COINV大型结构锤击激励的变时基技术

基于变时基和聚能力锤两项专利 2015-01-01 16:01:10 阅读次数:5333

资源下载:


摘要:本文介绍了使用锤击激励方法进行大型低频结构动力学试验的创新技术,其基于两项专利技术实现,一项为变时基传递函数分析技术,另一项为弹性聚能力锤激励技术。该技术实现大型结构锤击激励,具有操作简便、节省时间、成本低的特点,此外锤击模态试验可获得完整的模态参数,这是环境激励模态所不能实现的。

关键词:大型结构,锤击,变时基,聚能力锤



一、应用背景及问题

对大型低频结构,由于其质量大、频率低,一般难以使用锤击等脉冲激励试验。但是锤击法不仅操作简便、效率高、时间短、成本低,而且相对于环境激励方法,还可获取完整的模态参数。因此研究大型低频结构的锤击试验技术,具有非常重要的意义,和非常实用的应用价值。

本项技术在2005年“大型结构锤击法变时基模态分析新技术研讨评议会”上被评价为“达到国际领先水平,弥补了大型结构锤击法模态试验技术中的空白”。


在脉冲激励大型低频结构中存在的一对矛盾:

  • 激励信号:脉冲形式,需要较大的采样频率进行采样,保证脉冲信号准确

  • 响应信号:低频振动,需要较低的采样频率,保证较好的频率分辨率


传统的等时基传递函数做瞬态激励传函分析时,激励与响应之间,特征时间与特征频率的差异太大,激励是mS级的,响应是几百mS级到秒级,因而就存在频率分辨力(采样频率越低,分辨力越高)和时域波形精度(采样频率越高,时域波形精度越高)这一对无法克服的矛盾。

由于脉冲激励信号作用时间较短,为了确保频率分辨力,采样频率不能太高,从而可能导致以下几种情况:⑴采到的激励信号偏大;⑵采到的激励信号偏小; ⑶激励信号没有采上。

VTB-1.JPG 

图1采样频率不够高时,无法准确测量脉冲信号

 

二、变时基解决方法

变时基传递函数的测量和计算

  • 测量时:使用高频采集激励信号,使用低频采集响应信号

  • 计算时:使用变时基细化传函计算方法


本技术已经取得编号为“ZL 9110388.2”的“脉冲激励与系统响应变时基导纳测量方法”的国家发明专利。


对于脉冲激励系统,低频段的传递函数具有时间分辨率和频率分辨率之间的一个矛盾。对于输入信号x(t) ( 即力脉冲信号 ),需要一个较高的采样频率,以保证力脉冲能被准确地采样。但是,如果测试对象为一个大型结构,则输出信号y(t) (即结构的响应信号) 的频谱具有窄带和低频的特性。因此对于响应信号则需要一个较低的采样频率进行采样以保证低频处的频率分辨率。为解决这个问题,应怀樵教授提出了一个新的方法—变时基(VTB)传递函数细化分析方法。该方法是基于一种特殊的采样方式,即变时基采样。通常, x(t) 和 y(t) 需要用相同的采样频率进行采样。而在变时基方法中,对于输入信号和输出信号的采样频率却是不同的。例如,对力脉冲信号的采样时间间隔为dt1, 对响应信号的采样间隔为dt2.

              dt2 = m x dt1 

m 为变时倍数, 它可以是一个整数如2, 3 ,4 等等。

    当采样N点后,脉冲信号的时间长度T1也就不同于响应信号的时间长度T2,

              T1 = N x dt1 ; T2 = N x dt2

相应的时间分辨率为:

             df1 = 1 / T1 , df2 = 1 / T2 

于是

             T2 = m x T1 , df1 = m x df2 

  dt1 比较小,因此力信号可以被准确地采样。df2 比较小,因此响应信号的频率分辨率就较好。由于两个信号的采样频率不同,所以通常的传递函数分析方法就不再适用。变时基方法的长处在于它很好的低频特性,尤其对于大型低频结构。这是一个特殊的方法,已经获得中国国家发明专利。 

图 2 表示了变时基采样的结果。对力信号的采样频率为1600Hz, 对响应信号的采样频率则为50Hz。所以

m = 32,

dt1 = 0.625ms,dt2 = 20ms, 

df1 = 1.5625Hz,df2 = 0.0488Hz.


