置用于长度较长(20米以上)、体积较大、重量较重(30吨以上)的3-5Hz的航空航天产品的模态试验的高精度参数测量。

本实施例的模态试验悬挂装置包括：悬挂组件以及连接在所述悬挂组件上的试验件8；所述悬挂组件包括多个钢弹簧1，所述钢弹簧1的技术参数根据所述试验件8的重量及基频来确定。

实施时，本发明中模态试验悬挂装置的作用是使模态试验的试验件8处于悬吊状态，并模拟自由-自由边界条件，测量试验件8在自由-自由状态下的结构模态参数。

与现有技术相比，本实施例提供的悬挂组件能够将试验件8进行悬吊，通过多个钢弹簧1对试验件8进行悬挂的方式，简化了试验件8在模拟组件上的安装操作。

本发明中的模态试验悬挂装置结构简单、易于安装、实用性强，可应用于不同形式试验件8的模态试验，具有实际工程意义。

钢弹簧1的技术参数根据试验件8的重量及基频来具体进行设置，包括对于钢弹簧1并联数量，以及对每个钢弹簧1钢丝线径、弹簧外径、旋向、拉伸长度和承载力等技术指标的调整。

通过本发明中的用于模态试验中的悬挂装置，能够充分满足体积较大较重、基频低的试验件8的模态试验边界条件。试验中能够起到快速安装钢弹簧1悬吊试验件8的作用，有效降低了试验准备工作，缩短了试验周期。

通过技术参数可调的形式，能够使模态试验悬挂装置与模态试验状态下试验件8的质量以及试验下限频率协调关联，可靠保证了试验成功率。相较于现有的空气弹簧支撑方式，通过对试验件8悬吊的形式有效简化了试验件8在试验工装上的安装操作，并且适应于不同体积、重量以及基频的试验件8，有效拓展了应用范围，同时保证了试验的可靠稳定性以及精准度。

基于试验件8的不同性状以及参数，本发明中的钢弹簧1可以为并联设置的多个，也可以为多个以及多组的组合，通过不同形式钢弹簧1的组合，能够使模态试验悬挂装置的整体频率与试验件8的固有频率协调统一，从而保证了试验件8的模拟效果。

在其中一个具体的实施例中，钢弹簧1包括并联设置的两个，以及由两个钢弹簧1并联连接的一组，其中两个单独的钢弹簧1设置在成组钢弹簧1的两侧，使模态试验悬挂装置整体的悬挂力分散地更加均匀。

钢弹簧1以及试验件8在模态试验中具体是通过悬挂的形式进行的，本发明中的模态试验悬挂装置还包括位于顶部的吊车横梁2，试验件8通过钢弹簧1悬挂在吊车横梁2上。

优选地，吊车横梁2上连接有多条吊链3，通过操作吊车来改变吊链的长度。每个钢弹簧1及每组钢弹簧1分别通过吊链吊钩4将试验件8悬吊在吊链3上。在每个单独的钢弹簧1上，钢弹簧1连接在吊链3与试验件8之间；在每组钢弹簧1上，多个钢弹簧1并联连接在合力工装上，吊链吊钩4与合力工装连接。

每组钢弹簧1中的多个钢弹簧1具体通过合力工装5进行连接组装，多个钢弹簧1并联连接在合力工装上。通过采用连接组件、合力工装5和钢弹簧1的组合形式，能够实现钢弹簧1及试验件8在吊链吊钩4上的快速安装。

具体地，合力工装5包括上合力工装51以及下合力工装52，多个钢弹簧1并联连接在上合力工装51及下合力工装52之间，上合力工装51与吊链吊钩4连接，下合力工装52与转接套件6连接。

基于每个单独钢弹簧1以及每组钢弹簧1的不同设置形式，本实施例还包括转接套件，下合力工装与转接套件连接。每个钢弹簧1与每组钢弹簧1均与吊链吊钩4连接，单独钢弹簧1的下端与成组钢弹簧1的下端均通过转接套件6与试验件8转接。

基于本实施例中在一个合力工装5上连接两个钢弹簧1的形式，上合力工装51及下合力工装52设置在竖直方向上且结构形式相同，如图2所示，分别包括一个主体9、一个旋转吊环61、两个吊环53、两个固定板54、两个压块55以及两个第一销轴。

