CN117990320A - 一种超低频模态试验激励装置及激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超低频模态试验激励装置及使用方法，属于测试装置技术领域，装置包括：导磁体、电磁铁、可编程电源、实时控制软件，与可编程电源相连的控制计算机和检测电磁激励力的力传感器；导磁体作为电磁力作用的接收端，安装在柔性试件的模态激励点处；电磁铁与导磁体间隔一定距离相对布置，电磁铁在可编程电源的作用下产生幅值可调的松弛阶跃电磁力和超低频简谐电磁力，使试件跟随导磁体运动。方法包括准备步骤，测试步骤和数据分析步骤。本发明的试验系统结构简单，成本低廉，能够实现超低频模态非接触式激励的同时降低了柔性试件的损伤可能性、减小了对柔性试件模态的附加影响。
Description
技术领域
本发明涉及模态试验领域，具体涉及一种超低频模态试验激励装置及激励方法。
背景技术
模态测试能测量与分析结构或建筑模态振型和结构强度，指导后续设计与改进。然而，在大型结构模态测试方面，其共振频率低、模态密集和测量分析难度大等特点导致模态测试困难。特别地，当试件为柔性飞机机翼类结构时，其质量小、展弦比大、结构强度低等特点会导致的模态频率小于1Hz的同时频率间隔低于0.1Hz、易受到附加质量与附加刚度的影响和易损坏。这对用于激发模态的激振器提出了挑战。
目前常用的激振器包括惯性式、电动式、电磁式、电液式和非接触的电涡流式。其中，惯性式激振器通常用于测定土木工程类的大型结构(建筑、桥梁)的动力学性能，不在本专利设计方向内。而常用的电磁式、电动式能达到的最小激振频率为2-10Hz左右，无法激发1Hz以下的模态；另一方面，电液式虽然能做到低频模态的激励，但对超轻质柔性结构来说，其顶杆对试验件带来的附加质量和附加刚度的影响是不可忽略的；电涡流式激振器能实现非接触式激励，能够显著降低附加质量和刚度的影响，但其工作原理使激振频率超过了100Hz，无法满足超低频的激振要求。显然，传统的激振器类型都不具有超低频激振能力或存在不可忽略的附加刚度和模态影响。而以超轻质大展弦比柔性飞机机翼为例的大型柔性试件的模态测试与常规设备存在差异，在测试固有频率、振型和相对阻尼系数等模态参数时需要考虑试件存在结构强度较弱、尺寸大和刚度非线性的特点。这会导致试件模态频率低难以激励、易受到激励装置的影响导致模态变化和试件易受损等限制。因此，激励设备需要在保证所需激励力的同时减小对试件模态的附加影响、避免试件损坏并具有一定的灵活性和鲁棒性，这是常规激励装置不能同时具有的。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中激励设备在模态测试上存在的不足，提出一种超低频模态试验激励装置及激励方法。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种超低频模态试验激励装置，包括导磁体、电磁铁、可编程电源、实时控制软件，与可编程电源相连的控制计算机和检测电磁激励力的力传感器；导磁体作为电磁力作用的接收端，安装在柔性试件的模态激励点处；电磁铁与导磁体间隔一定距离相对布置，电磁铁在可编程电源的作用下产生幅值可调的松弛阶跃电磁力和超低频简谐电磁力，使试件跟随导磁体运动。
进一步的，控制计算机通过数据采集卡实时采集力传感器感受到的电磁力信号，并将滤波后的电磁力信号发送至实时控制软件。
进一步的，所述实时控制软件用于采集电磁力实时数据、控制电磁力激励类型和激励频率参数。
进一步的，所述力传感器布设在电磁铁下方，电磁铁与力传感器通过螺栓固定连接，力传感器安装在可升降平台上，从而调节电磁铁与导磁体之间的间隙。
本发明还提供了一种超低频模态试验激励方法，根据上述的一种超低频模态试验激励装置，包括如下步骤：
准备步骤，安装并调试激励装置，获取超低频简谐激励所需的电磁铁供电电压信号数组和松弛阶跃激励所需的由高电平突变为低电平的电磁铁供电电压信号数组；
