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1 引言

大阻尼、大型结构的模态参数识别是近年来研究的热点。大型基础的模态试验通常存在两个难题：一是如何对结构施加激励；二是如何拾取微弱的响应信号^[1]。通常，微弱响应信号可以通过高灵敏度的传感器和动态范围高的采集仪来拾取；对质量在20吨以下的结构采用高弹性聚能力锤对结构进行激励，而对质量更大的结构件则采用“环境激励”的方式来对被测结构施加激励。而本文的测试对象由于其1700吨的大质量且因其结构阻尼很大（设计阻尼约50%），若用环境激励则存在相干性差的问题，在此采用“高弹性聚能力锤”加多个配重块“重锤轻敲”的方式对其进行激励，得到较好的激励和响应信号。同时，由于其质量很大，采用MIMO方式采样得到了较理想的模态试验结果。本文对此类大型、大阻尼结构的模态试验方法从采样方式、激励方式、参数设置、模态拟合等关键技术进行了全面的探讨分析，为今后大型、大阻尼结构的模态测试的研究提供指导。

2 模态分析原理

模态分析实质上是一种坐标变换，其目的在于把原物理坐标系统中描述的相应向量，转换到“模态坐标系统”中来描述，模态试验就是通过对结构或部件的试验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”。

一般结构都为有阻尼的多自由度振动系统，其力学模型可以用式（1）来表示，主要通过传递函数来对模态参数进行识别，其表达式为式（2）。

3 大型结构模态测试技术

3.1 试验模型

试验对象为大阻尼振动台基础，其外部尺寸为15m×12m×5m，重约1700吨，设计阻尼约50%，内部中空，如图1所示。

  （a）振动基础示意图                                                                         （b） 大阻尼振动基础三视图

                   图1 振动台基础示意图

3.2 测试设备

本次试验所用设备采用北京东方振动和噪声技术研究所研制的INV3060S型24位智能信号采集仪、891-II型拾振器和DFC-1型力锤及配重块等及其它设备，测试系统连接图如图2所示。   

            图2 振动测试系统连接图

3.3 试验方法

（1）试验方法

本次试验的被测结构具有大阻尼、大质量等特点，选择MIMO方式进行试验，MIMO方式不仅可保证每一测点有响应，还可抵消非线性部分；试验过程中采用力锤激励，传感器固定的方式进行采样；为提供足够的激励能量，增加接触时间，选用加装大质量配重块的DFC-1型高弹性聚能力锤，采用“重锤轻敲”方式进行激励。针对此次测试，采样频率Fs=1280Hz，变时基16倍，采样点数1024。

（2）测点布置

根据本次试验中大阻尼振动台的结构特征以及振动台的振型特点，选择在振动台上表面的四个角以及长边的中点、振动基础内腔底面的四个角以及长边的中点，共12个位置布置传感器，具体测点布置方案如图3所示。

 

    （a）振动测点布置示意图                                                     （b）振动测点布置现场示意图

                    图3 振动测点布置示意图

3.4 振动台基础模态测试过程

本次测试分为预实验和正式试验，通过预实验以确定合理的采样参数；正式试验中选择振动台基础上表面的4、6、7、9四个测点作为参考点，进行采样。如图4（a）、（b）所示分别为激励信号和响应信号的时域波形。

    （a）振动测点布置示意图                                                 （b）振动测点布置现场示意图

                    图4 振动测点布置示意图

4 模态参数识别

通过试验测试得到激励信号和各测点的响应信号，由于模态频率较密集、频域法识别有难度，使用DASP模态分析软件中的特征系统实现算法（ERA）进行模态参数识别^[3]，可得到较为满意的结果，其频响函数如图5所示。

                    图5 频响函数图

对测试数据模态拟合，得到大阻尼振动基础的前四阶模态，其模态频率和阻尼表1所示，其模态振型如图6所示。

表1 大阻尼振动台基础前四阶模态频率和阻尼

阶数	频率(Hz)	阻尼(%)	振型描述
1	6.418	62.953	一阶上下沉浮
2	11.827	40.483	二阶前后点头
3	15.926	30.850	三阶左右侧翻
4	25.668	38.90	四阶弹性体模态

   （a）一阶振型——沉浮                                                              （b）二阶振型——点头

           （c）三阶振型——侧翻                                                             （d）四阶振型——弹性体模态

                        图6 前四阶振型图

5 结论

通过对该1700吨大阻尼振动台基础进行模态测试与分析，得出如下结论：

（1）通过对大阻尼基础进行试验模态分析，获得结构的前四阶模态；

（2）振动台基础前三阶模态为刚体模态，具体为：一阶为上下点头，二阶为前后点头，三阶为左右侧翻；四阶为弹性体模态。

 

参考文献

[1] 徐有刚，张文平等.大型结构件模态试验方法[J].科学技术与工程，2007,13（7）：3231-3234.

[2] 沃德˙海伦等.模态分析理论与试验[M].北京：北京理工大学出版社，2001.

[3] 刘进明，应怀樵等MIMO频响函数和脉冲响应函数的精确算法[C].现代振动与噪声技术，2010,8（8）：425-431.