旋转吊环61包括旋转主体和环部，旋转主体与主体9螺纹连接，每个压块通过两个M20螺钉固定在主体9上，两个压块55分别位于主体9的两端。固定板54为L型，如图6所示，固定板54与压块55通过2个M10螺钉固定，固定板54与主体9之间形成空隙，保护用钢丝绳穿过该空隙。

吊环53呈阶梯柱状，如图7所示，包括第一柱体和第二柱体，第一柱体为圆柱体，其下表面与第二柱体的上表面连接。第一柱体与主体9螺纹连接，以实现吊环53与主体9的固定连接。

第二柱体设有开口朝向远离第一柱体方向的凹槽，该凹槽沿第二柱体的轴向方向未延伸至第二柱体的上表面，但沿第二柱体的侧壁径向贯通，该凹槽将第二柱体分割为相对的两个侧柱，每个侧柱上均设有径向通孔，第一销轴穿过两个径向通孔。为了防止第一销轴脱落，第一销轴上还设有销钉孔，销钉穿过销钉孔。第一销轴和吊环53形成供钢弹簧1的挂钩穿过的空隙。

上合力工装51分别与吊链吊钩4和钢弹簧1的一端连接，下合力工装52分别与转接套件6和钢弹簧1的另一端连接。吊环53、压块55、第一销轴以及固定板54、主体9的结构分别如图7、图4、图5和图6、图8所示。主体9的长度为750mm，宽度为200mm。

转接套件6具体包括转接卸扣62，其中转接卸扣62与下合力工装52的旋转吊环61连接，通过转接的形式实现合力工装5与试验件8之间的连接。

参见图3，转接卸扣62包括U型杆63以及插装在U型杆63上的第二销轴64。如图1所示，U型杆63与旋转吊环61连接，增强连接时的操作便捷性，第二销轴64通过包带13与试验件8连接，有效增加了固定紧度。

每个单独钢弹簧1的一端与吊链吊钩4连接，另一端与U型杆63连接。

考虑到钢弹簧1挂在U型杆63上后会在U型杆63上滑动，在一种优选的实施方式中，在U型杆63上与钢弹簧1的挂钩连接的部分设有限位部，如图3所示。优选地，限位部为凸起11或凹槽。

当限位部为凸起时，凸起的数量为2个，2个凸起之间有间隙，钢弹簧1的挂钩卡在该间隙；当限位部为凹槽时，钢弹簧1的挂钩落入该凹槽。

通过在U型杆63上设置限位部，能够防止钢弹簧1挂在U型杆63上后在U型杆63上滑动，大大提高钢弹簧1在U型杆63上的稳定性。

基于对钢弹簧1自身结构的保护，以及为了防止试验件8意外掉落而造成安全事故，本实施例中在钢弹簧1上还设置有保护件(例如钢丝绳7)。具体地，钢丝绳7的一端与吊链吊钩4连接，另一端与转接卸扣62连接通过钢丝绳7可对钢弹簧1起到良好的保护作用。或者，钢丝绳7的一端与上合力工装51连接，另一端与下合力工装52连接。本实施例中根据钢弹簧1所承受重量，设计选用3倍安全系数的钢丝绳7保护，有效提高了安全性。

由于本实施例的试验件较重(30吨以上)，如果意外掉落，会导致试验件直接损毁，造成不可估量的损失。因此，在另外一种可能的实施方式中，本发明还设置了另外一种防止试验件意外掉落的结构，即设置额外的包带13，该包带13直接挂在吊链吊钩4上，如图1所示。正常情况下，该包带并不承力，仅在出现意外情况时承力，既不影响模态试验的正常进行，又能防止试验件意外掉落，有效提高了模态试验的安全性。

另外，为了进一步提高模态试验的安全性，在一种优选的实施方式中，在每一条吊链3附近，还设有备用吊链10。该备用吊链10与其他吊链一样，从吊车横梁2上延伸下来，与吊链吊钩4连接。具体而言，吊链吊钩4上设有连接吊环12，备用吊链10与连接吊环12连接，备用吊链10的长度大于待保护的吊链3的长度，如图9所示，使得正常情况下，该备用吊链10并不承力，仅在出现意外情况时承力，既不影响模态试验的正常进行，又能防止试验件意外掉落，进一步提高模态试验的安全性。本发明中的钢弹簧可根据试验件的重量和频率要求，实现单个钢弹簧或并联多个钢弹簧的自由搭配，并不局限于上述两个单独的钢弹簧以及一组钢弹簧的组合，可根据具体实际需求进行连接形式上的调整。

