RU2658125C1 - Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests - Google Patents
Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests Download PDFInfo
- Publication number
- RU2658125C1 RU2658125C1 RU2017119498A RU2017119498A RU2658125C1 RU 2658125 C1 RU2658125 C1 RU 2658125C1 RU 2017119498 A RU2017119498 A RU 2017119498A RU 2017119498 A RU2017119498 A RU 2017119498A RU 2658125 C1 RU2658125 C1 RU 2658125C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- generalized
- oscillations
- tones
- determining
- damping
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M7/00—Vibration-testing of structures; Shock-testing of structures
Abstract
Description
Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к резонансным испытаниям механических конструкций.The invention relates to the field of testing equipment, in particular to resonance testing of mechanical structures.
В резонансных испытаниях определяются такие характеристики собственных тонов колебаний конструкций, как собственные частоты, формы, обобщенные декременты колебаний, обобщенные массы. Эти динамические характеристики используются для верификации расчетных моделей объектов в машиностроении, авиации, космической промышленности. Испытания проводятся методом многоточечного возбуждения колебаний, в основу которого положено понятие о фазовом резонансе. Сущность метода: с помощью управляемого воздействия большим числом сил поочередно выделяются колебания конструкции по каждому собственному тону с последующим определением обобщенных характеристик этих тонов.In resonance tests, such characteristics of eigentones of structural vibrations as eigenfrequencies, shapes, generalized decrement of vibration, and generalized mass are determined. These dynamic characteristics are used to verify the design models of objects in mechanical engineering, aviation, and the space industry. The tests are carried out by the method of multipoint excitation of oscillations, which is based on the concept of phase resonance. The essence of the method: with the help of a controlled action, a large number of forces alternately distinguish structural vibrations for each own tone with the subsequent determination of the generalized characteristics of these tones.
Известен энергетический метод определения обобщенной массы и обобщенного декремента колебаний, заключающийся в приравнивании работы сил неупругого сопротивления работе сил возбуждения за период колебаний. При этом работа сил демпфирования записывается для конкретной модели рассеяния энергии и выражается через декремент колебаний и обобщенную массу. Определяя декремент известными методами, можно вычислить обобщенную массу. И наоборот, если известна обобщенная масса, то энергетический метод служит для определения декремента колебаний (Clerc, D. Methode de recherche des modes propres par calcul de l' excitation harmonique optimum d' apres les res les resultats bruts d' essais de vibrations / D. Clerc // Note technique: ONERA. - 1967. - №119. - 57 p.).The known energy method for determining the generalized mass and the generalized decrement of oscillations, which consists in equating the work of the forces of inelastic resistance to the work of the excitation forces during the period of oscillation. In this case, the work of damping forces is recorded for a specific model of energy dissipation and is expressed in terms of the decrement of vibrations and the generalized mass. Determining the decrement by known methods, we can calculate the generalized mass. And vice versa, if the generalized mass is known, then the energy method is used to determine the decrement of vibrations (Clerc, D. Metode de recherche des modes propres par calcul de l 'excitation harmonique optimum d' apres les res les resultats bruts d 'essais de vibrations / D . Clerc // Note technique: ONERA. - 1967. - No. 119. - 57 p.).
Недостатками метода является высокая чувствительность к погрешностям в экспериментальных данных и априорном принятии модели рассеяния энергии.The disadvantages of the method are the high sensitivity to errors in the experimental data and a priori adoption of the energy dissipation model.
Известен способ определения обобщенных масс методом механической догрузки. Метод предполагает оценивать обобщенную массу тона по изменению его собственной частоты в результате установки на объекте дополнительных масс (Микишев Г.Н. Динамика тонкостенных конструкций с отсеками, содержащими жидкость / Г.Н. Микишев, Б.И. Рабинович. - М.: Машиностроение, 1971. - 564 с.).A known method of determining the generalized masses by the method of mechanical loading. The method involves evaluating the generalized tone mass by changing its natural frequency as a result of installing additional masses at the facility (Mikishev G.N. Dynamics of thin-walled structures with compartments containing liquid / G.N. Mikishev, B.I. Rabinovich. - M .: Mechanical Engineering , 1971. - 564 p.).
Недостатком метода является высокая трудоемкость, значительная чувствительность к погрешностям измерений в результатах испытаний и допущение о выполнимости гипотезы Базиля о том, что матрицы инерции, жесткости и демпфирования приводятся к диагональному виду одним преобразованием координат.The disadvantage of this method is the high complexity, significant sensitivity to measurement errors in the test results and the assumption that the Basil hypothesis that the inertia, stiffness and damping matrices are reduced to a diagonal form by a single coordinate transformation is feasible.