测试步骤，使用实时控制软件输出松弛阶跃电磁力，初步采集柔性试件的模态数据；使用常规的阶跃激励模态测试与分析方法，获得大致的多阶模态频率及振型数据；以大致模态频率为中心频率，实际测试结果为参考，根据设定的步长向中心频率两边拓展需要测试的频率范围，使用实时控制软件逐次输出该频率范围内根据逆向求解得到的单频的简谐电磁激励力；
数据分析步骤，将力传感器采集的电磁力信号实时同步至实时控制软件，实时控制软件对力信号进行快速傅里叶变换，当频谱图为明显单峰时，则表明已实现标准正弦电磁力激励。
进一步的，超低频简谐激励所需的电磁铁供电电压信号数组的获取步骤包括：
测量电磁铁与导磁体在不同间隙时，电磁铁供电电压和电磁力的对应关系；
对电磁铁与导磁体间隙、电磁铁供电电压和电磁力间的数据进行多项式拟合，通过多次测试和验证，选择与实际系统更加吻合的拟合函数fPorce(x，V)；
根据fForce(x，V)逆向求解计算施加简谐电磁力所需的驱动电压信号，形成输出简谐电磁力所需的电压信号数组。
进一步的，激励点选取在试件结构件处，避免柔性试件空腔部分吸收电磁激励力造成模态不准确的问题。
进一步的，导磁体在保证导磁性的同时尽量减少重量，以减小对柔性试件模态的附加影响。
进一步的，模态测试过程中，为避免柔性试件在振动过程中与电磁铁发生碰撞，设计机械按钮置于电磁铁表面，当柔性试件与电磁铁间的间隙小于安全值时，柔性试件会触发微动开关，使电磁铁供电立即停止；电磁铁表面装备柔性材料，以减少撞击时的损伤。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明的试验系统结构简单，成本低廉，能够实现超低频模态非接触式激励的同时降低了柔性试件的损伤可能性、减小了对柔性试件模态的附加影响。
2、本发明利用质量极小的导磁体贴于被测对象表面施加电磁力，具有附加刚度和模态影响小、试件损伤程度低等不可替代的优点，为超轻质比柔性试件的设计与验证提供了参考和指导依据，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明超低频模态试验激励装置及使用方法中的超低频模态试验装置图；
图2是本发明超低频模态试验激励装置中电磁铁供电电压与输出电磁力示意图；
图3是本发明超低频模态试验激励装置及使用方法中的简谐激励测试流程图；
图4是本发明超低频模态试验激励装置及使用方法中简谐激励所需的拟合函数；
图5是本发明超低频模态试验激励装置及使用方法应用案例。
附图标记说明：
1、安装支架，2、力传感器，3、紧固螺母，4、电磁铁，5、散热单元，6、导磁体，7、粘结剂，8、试件，9、供电接口，10、计算机，11、实时控制软件。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提供了一种超低频模态试验激励装置，其具体结构如图2所示，包括：定制式导磁体6、电磁铁4、可编程电源、实时控制软件11和粘结剂7、安装支架1等其他附件，还包括与可编程电源相连的控制计算机10与检测电磁激励力的力传感器2。
定制式导磁体6作为电磁力作用的接收端，通过粘结剂7安装在柔性试件8的模态激励点处。电磁铁4与导磁体6间隔一定距离相对布置，电磁铁4受到可编程电源的作用，产生幅值可调的松弛阶跃电磁力和超低频简谐电磁力，使试件8跟随导磁体6运动。
力传感器2设置在电磁铁4下方，与电磁铁4通过螺栓连接固定。本实施例中，为了更好的调整电磁铁4与导磁体6之间的间隙，力传感器2安装在可升降平台上，本实施例中，该可升降平台采用如图1所示的安装支架1。数据采集卡采集电磁铁4下方力传感器2感受到的电磁力信号，并将滤波后的电磁力信号发送至实时控制软件11，实现对电磁力的实时监测。实时控制软件11的作用是采集电磁力实时数据、控制电磁力激励类型和激励频率等参数。
在结构设计上，本方法使用电磁铁-导磁体隔空作用的非接触式电激励方案，有别于传统激振装置，能够有效减小附加刚度和模态影响的同时提供稳定的激励力，避免试件损坏的同时具有一定的灵活性和鲁棒性。
在控制系统方面，电磁力的大小与导磁体之间的间隙长度的二次方呈反比，而试件运动时其间隙不断变化会导致常规电磁供电电压无法准确实现目标电磁力需求，若要实现可控准确的电磁力大小，则需要根据目标电磁力需求和通过试验测试自定义电磁铁供电电压信号并写入实时控制软件，完成软件与可编程电源通信，实现电磁铁的驱动，从而完全激发轻质柔性试件超低频模态，本实施例中，实时控制软件使用STM32F407微处理器实现。
