COINV大型結構錘擊激勵的變時基技術

基于變時基和聚能力錘兩項專利 2015-01-01 16:01:10 閱讀次數:7120

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摘要:本文介紹了使用錘擊激勵方法進行大型低頻結構動力學試驗的創新技術,其基于兩項專利技術實現,一項為變時基傳遞函數分析技術,另一項為彈性聚能力錘激勵技術。該技術實現大型結構錘擊激勵,具有操作簡便、節省時間、成本低的特點,此外錘擊模态試驗可獲得完整的模态參數,這是環境激勵模态所不能實現的。

關鍵詞:大型結構,錘擊,變時基,聚能力錘



一、應用背景及問題

對大型低頻結構,由于其質量大、頻率低,一般難以使用錘擊等脈沖激勵試驗。但是錘擊法不僅操作簡便、效率高、時間短、成本低,而且相對于環境激勵方法,還可獲取完整的模态參數。因此研究大型低頻結構的錘擊試驗技術,具有非常重要的意義,和非常實用的應用價值。

本項技術在2005年“大型結構錘擊法變時基模态分析新技術研讨評議會”上被評價為“達到國際領先水平,彌補了大型結構錘擊法模态試驗技術中的空白”。


在脈沖激勵大型低頻結構中存在的一對矛盾:

  • 激勵信号:脈沖形式,需要較大的采樣頻率進行采樣,保證脈沖信号準确

  • 響應信号:低頻振動,需要較低的采樣頻率,保證較好的頻率分辨率


傳統的等時基傳遞函數做瞬态激勵傳函分析時,激勵與響應之間,特征時間與特征頻率的差異太大,激勵是mS級的,響應是幾百mS級到秒級,因而就存在頻率分辨力(采樣頻率越低,分辨力越高)和時域波形精度(采樣頻率越高,時域波形精度越高)這一對無法克服的矛盾。

由于脈沖激勵信号作用時間較短,為了确保頻率分辨力,采樣頻率不能太高,從而可能導緻以下幾種情況:⑴采到的激勵信号偏大;⑵采到的激勵信号偏小; ⑶激勵信号沒有采上。

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圖1采樣頻率不夠高時,無法準确測量脈沖信号

 

二、變時基解決方法

變時基傳遞函數的測量和計算

  • 測量時:使用高頻采集激勵信号,使用低頻采集響應信号

  • 計算時:使用變時基細化傳函計算方法


本技術已經取得編号為“ZL 9110388.2”的“脈沖激勵與系統響應變時基導納測量方法”的國家發明專利。


對于脈沖激勵系統,低頻段的傳遞函數具有時間分辨率和頻率分辨率之間的一個矛盾。對于輸入信号x(t) ( 即力脈沖信号 ),需要一個較高的采樣頻率,以保證力脈沖能被準确地采樣。但是,如果測試對象為一個大型結構,則輸出信号y(t) (即結構的響應信号) 的頻譜具有窄帶和低頻的特性。因此對于響應信号則需要一個較低的采樣頻率進行采樣以保證低頻處的頻率分辨率。為解決這個問題,應懷樵教授提出了一個新的方法—變時基(VTB)傳遞函數細化分析方法。該方法是基于一種特殊的采樣方式,即變時基采樣。通常, x(t) 和 y(t) 需要用相同的采樣頻率進行采樣。而在變時基方法中,對于輸入信号和輸出信号的采樣頻率卻是不同的。例如,對力脈沖信号的采樣時間間隔為dt1, 對響應信号的采樣間隔為dt2.

              dt2 = m x dt1 

m 為變時倍數, 它可以是一個整數如2, 3 ,4 等等。

    當采樣N點後,脈沖信号的時間長度T1也就不同于響應信号的時間長度T2,

              T1 = N x dt1 ; T2 = N x dt2

相應的時間分辨率為:

             df1 = 1 / T1 , df2 = 1 / T2 

于是

             T2 = m x T1 , df1 = m x df2 

  dt1 比較小,因此力信号可以被準确地采樣。df2 比較小,因此響應信号的頻率分辨率就較好。由于兩個信号的采樣頻率不同,所以通常的傳遞函數分析方法就不再适用。變時基方法的長處在于它很好的低頻特性,尤其對于大型低頻結構。這是一個特殊的方法,已經獲得中國國家發明專利。 