Известен способ определения обобщенных характеристик собственных тонов колебаний методом выделения аппроксимирующей окружности. В его основе лежит тот факт, что частотная характеристика системы с одной степенью свободы описывает окружность в диаграмме Найквиста. Для реализации этого метода выделяется совокупность точек частотной характеристики вблизи частоты фазового резонанса, через которые проводится аппроксимирующая окружность. После этого находится собственная частота тона как точка с максимальной скоростью изменения угла между экспериментальными значениями частотной характеристики. Параметры окружности являются также исходными данными для определения коэффициента демпфирования (Хейлен Вард. Модальный анализ: теория и испытания / Вард Хейлен, Стефан Ламменс, Пол Сас. - М.: ООО «Новатест», 2010. - 319 с.).A known method for determining the generalized characteristics of the natural tones of the oscillation method by selecting an approximating circle. It is based on the fact that the frequency response of a system with one degree of freedom describes a circle in the Nyquist diagram. To implement this method, a set of points of the frequency characteristic is allocated near the frequency of the phase resonance through which the approximating circle is drawn. After that, the natural frequency of the tone is found as a point with the maximum rate of change of the angle between the experimental values of the frequency response. The circle parameters are also the initial data for determining the damping coefficient (Heilen Ward. Modal analysis: theory and testing / Ward Heilen, Stefan Lammens, Paul Sas. - M .: Novatest LLC, 2010. - 319 p.).
Недостатками способа являются:The disadvantages of the method are:
- отсутствие критерия для обоснования выбора диапазона частот вынужденных колебаний в окрестности резонансной частоты, в котором строится аппроксимирующая окружность;- the absence of a criterion for substantiating the choice of the frequency range of forced oscillations in the vicinity of the resonant frequency in which the approximating circle is built;
- априорное использование гипотезы Базиля;- a priori use of the Basil hypothesis;
- достаточно высокая чувствительность к погрешностям измерения параметров вынужденных колебаний. Это объясняется тем, что для построения аппроксимирующей окружности используются синфазные и квадратурные составляющие перемещений. Но в окрестности фазового резонанса синфазная составляющая мала, поэтому может измеряться со значительной погрешностью.- a sufficiently high sensitivity to measurement errors of forced oscillation parameters. This is explained by the fact that in-phase and quadrature components of displacements are used to construct the approximating circle. But in the vicinity of the phase resonance, the in-phase component is small, therefore, it can be measured with a significant error.
Известны способы и стенды для определения собственных частот и обобщенных масс колеблющихся конструкций, которые отличаются от описанных выше тем, что позволяют определять массы испытуемого объекта без ошибок, вносимых испытательным оборудованием (Патенты RU 2499239, RU 2489696, RU 2485468). Но при этом недостатки самого метода определения обобщенных масс, присущие энергетическому методу, не устраняются.Known methods and stands for determining the natural frequencies and generalized masses of oscillating structures, which differ from those described above in that they allow you to determine the mass of the test object without errors made by test equipment (Patents RU 2499239, RU 2489696, RU 2485468). But at the same time, the shortcomings of the method of determining generalized masses inherent in the energy method are not eliminated.
Известен способ определения обобщенных масс и декрементов колебаний методом введения квадратурной составляющей возбуждения. Для реализации метода на исследуемую конструкцию устанавливают датчики вибраций (перемещений, скоростей, ускорений). Возбуждение колебаний конструкции производится с помощью нескольких независимых источников вибраций. Выделяют собственные тона конструкции в заданном диапазоне частот методом фазового резонанса путем использования многоканальной системы возбуждения и измерения колебаний. Определяют собственные частоты колебаний тонов по частотам фазовых резонансов. Обобщенные характеристики тонов рассчитываются по изменению частоты фазового резонанса (реализация режимов «фиктивного» фазового резонанса) после введения квадратурной составляющей возбуждения (Васильев, К.И. Экспериментальное исследование упругих колебаний летательных аппаратов с помощью многоканального оборудования АВДИ-1Н / К.И. Васильев, В.И. Смыслов, В.И. Ульянов // Тр. ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. - 1975. - Вып. 1634. - С. 1-36.).A known method for determining the generalized masses and decrements of oscillations by introducing the quadrature component of the excitation. To implement the method, vibration sensors (displacements, speeds, accelerations) are installed on the structure under study. Excitation of structural vibrations is carried out using several independent sources of vibration. Own structural tones are distinguished in a given frequency range by the phase resonance method by using a multi-channel excitation system and measuring vibrations. The eigenfrequencies of tone oscillations are determined from the frequencies of the phase resonances. The generalized characteristics of tones are calculated by changing the frequency of the phase resonance (the implementation of the modes of “fictitious” phase resonance) after the introduction of the quadrature component of the excitation (Vasiliev, KI. Experimental study of the elastic vibrations of aircraft using multichannel equipment AVDI-1N / K.I. Vasiliev, V.I.Smyslov, V.I. Ulyanov // Trucks of TsAGI named after N.E. Zhukovsky. - 1975. - Issue 1634. - S. 1-36.).
