一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試裝置及測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明適用于充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的試驗(yàn)分析，具體來說是一種采用力錘 激勵(lì)法測(cè)量充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)振型、相應(yīng)振動(dòng)頻率及模態(tài)阻尼的測(cè)試裝置及測(cè)試方 法，用以研究上述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并可用于指導(dǎo)和驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值仿真分析。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，飛艇憑借其在民用和軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用前景，成為了當(dāng)前世界各國(guó) 研究的焦點(diǎn)。其作為早期預(yù)警和超視距飛行平臺(tái)，具有其他飛行器無法比擬的優(yōu)勢(shì)。海灣 戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)通過裝備在平流層飛艇上的傳感設(shè)備首先發(fā)現(xiàn)伊拉克進(jìn)攻科威特的軍事行 動(dòng)。而在民用方面，飛艇平臺(tái)還能應(yīng)用于如災(zāi)害預(yù)警、氣象觀測(cè)和導(dǎo)航定位等諸多領(lǐng)域。飛 艇作為一種典型的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)，具備空中懸停能力強(qiáng)、能耗低、飛行時(shí)間久、有效載 重量大、航程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，比其他航空器更便于維護(hù)保養(yǎng)。為增加有效負(fù)載，飛艇的外蒙皮、 充放氣囊一般由輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性膜結(jié)構(gòu)組成。充氣柔性膜結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量輕，剛度弱且對(duì)載 荷敏感，因而其力學(xué)特性有三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，膜結(jié)構(gòu)的變形幾乎都是非線性大變形；第 二，充氣膜結(jié)構(gòu)與內(nèi)外部流場(chǎng)之間有相互耦合作用；第三，柔性飛艇結(jié)構(gòu)剛度低且阻尼小， 所以其固有頻率在較低范圍內(nèi)密集分布。
[0003] 正是由于以飛艇為典型代表的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的固有頻率偏低且結(jié)構(gòu)阻尼很 小，所以當(dāng)受到外界激勵(lì)激發(fā)振動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)阻尼無法有效減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)，容易造成結(jié)構(gòu)的 振動(dòng)破壞。因此，對(duì)充氣柔性結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。目 前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)充氣柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)研究開展了一系列的理論研究工作，主要集中在 兩方面：（1)由找形分析獲得充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的充氣平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和應(yīng)力分布， 再進(jìn)行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析；(2)由找力分析求解給定目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布，再計(jì) 算充氣柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和固有頻率。然而，關(guān)于充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的試驗(yàn)研 究還很有限，很難驗(yàn)證數(shù)值仿真研究結(jié)果的可信性和準(zhǔn)確性，還未見到公開發(fā)表的針對(duì)充 氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的簡(jiǎn)單、有效和易于操作的測(cè)試裝置和測(cè)試方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模 態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置和測(cè)試方法，為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的固有特性/振動(dòng)特性分析和安全使用 提供可靠的測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試 裝置，包括結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、充氣測(cè)壓系統(tǒng)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)。
[0006] 所述結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，充 氣測(cè)壓系統(tǒng)和試驗(yàn)對(duì)象（充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)）通過充氣軟管連接。
[0007] 結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)含4路控制通道，48路采樣通道，其采樣精度16位。包括信號(hào) 采集分析儀、帶SCSI接口的主機(jī)箱、ICP調(diào)制輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP數(shù)據(jù)處理器、信號(hào) 源輸出模塊、加速度計(jì)校準(zhǔn)器組成。結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)加速度傳感器輸出的加速度電信 號(hào)、力傳感器輸出的力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)存儲(chǔ)、信號(hào)的數(shù)模變換和參數(shù)計(jì)算與分析。
[0008] 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)包括激勵(lì)力錘和加速度傳感器，激勵(lì)力錘與結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分 析系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接，加速度傳感器貼于試驗(yàn)對(duì)象的薄膜結(jié)構(gòu)中部表面，同樣與結(jié)構(gòu)模 態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接。通過使用激勵(lì)力錘敲擊試驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)的表面，給試驗(yàn)對(duì)象施 加振動(dòng)激勵(lì)，同時(shí)將力傳感器接收到的激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電荷放大器傳入信號(hào) 采集分析儀。加速度傳感器將接收到的加速度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過電荷放大器傳入結(jié) 構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)中的信號(hào)采集分析儀。
[0009] 充氣測(cè)壓系統(tǒng)包括氣栗、微壓計(jì)以及軟管。其中氣栗用于對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行充氣加 載，微壓計(jì)用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部的氣壓，氣栗和實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及微壓計(jì)與實(shí)驗(yàn)對(duì)象均由軟 管相連接。
[0010] 試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)用于集成和調(diào)用結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)， 處理和顯示由加速度傳感器和力傳感器傳輸來的電信號(hào)，將采集到的加速度信號(hào)和力信 號(hào)，根據(jù)多參考最小二乘復(fù)頻域（LSCF)原理，生成頻響函數(shù)矩陣，經(jīng)過計(jì)算得到試驗(yàn)對(duì)象 的各階固有頻率及其模態(tài)參數(shù)，并同時(shí)作為計(jì)算結(jié)果的輸出顯示終端。
