结构动力特性测试知识:频响函数测试技术的基本要点

 

所谓频响函数,全名频率响应函数。频响函数是复函数,它是被测系统的动力学特征在频域范围的描述,其实就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。本文和大家分享一下频响函数测试技术的基本要点。...

所谓频响函数,全名频率响应函数。频响函数是复函数,它是被测系统的动力学特征在频域范围的描述,其实就是被测系统本身对输入信号在频域中传递特性的描述。因此,频响函数对结构的动力特性测试具有特殊重要的意义。本文和大家分享一下频响函数测试技术的基本要点。

1


测试系统及设备



函数是结构系统的固有特性,但它可以通过作用于系统的激励和对应的响应来描述。定义为:
(1) 原理图
Hij为第j点单位激励在第i点的响应


Xi(ω)、Fj(ω)来确定结构的频响函数Hij,FRFs测试系统应包括:

  • 试验结构
  • 激励系统
  • 测量系统
  • 分析系统
  • 输出和记录系统
测试示意图
白车身结构测试现场及东华测试设备
(2) 激励系统 Excitation System

a. 稳态激励(Stationary Excitation):信号发生器(Source Generator)、功放(Power Amplifier)、激振器(Shaker、Actuator)

信号发生器:正弦(Sinusoidal)、随机(Random)、瞬态(Transient)

激振器:无台面、小推力。有台面的激振器通常称为振动台。

b. 冲击激励(Impact Excitation):力锤(Hammer),适用于小阻尼线性结构。还有夯锤、落锤、摆式冲击锤、小火箭等。

c. 脉动等(Enviromental Excitation):利用大地、地震、人工爆炸模拟地震风等条件引起的振动。
马鞍山长江大桥模态测试(利用环境脉动)


(3) 测量系统(MeasurementSystem) 

包括:传感器(IEPE传感器、电荷式传感器、磁电式传感器等)、测试仪器(包含信号调理器、放大器、A/D、DSP等)、软件(控制、采集、存储、分析)。

2


激励方式



(1) 步进式正弦激励(Step Sine Excitation)

单频率激励得到稳态响应。应该采取不等距步长的激励,在共振区,曲线变换剧烈,应该采用小步长,保证半功率点之间至少有3个采样点。在远离共振区,曲线变化平缓,可采用较大步长。输入信号应采用平顶窗(Flat Top)。
(2) 自动正弦扫描激励(Auto-Swept Sine Excitation)

不是稳定的响应。正扫描出现峰谷后移;反扫描出现峰谷前移;且峰谷变钝。因此,扫描速度不能太快,并采用峰值保持平均,必要时采用反扫描、正扫描相互校合。输入信号应采用平顶窗(Flat Top)。
(3) 随机激励(Random Excitation)

  • 纯随机(Random):应采用海宁窗(Hanning Window),难免泄漏(Leakage)
  • 伪随机(Pseudo Random周期随机):矩形窗(Rectangular),可无泄漏
  • 猝发随机(Burst Random):占空比(10%-100%)可调,与阻尼比有关。采用矩形窗,可无泄漏。
周期随机激励
(4) 冲击激励(Impact Excitation)

激励频率:
激励的时域波形近似半正弦,频谱为:
在分析频带内,各频率成份能够得到均匀的激励能量。激励的有效带宽BW应比分析频带稍宽,激励力在线性条件,应尽可能大些,提高激励和响应信号的信噪比。

激励力加截短的矩形窗(或力窗),响应加指数衰减窗(Exponential Window),可无泄漏。
求阻尼时应该扣除指数衰减窗的阻尼σ0 。

3


激振器的支撑



(1) 试件:

a. 自由支承(Free-Free Support) (最好)

无约束条件容易实现仿真计算,但需要进行移频处理。试验实现真正自由支承的方法有:气悬浮、磁悬浮、太空无重力环境、自由下落(失重状态)。

实际支承的最高刚体频率小于结构最低弹性频率的1 /5,即可减少基础模态(悬挂系统)对结构模态的影响,实现近似自由支承。因此对于低频模态(小于1Hz)要实现自由支承很困难,但对高频模态实现自由支承很容易。主要方法有:

  • 橡胶绳悬挂。要求橡胶绳足够长、足够软
  • 软弹簧支承。
  • 海绵垫、橡胶垫支承。
  • 空气弹簧。
例:154吨自卸车车架试验。弹性体基频约23Hz。若将车架直接放在枕木上,以为枕木支承比钢结构软很多,可以近似自由支承。实际上枕木支承的刚体频率高。实测中会影响了结构的第一、二阶模态。采用橡胶垫支承方,则刚体频率 8Hz,依然不满足自由支承条件,对结构弹性体模态基频有影响。最后采用空气弹簧支承方式,刚体频率 2.3Hz 满足自由支承条件,对结构弹性体模态没有影响。
钢结构圆管测试(悬挂)
b. 固支支承(Fixed-Fixed Support),又称地面支承

理论上容易实现,仿真计算时只需要将有关自由度约束即可。但实际操作有困难。由于实现固支条件的结构不可能是刚性的(有一定弹性),就要求支承结构的最低弹性体频率远高于试验结构的最高分析频率。因此要实现高频模态的固支支承是很困难的 一般情况下中小结构能够实现的固支频率大约是400Hz,特殊条件下小结构固支有可能超过1000Hz 但对大结构要实现固支支承很困难。
动车变压器模态测试(橡胶垫枕木支承、外部激振器激励)


(2) 激振器

  • 固支在结构物外。
  • 悬挂在结构物外(低频)。因使激振器悬挂系统的频率远低于结构的激励和弹性体共振频率。必要时可在激振器上附加大的质量块以进一步降低悬挂频率。
  • 采用隔振悬挂在结构物内部。

4


测点布置和激振点的选择



(1) 测点布置

  • 能够较好地反映结构物的构型
  • 能够充分显示结构的模态振型
例:一个梁单元无法求解简支梁的10个模态。计算上一般要求至少20个单元,计算出的20阶模态,只有前10阶准确。

(2) 激励点:应避开节点节线 多点激励进行校合。

(3) 激励力的选择:在不破坏试件的情况下,尽可能大的激励力,有助于提高信噪比。不同大小的激励力,可以定性考查结构非线性的程度。
大型机床模态测试(大批量测点充分显示结构的模态振型)


5


消除附加质量的影响



安装在结构上的传感器和激励环节均对结构产生附加质量,造成使测量结果与原结构的动特性之间的偏差。这种附加质量影响一般采用电路进行补偿。
施加在结构上的激励力fm,真正作用于结构的作用力为ft,应扣除响应传感器附加质量m2*和激振系统引入的附加质量m1*所消耗的惯性,即



本文内容综合自东华测试订阅号(ID:donghuatest)。

关联阅读:A锤击法测试中频率响应函数的相干问题探讨B传递函数、频率响应函数以及参数识别详解C支撑方式对于频率响应函数(FRF)测量的影响D传递函数和频响函数,以及它们彼此之间的关系
声明:本微信转载文章出于非商业性的教育和科研目的,并不意味着支持其观点或证实其内容的真实性。版权归原作者所有,如转载稿涉及版权等问题,请立即联系我们,我们会予以更改或删除相关文章,保证您的权利!


    关注 声振之家


微信扫一扫关注公众号

0 个评论

要回复文章请先登录注册