Данный способ определения параметров собственных тонов колебаний конструкций в модальных испытаниях выбран за прототип.This method of determining the parameters of the intrinsic vibrations of structures in modal tests is selected as a prototype.
Недостатками способа являются:The disadvantages of the method are:
- отсутствие критерия для обоснования выбора диапазона частот вынужденных колебаний в окрестности резонансной частоты, в котором реализуются режимы «фиктивного» фазового резонанса. Поскольку обобщенные характеристики рассчитываются по разности частот фазового резонанса, каждая из которых определяется с некоторой погрешностью, то при малой разности погрешность в обобщенных характеристиках может быть значительной, а с удалением частоты «фиктивного» фазового резонанса на результаты расчетов могут оказать влияние соседние тона;- the absence of a criterion for justifying the choice of the frequency range of forced oscillations in the vicinity of the resonant frequency, in which the modes of "fictitious" phase resonance are realized. Since the generalized characteristics are calculated from the difference in the frequencies of the phase resonance, each of which is determined with a certain error, with a small difference the error in the generalized characteristics can be significant, and with the removal of the frequency of the “fictitious” phase resonance, neighboring tones can influence the calculation results;
- априорное использование гипотезы Базиля;- a priori use of the Basil hypothesis;
- математическое ожидание обобщенной массы, определенной таким методом, является смещенной оценкой, и это смещение увеличивается с приближением частоты «фиктивного» фазового резонанса к частоте фазового резонанса.- the mathematical expectation of the generalized mass determined by this method is a biased estimate, and this bias increases as the frequency of the “fictitious” phase resonance approaches the frequency of the phase resonance.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения обобщенных масс и характеристик демпфирования собственных тонов колебаний конструкций.An object of the invention is to increase the accuracy of determining the generalized masses and damping characteristics of intrinsic vibrations of structures.
Для достижения технического результата изобретения в способе определения параметров собственных тонов колебаний, заключающемся в выделении собственных тонов методом фазового резонанса путем использования многоканальной системы возбуждения и измерения колебаний, определении частот фазовых резонансов, представлении колебаний конструкции по каждому собственному тону линейным осциллятором, характеристиками которого являются обобщенная сила возбуждения колебаний, обобщенная масса, обобщенное демпфирование и обобщенная жесткость соответствующего тона, определении обобщенных масс, обобщенного демпфирования и обобщенных жесткостей тонов по вибрационному отклику конструкции, по соотношению между вынужденными монофазными и собственными колебаниями выявляются диссипативные свойства конструкций, определение обобщенных параметров каждого собственного тона колебаний производится по амплитудно-частотной характеристике конструкции в окрестности соответствующей этому тону частоты фазового резонанса из условия минимума различия обобщенных сил возбуждения колебаний конструкции и линейного осциллятора, реализующих одинаковые амплитуды колебаний конструкции и осциллятора.To achieve the technical result of the invention, in a method for determining the parameters of eigentones of oscillations, which consists in extracting eigen tones by the phase resonance method by using a multi-channel excitation and measuring system, determining the frequencies of the phase resonances, representing structural oscillations for each eigen tone by a linear oscillator, the characteristics of which are generalized force excitation of oscillations, generalized mass, generalized damping and generalized stiffness with corresponding tone, determination of generalized masses, generalized damping and generalized stiffnesses of tones according to the vibrational response of the structure, the relationship between forced monophasic and natural vibrations reveals the dissipative properties of the structures, the generalized parameters of each natural tone of vibration are determined by the amplitude-frequency characteristic of the structure in the vicinity of the corresponding tone of the phase resonance frequency from the condition of minimum differences in the generalized excitation forces design and a linear oscillator, realizing the same amplitudes of the oscillations of the structure and the oscillator.
На фиг. 1 показаны результаты оценки относительной погрешности определения обобщенной массы ε a для различного числа М точек амплитудно-частотные характеристики (АЧХ);In FIG. 1 shows the results of evaluating the relative error in determining the generalized mass ε a for a different number of M points, amplitude-frequency characteristics (AFC);
на фиг. 2 - зависимость параметра λ от частоты колебаний;in FIG. 2 - dependence of the parameter λ on the oscillation frequency;
на фиг. 3 - экспериментальные (1) и расчетные (2) амплитудно-частотной характеристики АЧХ.in FIG. 3 - experimental (1) and calculated (2) amplitude-frequency characteristics of the frequency response.