本发明还提供了一种包括上述模态试验悬挂装置的模态试验系统，通过选择单个钢弹簧或并联多个钢弹簧自由搭配，能够有效提高模态试验系统的组装效率，以保证系统固有频率边界条件的模拟，同时提高试验件模态试验的准确性。

通过本发明中的模态试验系统能够形成由“试验件－悬挂装置”组成的垂直方向模态试验，通过悬挂装置可使试验件处于自由-自由的边界条件，且悬挂装置垂直方向上的刚体运动频率要低于试验件基频的1/3。具体来说，本发明的悬挂装置垂直方向上的刚体运动频率为试验件基频的1/5。

在进行试验之前，首先根据试验件的质量、质心及悬挂点距离质心的位置尺寸，计算出每一个悬挂点需要的钢弹簧的重量。同时，根据试验件的结构基频要求，设计钢弹簧钢丝线径、弹簧外径、旋向、拉伸长度和承载力等技术指标，并选用单个钢弹簧或并联多个吨位相同的钢弹簧组合使用。

然后根据选用的单个钢弹簧的一端或并联组合使用的成组钢弹簧连接至吊链吊钩，再将单个钢弹簧的另一端或者成组钢弹簧的另一端与试验件连接，最后通过吊链吊钩升降至实际激励所需要的高度。

本具体实施例中，试验件长20米、重30吨、基频为3Hz。根据质量、质心及加强框位置，采用三点悬挂方式，根据三个悬挂点载荷承力计算，且设计钢弹簧拉伸长度均为250mm，为达到试验效果，三点悬挂分别设计为1个7T钢弹簧装置，合力2个7T钢弹簧装置，1个5T钢弹簧装置，满足基频使用要求，并使用3倍安全系数的钢丝绳保护装置。实际模态试验中，试验件不仅处于自由-自由的边界条件，且悬挂装置在垂直方向上的刚体运动频率为试验件基频的1/5，试验件结构模态参数测量效果良好，试验数据准确有效。

实施例二

本发明的另一个实施例，提供了一种采用实施例一的悬挂装置进行模态试验的悬挂方法，具体包括如下步骤：

设计悬挂组件所包含的钢弹簧的技术参数，所述技术参数包括钢弹簧的钢丝线径、弹簧外径、旋向、拉伸长度以及承载力；

根据确定的所述技术参数采用悬挂组件对所述试验件进行悬挂以使所述试验件处于自由-自由的边界条件。

在上述具体方法中，技术参数的设计方法是根据根据钢弹簧承受的轴向变形量来确定弹簧的技术参数，其中所述轴向变形量的计算公式为：

上式中：

λ为轴向变形量，单位：mm；

n为弹簧的有效圈数，单位：圈；

G为弹簧材料的切变模量，单位：Pa；

d为材料直径，单位：mm；

D₂为弹簧外径，单位：mm；

D为弹簧中径，单位：mm；

C为旋绕比，单位：C＝D/d；

F为轴向压力，单位：N。

弹簧的圈数n为：

弹簧的钢度为：

上述悬挂方法中，还包括悬挂上合力工装，包括如下步骤：

1、把16吨旋转吊环通过本身的螺纹(M56*5.5)安装在上合力工装上面，通过吊车将其吊装起来(方便后续安装)。

2、把两个吊环53通过螺纹(M80*4.5)分别安装在上合力工装51两侧，安装时看好吊环53的凹槽方向，要求方向一致，以便于安装钢弹簧1。

3、将钢弹簧1放置在吊环53凹槽处顶端，将第一销轴穿过吊环53中间孔，让钢弹簧1挂在第一销轴上，在第一销轴一侧安装好M48螺母和销钉，防止第一销轴脱落。另外一侧也是同样的悬挂方法。