圖 2 表示了變時基采樣的結果。對力信号的采樣頻率為1600Hz, 對響應信号的采樣頻率則為50Hz。所以

m = 32,

dt1 = 0.625ms,dt2 = 20ms, 

df1 = 1.5625Hz,df2 = 0.0488Hz.


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圖2 使用變時基方法測量的激勵力和振動響應時域波形,兩路信号采樣頻率是不同的


傳統的等時基傳遞函數分析方法進行大型結構模态分析,每次激勵的重複性差,需要進行12次以上的平均,相幹的函數的值都偏低。變時基傳遞函數分析,每次激勵的重複性好,隻需進行3次以上的平均,相幹的函數的值較高。表1為同樣條件下使用不同方法對一簡支梁的測試分析結果比較:


表1 等時基和變時基傳函分析幅值的穩定性對比

等時基兩次傳函主峰幅值比較變時基兩次傳函主峰幅值比較

頻率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

兩次比4.784.104.315.894.481.021.011.011.031.01


變時基技術改變了傳統的等時基采樣模态分析方法,獨創地解決了時間分辨率和頻率分辨率的矛盾,顯著提高測量結果的精度和穩定性。相對于傳統方法,大大節省了試驗時的人力物力,目前,此項技術結合彈性聚能力錘,已完成神舟飛船750噸移動發射平台模态試驗,長3捆大型運載火箭模态試驗,烏海黃河橋模态試驗,航天員超重訓練機模态試驗,東方紅機車頭模态試驗等數十項國家重點項目中,取得了非常好的效果。

 

三、彈性聚能力錘

通常力錘難以對大型結構進行激勵,原因在于激勵力的能量太小,并且頻譜具有寬帶的特性,使能量分散。

高彈性聚能力錘原理:加入彈性聚能裝置,使得激勵力的作用時間大大加長,作用時間可加長1倍以上。不加彈性聚能裝置,激勵力作用時間一般在2-7ms,加入彈性聚能裝置,作用時間可達21ms甚至更高。

本技術已經取得編号為“ZL 2011 2 0163125.8”的國家專利。


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圖3東方所的彈性聚能力錘的原理圖 (ZL 2011 2 0163125.8)


作用:通過作用時間加長,第一使激勵力的總能量增加,第二使能量集中到低頻部分。

例如,圖4和圖5為仿真的普通力錘激勵波形圖和頻譜圖,圖6和圖7為仿真的彈性聚能力錘激勵波形圖和頻譜圖。比較可見,在激勵力大小不變的情況下,通過彈性聚能裝置,使激勵力的作用時間成為普通力錘的3倍,則其總能量是原來的3倍左右。

比較兩者的功率譜圖,從橫坐标上可見其能量分布的帶寬隻有普通力錘的1/3,從縱坐标上可見在低頻段激勵的能量是原來的9倍,提高了将近一個數量級。

圖8和圖9則是使用大号彈性聚能力錘在烏海黃河鐵路橋上進行激勵的脈沖力波形和頻譜,其脈沖峰值達到1606kg,而且持續時間達到21ms,其頻譜能量主要集中在40Hz以下。

圖10為DFC-1型彈性聚能力錘的實物照片,圖11為使用該彈性聚能力錘在實際橋梁上進行錘擊試驗的現場照片。


VTB-4.JPG

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四、應用案例

4.1 烏海黃河鐵路大橋的錘擊激勵模态試驗

錘擊黃河橋-3.JPG


4.2 神舟飛船發射平台(750噸)的錘擊激勵試驗

神舟平台-1.JPG神舟平台-2.JPG  


4.3 航天員離心訓練機的錘擊模态試驗

離心機-1.JPG  離心機-3.JPG


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