Способ определения параметров собственных тонов колебаний конструкций в резонансных испытаниях заключается в следующем. На исследуемую конструкцию устанавливают датчики вибраций (перемещений, скоростей, ускорений). Количество датчиков зависит от габаритов и степени сложности конструкции. Места установки датчиков назначают так, чтобы можно было с требуемой детализацией описать собственные формы колебаний конструкции в заданном диапазоне частот. Для этого используют результаты расчетного модального анализа, производимого при проектировании конструкции.The method for determining the parameters of the eigentones of vibration of structures in resonance tests is as follows. Sensors of vibrations (displacements, speeds, accelerations) are installed on the studied structure. The number of sensors depends on the size and degree of complexity of the design. The places of installation of the sensors are assigned so that it is possible to describe with the required detail the eigenmodes of vibration of the structure in a given frequency range. To do this, use the results of the calculated modal analysis performed during the design design.
Возбуждение колебаний конструкции производится с помощью нескольких независимых источников вибраций. К местам присоединения источников вибраций к конструкции предъявляются те же требования, что и к местам установки датчиков вибраций. Источники вибраций создают возбуждающую силу, изменяющуюся по гармоническому закону.Excitation of structural vibrations is carried out using several independent sources of vibration. The same requirements apply to the points of attachment of vibration sources to the structure as to the places where vibration sensors are installed. Sources of vibration create an exciting force that varies in harmonic law.
Для описания методологии подбора сил возбуждения с целью выделения колебания по каждому собственному тону, определения собственных частот и форм используем дифференциальные уравнения колебания конструкции в процессе испытаний:To describe the methodology for selecting the excitation forces in order to isolate the oscillations for each eigen tone, to determine the eigenfrequencies and shapes, we use the differential equations of the structural oscillation during the tests:
Здесь Z(N) - вектор перемещений точек конструкции; ω - частота возбуждающей силы; и матрицы инерции и жесткости; R(N) - вектор сил демпфирования, к которым отнесены все силы, изменяющиеся в фазе со скоростью перемещений конструкции; E(N) и F(N) - векторы синфазной и квадратурной составляющих сил возбуждения, N - число собственных тонов колебаний конструкции в заданном частотном диапазоне.Here Z (N) is the displacement vector of construction points; ω is the frequency of the exciting force; and matrices of inertia and rigidity; R (N) is the vector of damping forces, to which are attributed all the forces that change in phase with the speed of movement of the structure; E (N) and F (N) are the vectors of the in-phase and quadrature components of the excitation forces, N is the number of intrinsic tones of the vibrations of the structure in a given frequency range.
Установившиеся вынужденные колебания конструкции в испытаниях имеют видThe steady forced vibrations of the structure in the tests are of the form
где U(N) и V(N) - векторы синфазной и квадратурной составляющих перемещений конструкции.where U (N) and V (N) are the in-phase and quadrature components of the structural displacements.
Используется понятие «вынужденные монофазные колебания», удовлетворяющие условиюThe concept of “forced monophasic oscillations” is used that satisfy the condition
где λ - действительное число, равное котангенсу фазового сдвига между перемещениями конструкции и действительной составляющей возбуждения. Для монофазных колебаний (3) дифференциальным уравнениям (1) с учетом (2) соответствуют системы алгебраических уравненийwhere λ is a real number equal to the cotangent of the phase shift between the displacements of the structure and the real component of the excitation. For single-phase oscillations (3), differential equations (1), taking into account (2), correspond to systems of algebraic equations
Здесь - матрица демпфирования.Here - damping matrix.
Из (4) следует, что при монофазном возбуждении (F=0) и λ=0 (фазовый резонанс) монофазные колебания совпадают с собственными колебаниями: V=Wi, i=1,2,…, N; Wi - i-й собственный вектор (форма колебаний). Кроме того, из (4) и(5) с учетом условий ортогональности собственных векторов , , i, j=1, 2,…, N, i≠j, следует, что если при этом монофазные колебания совпадают с собственными колебаниями на частотах, отличающихся от частот фазовых резонансов, то матрица демпфирования в обобщенной системе координат диагональная: , i, j=1, 2,…, N, i≠j. Параметрами таких собственных тонов колебаний являются обобщенная масса, обобщенное демпфирование и обобщенная жесткость (собственная частота колебаний).From (4) it follows that with monophasic excitation (F = 0) and λ = 0 (phase resonance), monophasic oscillations coincide with the natural oscillations: V = W i , i = 1,2, ..., N; W i - i-th eigenvector (waveform). In addition, from (4) and (5), taking into account the conditions of orthogonality of the eigenvectors , , i, j = 1, 2, ..., N, i ≠ j, it follows that if in this case the monophasic oscillations coincide with the natural oscillations at frequencies different from the frequencies of the phase resonances, then the damping matrix in the generalized coordinate system is diagonal: , i, j = 1, 2, ..., N, i ≠ j. The parameters of such natural vibration tones are generalized mass, generalized damping and generalized stiffness (natural vibration frequency).