4、将压块55通过两个M20螺钉固定在上合力工装51上，将固定板54安装在压块55上面用2个M10的螺钉固定，固定板54用于防止保护用钢丝绳脱落。

下合力工装的悬挂方法与上合力工装类似。

在进行实际操作时，并不对钢弹簧的具体型号进行限定，钢弹簧的类型包括1.5T钢弹簧、3T钢弹簧、5T钢弹簧、7T钢弹簧中的一种或几种的组合，根据具体的实际情况进行实际选择，各型号的技术指标参见表1。

表1各型号钢弹簧的技术指标

注：表中钢丝线径和弹簧外径的单位为mm，硬度的单位为HRC。

通过本发明中的模态试验悬挂方法能够形成由“试验件－悬挂装置”组成的垂直方向模态试验，可使试验件处于自由-自由的边界条件，且钢弹簧沿垂直方向的刚体运动频率低于所述试验件的基频的1/3。具体来说，本发明的悬挂装置垂直方向上的刚体运动频率为试验件基频的1/5。

在进行试验之前，首先根据试验件的质量、质心及悬挂点距离质心的位置尺寸，计算出每一个悬挂点需要的钢弹簧的重量。同时，根据试验件的结构基频要求，设计钢弹簧钢丝线径、弹簧外径、旋向、拉伸长度和承载力等技术指标，并选用单个钢弹簧或并联多个吨位相同的钢弹簧组合使用。

然后根据选用的单个钢弹簧的一端或并联组合使用的成组钢弹簧连接至吊链吊钩，再将单个钢弹簧的另一端或者成组钢弹簧的另一端与试验件连接，最后通过吊链吊钩升降至实际激励所需要的高度。

本具体实施例中，可试验件根据质量、质心及加强框位置，采用三点悬挂方式，试验件基频为3Hz，根据三个悬挂点载荷承力计算，且设计钢弹簧拉伸长度均为250mm，为达到试验效果，三点悬挂分别设计为1个7T钢弹簧装置，合力2个7T钢弹簧装置，1个5T钢弹簧装置，满足基频使用要求，并使用3倍安全系数的钢丝绳保护装置。实际模态试验中，试验件不仅处于自由-自由的边界条件，且悬挂装置在垂直方向上的刚体运动频率为试验件基频的1/5，试验件结构模态参数测量效果良好，试验数据准确有效。

本发明还提供了一种模态试验方法，包括了上述模态试验的悬挂方法，该模态试验方法相较于以往的试验方法，操作步骤更为简便快捷，大大节约了测试时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模态试验悬挂装置，其特征在于，包括：悬挂组件；

所述悬挂组件包括多个钢弹簧，所述钢弹簧的技术参数根据所述试验件的重量及基频来确定；

所述钢弹簧包括并联设置的多个，以及由多个所述钢弹簧并联连接的至少一组；

还包括吊车横梁，所述吊车横梁上连接有多条吊链，每个所述钢弹簧及每组所述钢弹簧分别通过吊钩将所述试验件悬吊在所述吊链上。

2.根据权利要求1所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，每组所述钢弹簧设置有合力工装，多个所述钢弹簧并联连接在所述合力工装上，所述吊链吊钩与所述合力工装连接。

3.根据权利要求2所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，所述合力工装包括主体、旋转吊环、吊环、固定板、压块以及第一销轴。

4.根据权利要求3所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，所述合力工装包括上合力工装以及下合力工装，多个所述钢弹簧并联连接在所述上合力工装及所述下合力工装之间，所述上合力工装与所述吊链吊钩连接。

5.根据权利要求4所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，还包括转接套件，所述下合力工装与所述转接套件连接。

6.根据权利要求5所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，所述转接套件包括转接卸扣，所述转接卸扣与所述下合力工装连接。

7.根据权利要求6所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，所述转接卸扣包括U型杆和第二销轴，所述U型杆与所述旋转吊环连接，所述销轴与试验件连接。

8.根据权利要求5所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，还包括保护件，所述保护件设置在所述吊链吊钩与所述转接套件之间。

9.根据权利要求8所述的模态试验悬挂装置，其特征在于，所述保护件为钢丝绳。

10.一种模态试验系统，其特征在于，包括权利要求1-9所述的模态试验悬挂装置。

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