本发明可以提供松弛阶跃激励和简谐激励两种不同形式的激励信号。
松弛阶跃激励：如图1所示，为了实现被测对象模态频率的快速测量，在电磁铁持续供电的情况下，电磁铁吸合被测对象后下拉一定距离，此时，切断电磁铁供电，使被测对象处于无负载但存在位移偏置的状态，当被测对象发生自由震颤时即可测得大致频率成分。
需要注意的是，在超低频模态测试过程中，单次松弛阶跃激励所提供的能量无法支撑传感器完成精确的频谱分析，当大致模态频率确定后，需要使用简谐信号对所有频率成分及其周围频率成分逐个激励，以确定准确的模态频率，因此简谐电磁力激励是必不可少的。
简谐激励：倘若直接使用简谐电压为电磁激励系统供能，使被测对象相对于电磁激励系统处于运动状态，它们之间的气隙发生改变会导致严重的输出非线性，使电磁激励系统无法输出标准的简谐电磁激励力。
因此，如图3所示的简谐激励测试流程图，本发明将固定工况下电磁铁与被测对象间的气隙、供电电压和电磁力的数据进行采集，使用数学计算软件将数据拟合得到该工况下的拟合电磁力求解函数，如图4所示。
当需要电磁激励系统输出标准的简谐信号时，根据当前气隙和所需电磁力即可使用数学计算软件逆向求解出所需供电电压，其示意波形如图1中所示的自定义电压简谐信号所示。将该自定义简谐信号使用可编程电源输入到电磁铁中，即可实现简谐电磁力激励。
基于上述分析，结合本发明设计的激励装置，提出了一种超低频模态试验激励方法，具体实施步骤如下：
步骤一、在实施激励之前，安装并调试激励装置。
安装时，使用粘结剂7将导磁体6安装至柔性试件8激励点上，螺栓连接电磁铁4和力传感器2，将力传感器2安装至可升降的安装支架1上；使用线缆连接电磁铁4与可编程电源，连接可编程电源与装有实时控制软件11的电脑，连接力传感器2与数据采集卡，连接数据采集卡与电脑；
调试时，首先，测量电磁铁与导磁体在不同间隙时，电磁铁供电电压和电磁力的对应关系；对电磁铁与导磁体间的间隙、电磁铁供电电压和电磁力间的数据进行多项式拟合，并通过多次测试和验证，选择与实际系统更加吻合的拟合函数fForce(x，V)，在选择拟合函数时也可以通过R方是否趋近于1、SSE和RMSE参数是否较小作为判断条件。
然后，将所需电磁力和位移参数带入拟合函数fPorce(x，V)，通过逆运算求得施加简谐电磁力所需的驱动电压信号，形成输出简谐电磁力所需的电压信号数组；
最后，生成松弛阶跃激励所需的由高电平突变为低电平的电磁铁供电电压信号数组。
步骤二、测试
S21、使用实时控制软件输出松弛阶跃电磁力，对柔性试件的模态信息进行初步采集；
S22、将初步采集的模态信息使用常规的阶跃激励模态测试与分析方法进行分析，获得大致的多阶模态频率及振型；
需要注意的是，阶跃激励作为单次激励其能量较小，这与试件测试超低频模态时较大的能量需求不吻合，因此只能获得大致模态频率及振型数据。
S23、以松弛阶跃激励模态测试与分析得到的大致模态频率为中心频率，实际测试结果为参考，根据设定的步长向中心频率两边拓展需要测试的频率范围，使用实时控制软件逐次输出该频率范围内根据fForce(x，V)逆向求解得到的单频自定义简谐供电电压，从而获得简谐电磁力。
S24、将力传感器采集的电磁力信号实时同步至实时控制软件，实时控制软件将对力信号的快速傅里叶变换，当频谱图为明显单峰时，则表明已实现标准正弦电磁力激励，从而实现对超低频模态试验激励力输出正确性的验证。
针对超低频模态试验装置及使用方法在实际模态测试过程中，应注意以下几点：
a.激励点选取在试件结构件处，避免柔性空腔部分吸收电磁激励力造成模态不准确的问题。
b.导磁体在保证导磁性的同时尽量减少重量，以减小对柔性试件模态的附加影响。
c.模态测试过程中，为避免柔性试件在振动过程中与电磁铁发生碰撞，应采取适当的保护设计，如设计机械按钮(微动开关)置于电磁铁表面，当柔性试件与电磁铁间的间隙小于安全值时，柔性试件会触发微动开关，使电磁铁供电立即停止；电磁铁表面装备柔性材料(如：海绵、硅胶等)，减少撞击时的损伤。