Вектор сил E монофазного возбуждения, реализующий монофазные колебания на частоте ω, определяют по формулеThe force vector E of monophasic excitation, which implements monophasic oscillations at a frequency ω, is determined by the formula
если существуют действительные решения задачи о собственных значенияхif there are real solutions to the eigenvalue problem
Здесь - матрица, столбцами которой являются векторы линейно независимых сил в N предварительных испытаниях; столбцы матриц и - векторы синфазных и квадратурных составляющих перемещений, зафиксированные в этих испытаниях.Here - a matrix whose columns are linearly independent force vectors in N preliminary tests; matrix columns and - vectors of in-phase and quadrature components of displacements recorded in these tests.
Если число сил возбуждения L<N, то монофазные колебания воспроизводят приближенно из условияIf the number of excitation forces is L <N, then monophasic oscillations reproduce approximately from the condition
а вектор ξ в (6) определяют как собственный вектор в задачеand the vector ξ in (6) is defined as an eigenvector in the problem
, ,
соответствующий наименьшему собственному значению α.corresponding to the smallest eigenvalue α.
Здесь , .Here , .
Условие (7) определяет параметр λ какCondition (7) defines the parameter λ as
. .
В испытаниях, изменяя частоту колебаний ω в заданном диапазоне, определяют частоты фазовых резонансов конструкции по критериямIn tests, changing the frequency of oscillations ω in a given range, determine the frequency of the phase resonances of the structure according to the criteria
или , or ,
которые следуют из условия (7). Частоты фазовых резонансов приравнивают к собственным частотам тонов колебаний pi, а векторы V на этих частотах принимают за собственные векторы Wi, i=1, 2,…, N.which follow from condition (7). The frequencies of the phase resonances are equated to the eigenfrequencies of the oscillation tones p i , and the vectors V at these frequencies are taken for the eigenvectors W i , i = 1, 2, ..., N.
Итак, собственные частоты и формы найдены. Следующей задачей является представление колебаний по каждому тону линейным осциллятором и определение обобщенных масс и характеристик демпфирования.So, natural frequencies and forms are found. The next task is to represent the oscillations of each tone by a linear oscillator and to determine the generalized masses and damping characteristics.
При постоянных силах и шаговом изменении частоты колебаний в окрестностях собственных частот измеряют синфазные U и квадратурные V составляющие перемещений в контрольных точках. По результатам измерений строят частотные зависимости параметра λ. Если эти зависимости одинаковы во всех контрольных точках и форма колебаний не меняется, то колебания конструкции по каждому собственному тону описывают уравнением (линейный осциллятор):With constant forces and a step change in the frequency of oscillations in the vicinity of the natural frequencies, in-phase U and quadrature V components of the displacements at the control points are measured. Based on the measurement results, the frequency dependences of the parameter λ are built. If these dependences are the same at all control points and the shape of the vibrations does not change, then the vibrations of the structure for each own tone are described by the equation (linear oscillator):
Здесь ; y - амплитуда, а - фаза колебаний; a, h и с - обобщенные масса, демпфирование и жесткость; с=р2а, Q=WTE - обобщенная сила внешнего воздействия. В качестве обобщенных координат g принимают перемещения точек нормирования собственных векторов.Here ; y is the amplitude, and - phase of oscillation; a , h and c - generalized mass, damping and stiffness; c = p 2 a, Q = W T E is the generalized external force. As the generalized coordinates g take the displacement of the normalization points of the eigenvectors.
Для определения обобщенной массы, жесткости и демпфирования тона используется условие минимума отличия обобщенных сил Qк, реализуемых в эксперименте, от сил , определяющих амплитуды колебаний осциллятора, равные амплитудам колебаний конструкции на частотах ωк, (к=1, 2,…, М, М≥3):To determine the generalized mass, stiffness, and tone damping, the condition of the minimum difference between the generalized forces Q k realized in the experiment and the forces is used that determine the oscillation amplitudes of the oscillator, equal to the amplitudes of the structural vibrations at frequencies ω k , (k = 1, 2, ..., M, M≥3):
. .