[0011] 進(jìn)一步的，加速度的測(cè)量采用單向加速度傳感器，其本身質(zhì)量不超過4g。
[0012] 進(jìn)一步的，試驗(yàn)前應(yīng)通過試敲，將信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，以合理配置力錘的頂 帽（擊打部位的材料）及錘頭質(zhì)量。
[0013] 進(jìn)一步的，試驗(yàn)前對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行通道檢查，每次測(cè)量單點(diǎn)的敲擊次數(shù)不少于3 次。
[0014] 另外，本發(fā)明還提供一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試方法， 步驟如下：
[0015] 步驟一：安裝試驗(yàn)對(duì)象；
[0016] 用柔性尼龍繩將試驗(yàn)對(duì)象的兩端分別連接固定，再將柔性尼龍繩懸掛在試驗(yàn)支架 上；
[0017] 步驟二：創(chuàng)建幾何并在氣囊上標(biāo)定測(cè)點(diǎn)；
[0018] 選擇坐標(biāo)系，創(chuàng)建氣囊上布置的測(cè)點(diǎn)，輸入測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，將測(cè)點(diǎn)連接形成網(wǎng)格面，同 時(shí)將測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)對(duì)象表面上進(jìn)行標(biāo)定；
[0019] 步驟三：通道連接和設(shè)置；
[0020] 創(chuàng)建模型幾何之后，布置加速度傳感器，將傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置連接，完成通道 設(shè)置和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并設(shè)定各傳感器參數(shù)；
[0021] 步驟四：傳感器靈敏度標(biāo)定；
[0022] 步驟五：錘擊示波；
[0023] 通過測(cè)試前的幾次錘擊，設(shè)置合理的量程范圍，提高測(cè)試結(jié)果精確性；
[0024] 步驟六：設(shè)置錘擊觸發(fā)級(jí)、帶寬、窗口以及錘擊點(diǎn)；
[0025] 步驟七：完成前述所有設(shè)置，開始模態(tài)測(cè)試；用力錘按順序依次敲擊結(jié)構(gòu)上已標(biāo) 定好的所有激勵(lì)點(diǎn)，每次敲擊之后，保存力信號(hào)和加速度信號(hào)；完成全部標(biāo)定點(diǎn)敲擊后，將 所有信號(hào)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理器，模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)通過信號(hào)數(shù)據(jù)建立頻響函數(shù)矩陣，進(jìn)而完成 模態(tài)參數(shù)識(shí)別，最終顯示各階模態(tài)振型，此外還可對(duì)前述所有設(shè)置進(jìn)行修改。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0027] 1、相對(duì)于其他模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法，本試驗(yàn)采用的模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法為多參考最小 二乘復(fù)頻域法（LSCF)，特別適合充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)這種小阻尼且固有頻率密集分布的結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)，提高了測(cè)試結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性；
[0028] 2、本發(fā)明由于配置了微壓計(jì)和充氣栗，可以對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的內(nèi)部壓強(qiáng)進(jìn)行連續(xù)調(diào) 節(jié)，從而方便研究不同充氣壓強(qiáng)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)固有特性的影響特點(diǎn)；
[0029] 3、本發(fā)明試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試方法使用便捷，只需在試驗(yàn)對(duì)象上粘貼兩個(gè)加 速度傳感器，無需使用應(yīng)變片和過多的加速度傳感器。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2為本發(fā)明模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)；
[0032] 圖3為本發(fā)明加速度傳感器實(shí)物圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明激勵(lì)力錘實(shí)物圖；
[0034] 圖5為試驗(yàn)對(duì)象橢球形薄膜氣囊實(shí)物圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明充氣橢球力錘激勵(lì)點(diǎn)布置圖（黑色點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)）；
[0036] 圖7為本發(fā)明試驗(yàn)測(cè)試的邊界條件示意圖；
[0037] 圖8為本發(fā)明試驗(yàn)測(cè)試的邊界條件實(shí)物圖；
[0038] 圖9為本發(fā)明模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試原理圖；
[0039] 圖10為本發(fā)明中錘擊激勵(lì)法測(cè)試裝置示意圖；
[0040] 圖1中附圖標(biāo)記含義為：
[0041] 1-力錘及力傳感器 2-加速度傳感器
[0042] 3-橢球形充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu) 4-電荷放大器
[0043] 5-結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng) 6-試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)
[0044] 7-微壓計(jì) 8_氣泵
[0045] 圖10中附圖標(biāo)記含義為：
[0046] 9-力傳感器 10-連接基座
[0047] 11-導(dǎo)線
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0049] 本發(fā)明是一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試裝置，如圖1 所示，包括結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)5,結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（力錘及力傳感器1、加速度傳感器 2)，充氣測(cè)壓系統(tǒng)（氣栗8、微壓計(jì)7)，試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)6,充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)3,電荷放大器4。
[0050] 如圖2所示，結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)包括信號(hào)采集分析儀、帶SCSI接口的主機(jī)箱、ICP 調(diào)制輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP數(shù)據(jù)處理器、信號(hào)源輸出模塊、加速度計(jì)校準(zhǔn)器。
[0051]如圖3所示，由導(dǎo)線連接的壓電式加速度傳感器裝置，其中加速度傳感器粘貼在 柔性薄膜結(jié)構(gòu)的中部表面，用于接收結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的加速度變化，加速度傳感器靈敏度為 104.lmv/g，同時(shí)將加速度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過傳感器后部的導(dǎo)線傳入結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系 統(tǒng)的信號(hào)采集分析儀。
[0052] 如圖4所示，激勵(lì)力錘裝置由力傳感器，壓電式力錘和導(dǎo)線組成，力錘靈敏度為 10mv/N。力傳感器安裝在力錘的前端，在敲擊時(shí)，首先由力錘的頂帽擊打氣囊結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的 力信號(hào)由力傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由導(dǎo)線傳入結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)采集分析儀。
[0053] 力錘激勵(lì)法在模態(tài)測(cè)試時(shí)需要提前布置和標(biāo)定