d.模态测试流程应遵循，电磁铁与导磁体的间隙由大到小，电磁力由小到大的测试原则，将试件振动限制在可控范围内。
本发明的试验系统结构简单，成本低廉，能够实现超低频模态非接触式激励的同时降低了柔性试件的损伤可能性、减小了对柔性试件模态的附加影响。在超低频柔性试件模态测试领域中，本发明的超低频模态激励能力和其附加刚度和模态影响小、试件损伤程度低等优点是常规的电动式、电磁式、电液式和涡流式等激振方案不能同时具有的，具有较强的不可替代性，为超轻质比柔性试件的设计与验证提供了参考和指导依据，具有重要的工程实用价值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超低频模态试验激励装置，其特征在于，包括导磁体(6)、电磁铁(4)、可编程电源、实时控制软件(11)，与可编程电源相连的控制计算机(10)和检测电磁激励力的力传感器(2)；导磁体(6)作为电磁力作用的接收端，安装在柔性试件(8)的模态激励点处；电磁铁(4)与导磁体(6)间隔一定距离相对布置，电磁铁(4)在可编程电源的作用下产生幅值可调的松弛阶跃电磁力和超低频简谐电磁力，使试件(8)跟随导磁体(6)运动。
2.根据权利要求1所述的一种超低频模态试验激励装置，其特征在于，控制计算机(10)通过数据采集卡实时采集力传感器(2)感受到的电磁力信号，并将滤波后的电磁力信号发送至实时控制软件(11)。
3.根据权利要求2所述的一种超低频模态试验激励装置，其特征在于，所述实时控制软件(11)用于采集电磁力实时数据、控制电磁力激励类型和激励频率参数。
4.根据权利要求2所述的一种超低频模态试验激励装置，其特征在于，所述力传感器(2)布设在电磁铁(4)下方，电磁铁(4)与力传感器(2)通过螺栓固定连接，力传感器(2)安装在可升降平台上，从而调节电磁铁(4)与导磁体(6)之间的间隙。
5.一种超低频模态试验激励方法，根据权利要求1至4任意一项所述的一种超低频模态试验激励装置，其特征在于，包括如下步骤：
准备步骤，安装并调试激励装置，获取超低频简谐激励所需的电磁铁供电电压信号数组和松弛阶跃激励所需的由高电平突变为低电平的电磁铁供电电压信号数组；
测试步骤，使用实时控制软件输出松弛阶跃电磁力，初步采集柔性试件的模态数据；使用常规的阶跃激励模态测试与分析方法，获得大致的多阶模态频率及振型数据；以大致模态频率为中心频率，实际测试结果为参考，根据设定的步长向中心频率两边拓展需要测试的频率范围，使用实时控制软件逐次输出该频率范围内根据逆向求解得到的单频的简谐电磁激励力；
数据分析步骤，将力传感器采集的电磁力信号实时同步至实时控制软件，实时控制软件对力信号进行快速傅里叶变换，当频谱图为明显单峰时，则表明已实现标准正弦电磁力激励。
6.根据权利要求5所述的一种超低频模态试验激励方法，其特征在于，超低频简谐激励所需的电磁铁供电电压信号数组的获取步骤包括：
测量电磁铁与导磁体在不同间隙时，电磁铁供电电压和电磁力的对应关系；
对电磁铁与导磁体间隙、电磁铁供电电压和电磁力间的数据进行多项式拟合，通过多次测试和验证，选择与实际系统更加吻合的拟合函数fForce(x，V)；
根据fPorce(x，V)逆向求解计算施加简谐电磁力所需的驱动电压信号，形成输出简谐电磁力所需的电压信号数组。
7.根据权利要求5所述的一种超低频模态试验激励方法，其特征在于，激励点选取在试件结构件处，避免柔性试件空腔部分吸收电磁激励力造成模态不准确的问题。
8.根据权利要求5所述的一种超低频模态试验激励方法，其特征在于，导磁体在保证导磁性的同时尽量减少重量，以减小对柔性试件模态的附加影响。
9.根据权利要求5所述的一种超低频模态试验激励方法，其特征在于，模态测试过程中，为避免柔性试件在振动过程中与电磁铁发生碰撞，设计机械按钮置于电磁铁表面，当柔性试件与电磁铁间的间隙小于安全值时，柔性试件会触发微动开关，使电磁铁供电立即停止；电磁铁表面装备柔性材料，以减少撞击时的损伤。
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