Необходимое условие экстремума функционала приводит к системе нелинейных уравнений третьего порядка относительно обобщенных характеристик. Эту систему уравнений удается решить точно:The necessary condition for the extremum of the functional leads to a system of third-order nonlinear equations with respect to generalized characteristics. This system of equations can be solved exactly:
, , , ,
, ,
, , , , , ,
, , , ,
, ,
Изменение способа описания сил демпфирования в уравнении (8) не приводит к другому решению для обобщенной массы тона.A change in the method for describing the damping forces in equation (8) does not lead to another solution for the generalized tone mass.
В таком способе оценки обобщенных параметров не участвует собственная частота тона, которая определяется в модальных испытаниях независимо и с высокой точностью. Поэтому собственная частота используется для контроля достоверности обобщенных масс и обобщенных жесткостей.The natural tone frequency, which is determined independently and with high accuracy in modal tests, is not involved in this method of estimating generalized parameters. Therefore, the natural frequency is used to control the reliability of generalized masses and generalized stiffnesses.
Способы определения параметров по результатам испытаний проверяются на чувствительность к погрешностям измерений в экспериментальных данных. Наибольшей чувствительностью к погрешностям измерений в модальных испытаниях обладают способы определения обобщенных масс. Оценка влияния случайных ошибок измерений на точность расчета обобщенных масс предлагаемым способом производилась методом статистического моделирования. Исследовалось влияние только погрешностей измерений амплитуд колебаний, так как современное оборудование позволяет поддерживать частоту вынужденных колебаний с большой точностью (до сотых долей процентов), а отклонения в задаваемых величинах сил возбуждения можно (в рассматриваемом случае линейных систем) учесть в точности определения перемещений.Methods for determining parameters from the test results are checked for sensitivity to measurement errors in the experimental data. The most sensitive to measurement errors in modal tests are the methods for determining the generalized masses. The influence of random measurement errors on the accuracy of calculating the generalized masses by the proposed method was estimated by the method of statistical modeling. We studied the influence of only measurement errors of vibration amplitudes, since modern equipment allows us to maintain the frequency of forced vibrations with high accuracy (up to hundredths of a percent), and deviations in the given values of the excitation forces can (in the case of linear systems under consideration) be taken into account in the accuracy of determining displacements.
Ошибки измерений амплитуд колебаний считались распределенными по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием. На фиг. 1 показаны результаты оценки относительной погрешности определения обобщенной массы ε a для различного числа М точек амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), участвующих в расчете массы. Видно, что обобщенную массу можно вычислить с высокой точностью даже при больших погрешностях измерения амплитуд колебаний εy, если учесть в расчете достаточное число точек АЧХ. Так при εy=10% величина ε a =5% достигается при М=9, а при М=20-ε a =2,5%. Низкая чувствительность предлагаемого способа объясняется тем, что расчет параметров собственных тонов колебаний производится по амплитудам колебаний конструкции, которые максимальны вблизи частот фазовых резонансов и могут быть измерены с достаточной точностью.Errors in measuring the amplitudes of oscillations were considered distributed according to the normal law with zero mathematical expectation. In FIG. Figure 1 shows the results of evaluating the relative error in determining the generalized mass ε a for a different number M of points of the amplitude-frequency characteristic (AFC) involved in calculating the mass. It is seen that the generalized mass can be calculated with high accuracy even with large errors in measuring the vibration amplitudes ε y , if we take into account a sufficient number of frequency response points in the calculation. So at ε y = 10%, the value ε a = 5% is achieved at M = 9, and at M = 20-ε a = 2.5%. The low sensitivity of the proposed method is explained by the fact that the calculation of the parameters of the natural vibration tones is performed according to the vibration amplitudes of the structure, which are maximum near the phase resonance frequencies and can be measured with sufficient accuracy.
Итак, обобщенные массы и обобщенные коэффициенты демпфирования тонов определены, если колебания по собственным тонам описываются линейными осцилляторами.So, the generalized masses and the generalized coefficients of damping tones are determined if the oscillations in their own tones are described by linear oscillators.
Если в окрестности частоты фазового резонанса монофазные колебания не совпадают с собственными, то демпфирование тона нельзя описать обобщенным коэффициентом, а для определения обобщенной массы используют немонофазное возбуждение. Квадратурную составляющую возбуждения вводят из условия, что монофазные колебания совпадают с собственными в окрестности частоты фазового резонанса:If in the vicinity of the phase resonance frequency the monophasic oscillations do not coincide with the natural ones, then the tone damping cannot be described by a generalized coefficient, and nonmonophasic excitation is used to determine the generalized mass. The quadrature component of the excitation is introduced from the condition that monophasic oscillations coincide with their own in the vicinity of the phase resonance frequency:
, . , .
Здесь вектор и матрица определены на частоте фазового резонанса. Обобщенную массу тона рассчитывают по формуле:Here is the vector and matrix determined at the phase resonance frequency. The generalized mass of the tone is calculated by the formula:
. .