VTB-2.JPG

图2 使用变时基方法测量的激励力和振动响应时域波形,两路信号采样频率是不同的


传统的等时基传递函数分析方法进行大型结构模态分析,每次激励的重复性差,需要进行12次以上的平均,相干的函数的值都偏低。变时基传递函数分析,每次激励的重复性好,只需进行3次以上的平均,相干的函数的值较高。表1为同样条件下使用不同方法对一简支梁的测试分析结果比较:


表1 等时基和变时基传函分析幅值的稳定性对比

等时基两次传函主峰幅值比较变时基两次传函主峰幅值比较

频率11.7295.70181.6312.5458.911.8195.49181.1312.1458.7

第一次17.011.411.09.3628.115.911.710.37.7725.3

第二次3.562.782.551.596.2715.611.610.27.5125.1

两次比4.784.104.315.894.481.021.011.011.031.01


变时基技术改变了传统的等时基采样模态分析方法,独创地解决了时间分辨率和频率分辨率的矛盾,显著提高测量结果的精度和稳定性。相对于传统方法,大大节省了试验时的人力物力,目前,此项技术结合弹性聚能力锤,已完成神舟飞船750吨移动发射平台模态试验,长3捆大型运载火箭模态试验,乌海黄河桥模态试验,航天员超重训练机模态试验,东方红机车头模态试验等数十项国家重点项目中,取得了非常好的效果。

 

三、弹性聚能力锤

通常力锤难以对大型结构进行激励,原因在于激励力的能量太小,并且频谱具有宽带的特性,使能量分散。

高弹性聚能力锤原理:加入弹性聚能装置,使得激励力的作用时间大大加长,作用时间可加长1倍以上。不加弹性聚能装置,激励力作用时间一般在2-7ms,加入弹性聚能装置,作用时间可达21ms甚至更高。

本技术已经取得编号为“ZL 2011 2 0163125.8”的国家专利。


VTB-3.JPG 

图3东方所的弹性聚能力锤的原理图 (ZL 2011 2 0163125.8)


作用:通过作用时间加长,第一使激励力的总能量增加,第二使能量集中到低频部分。

例如,图4和图5为仿真的普通力锤激励波形图和频谱图,图6和图7为仿真的弹性聚能力锤激励波形图和频谱图。比较可见,在激励力大小不变的情况下,通过弹性聚能装置,使激励力的作用时间成为普通力锤的3倍,则其总能量是原来的3倍左右。

比较两者的功率谱图,从横坐标上可见其能量分布的带宽只有普通力锤的1/3,从纵坐标上可见在低频段激励的能量是原来的9倍,提高了将近一个数量级。

图8和图9则是使用大号弹性聚能力锤在乌海黄河铁路桥上进行激励的脉冲力波形和频谱,其脉冲峰值达到1606kg,而且持续时间达到21ms,其频谱能量主要集中在40Hz以下。

图10为DFC-1型弹性聚能力锤的实物照片,图11为使用该弹性聚能力锤在实际桥梁上进行锤击试验的现场照片。


VTB-4.JPG

VTB-5.JPG

 

四、应用案例

4.1 乌海黄河铁路大桥的锤击激励模态试验

锤击黄河桥-3.JPG


4.2 神舟飞船发射平台(750吨)的锤击激励试验

神舟平台-1.JPG神舟平台-2.JPG  


4.3 航天员离心训练机的锤击模态试验

离心机-1.JPG  离心机-3.JPG


[END]