Относительно свойств демпфирования отмечают существование связи между матрицами А, С и Н:Regarding the damping properties, the existence of a connection between the matrices A, C, and H is noted:
. .
Кроме того, ,Besides, ,
и в случае симметрии матрицы матрица демпфирования симметрична.and in the case of matrix symmetry the damping matrix is symmetrical.
Устройством для реализации данного способа определения обобщенных характеристик собственных тонов колебаний конструкций является традиционная многоканальная система возбуждения и измерения колебаний.A device for implementing this method of determining the generalized characteristics of the intrinsic vibrations of structures is a traditional multi-channel system of excitation and measurement of vibrations.
Достоверность определяемых предложенным способом обобщенных характеристик собственных тонов колебаний подтверждена результатами модальных испытаний динамически подобной модели самолета Ту-334 и натурных изделий Су-30 и Як-152.The reliability of the generalized characteristics of the natural vibration tones determined by the proposed method is confirmed by the results of modal tests of a dynamically similar model of the Tu-334 aircraft and full-scale products Su-30 and Yak-152.
На фиг. 2 показан пример зависимостей параметра монофазных колебаний λ для нескольких точек изделия Су-30 в окрестности частот фазовых резонансов. При этом формы монофазных колебаний сохраняются и совпадают с собственными формами колебаний.In FIG. Figure 2 shows an example of the dependences of the parameter of monophasic oscillations λ for several points of the Su-30 product in the vicinity of the phase resonance frequencies. In this case, the forms of monophasic vibrations are preserved and coincide with their own forms of vibrations.
На фиг. 3 показан пример экспериментальных АЧХ и расчетных АЧХ, построенных по обобщенным характеристикам собственных тонов колебаний.In FIG. Figure 3 shows an example of experimental frequency response and calculated frequency response, based on the generalized characteristics of the natural oscillation tones.
Результаты испытаний представлены также в таблице 1, в первом столбце которой приведены условные номера тонов, а Δр определяет различие расчетных и экспериментальных собственных частот колебаний.The test results are also presented in table 1, in the first column of which are given the conditional number of tones, and Δp determines the difference between the calculated and experimental natural frequencies of vibrations.
Полученные результаты показали, что предлагаемый способ позволяет определять обобщенные массы, обобщенные жесткости и характеристики демпфирования собственных тонов колебаний объектов испытаний с высокой точностью.The obtained results showed that the proposed method allows to determine the generalized masses, generalized stiffness and damping characteristics of the natural vibration tones of the test objects with high accuracy.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017119498A RU2658125C1 (en) | 2017-06-02 | 2017-06-02 | Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017119498A RU2658125C1 (en) | 2017-06-02 | 2017-06-02 | Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2658125C1 true RU2658125C1 (en) | 2018-06-19 |
Family
ID=62620098
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017119498A RU2658125C1 (en) | 2017-06-02 | 2017-06-02 | Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2658125C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728329C1 (en) * | 2019-06-19 | 2020-07-29 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method for determining natural frequencies and vibration modes of free structure from test results of this design with superimposed links |
RU2758152C1 (en) * | 2020-08-20 | 2021-10-26 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method for determining generalised parameters of oscillations of structures by frequency characteristics |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2058022C1 (en) * | 1992-01-22 | 1996-04-10 | Рыбинская государственная авиационная технологическая академия | Method for determination of elastic construction mass equivalent that corresponds to excitation point and observation point |
RU2104508C1 (en) * | 1995-06-16 | 1998-02-10 | Бодров Валерий Владимирович | Process of dynamic test of large-scale structures |
RU2308687C2 (en) * | 2005-10-13 | 2007-10-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Method of measuring natural vibration of flexible structure |
US20090204355A1 (en) * | 2006-06-27 | 2009-08-13 | Ata Engineering, Inc. | Methods and apparatus for modal parameter estimation |
RU2485468C1 (en) * | 2012-05-30 | 2013-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Bench to define frequencies of internal oscillatons and generalised mass of tested object, eliminating impact of movable masses of vibrator at determined characteristics |
RU2489696C1 (en) * | 2012-03-20 | 2013-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Method for determining free frequencies and generalised masses of vibrating structures |
RU2499239C1 (en) * | 2012-05-30 | 2013-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Method for experimental detection of frequencies and generalised masses of internal oscillations of tested object |
-
2017
- 2017-06-02 RU RU2017119498A patent/RU2658125C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2058022C1 (en) * | 1992-01-22 | 1996-04-10 | Рыбинская государственная авиационная технологическая академия | Method for determination of elastic construction mass equivalent that corresponds to excitation point and observation point |
RU2104508C1 (en) * | 1995-06-16 | 1998-02-10 | Бодров Валерий Владимирович | Process of dynamic test of large-scale structures |
RU2308687C2 (en) * | 2005-10-13 | 2007-10-20 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" | Method of measuring natural vibration of flexible structure |
US20090204355A1 (en) * | 2006-06-27 | 2009-08-13 | Ata Engineering, Inc. | Methods and apparatus for modal parameter estimation |
RU2489696C1 (en) * | 2012-03-20 | 2013-08-10 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Method for determining free frequencies and generalised masses of vibrating structures |
RU2485468C1 (en) * | 2012-05-30 | 2013-06-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Bench to define frequencies of internal oscillatons and generalised mass of tested object, eliminating impact of movable masses of vibrator at determined characteristics |
RU2499239C1 (en) * | 2012-05-30 | 2013-11-20 | Открытое Акционерное Общество "Государственное Машиностроительное Конструкторское Бюро "Радуга" Имени А.Я. Березняка" | Method for experimental detection of frequencies and generalised masses of internal oscillations of tested object |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
Бернс В.А. Диагностика и контроль технического состояния самолетов по результатам резонансных испытаний // Новосибирск: НГТУ, 2012 (с. 39-63, 129-131). * |
БЕРНС В.А. и др. Идентификация диссипативных свойств конструкций по результатам экспериментального модального анализа // ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. N 4. * |
БЕРНС В.А. и др. Идентификация диссипативных свойств конструкций по результатам экспериментального модального анализа // ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2016. N 4. БЕРНС В.А. Определение обобщенных масс собственных тонов колебаний конструкций по амплитудным значениям перемещений // Научный вестник НГТУ. - 2010. - N 4(41). Брянцев Б.Д. Применение ивк mic-300м+ для модального анализа динамических систем // Конференция по измерительной технике КИМИЛА-2014 (с. 9). * |
БЕРНС В.А. Определение обобщенных масс собственных тонов колебаний конструкций по амплитудным значениям перемещений // Научный вестник НГТУ. - 2010. - N 4(41). * |
Брянцев Б.Д. Применение ивк mic-300м+ для модального анализа динамических систем // Конференция по измерительной технике КИМИЛА-2014 (с. 9). * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2728329C1 (en) * | 2019-06-19 | 2020-07-29 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Method for determining natural frequencies and vibration modes of free structure from test results of this design with superimposed links |
RU2758152C1 (en) * | 2020-08-20 | 2021-10-26 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method for determining generalised parameters of oscillations of structures by frequency characteristics |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Amiri et al. | Derivation of a new parametric impulse response matrix utilized for nodal wind load identification by response measurement | |
JP2016103101A (en) | Aseismic analysis apparatus, method and program | |
RU2658125C1 (en) | Method for determining parameters of natural tones of structure vibrations in resonant tests | |
Van De Ridder et al. | Quantification of the influence of external vibrations on the measurement error of a Coriolis mass-flow meter | |
Concha et al. | Simultaneous parameter and state estimation of shear buildings | |
JP2016080538A (en) | Vibration testing device, vibration testing method | |
Klaus et al. | Dynamic torque calibration by means of model parameter identification | |
Rensing et al. | Coriolis flowmeter verification via embedded modal analysis | |
CN108573084B (en) | Environmental vibration test method and system | |
Hessling | Dynamic calibration of uni-axial material testing machines | |
Šiaudinytė et al. | Modal analysis and experimental research into improved centering–leveling devices | |
Karle et al. | An analysis of transducer mass loading effect inshaker testing | |
Lorentzon et al. | On stability and relaxation techniques for partitioned fluid‐structure interaction simulations | |
RU2544308C2 (en) | Method for determining parameters of wave solid-state gyroscope | |
Tang et al. | An improved scale factor calibration model of MEMS gyroscopes | |
Klaus et al. | Model parameter identification from measurement data for dynamic torque calibration | |
RU2643191C1 (en) | Test bench for vibration isolators resilient elements testing | |
Chikovani et al. | Vibratory gyroscope scale factor multi-parametric calibration | |
RU2605504C1 (en) | Test bench for vibration isolators resilient elements testing | |
CN110398331A (en) | Vibratory response frequency domain prediction method and device based on offset minimum binary | |
Malekjafarian et al. | Identification of inertia properties from the results of output-only modal analysis | |
JP2003161670A (en) | Evaluation method for response and feature for auxiliary vibration table | |
Betti | Time-domain identification of structural systems from input-output measurements | |
Prokudina et al. | Method for Finding Phase Difference by Numerical Simulation of Tube Element Vibrations | |
Lyapin et al. | On the application of genetic algorithms and gradient methods to the problem of the reconstruction of the initial stress field in a poroelastic inhomogeneous column |