机械系统建模与仿真第三章.ppt

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试验结构的支撑方式,激励方式、装置和信号,激振器试验,测量系统,冲击试验,3.1试验结构的支撑方式,进行实验模态分析的第一步，是获得被测结构激励和响应的时域信号，即时间历程。

获得振动结构所受激励和振动响应的时域信号是振动测试技术的基本内容。

对一个确定的实验对象，一般的振动测试系统由以下三部分组成；激振部分，包括信号源、功率放大器、激振装置；拾振部分，包括力传感器、响应传感器、适调放大器；分析、显示、记录部分，包括各种分析仪及其外围设备（显示、记录仪器等）。

试验结构分为原型和模型两种。

不管是原型试验还是模型试验，试验结构边界条件都是要考虑的重要因素，不同边界条件的结构特性可能完全不同。

从力学意义上考虑，边界条件可分为几何边界条件、力边界条件、运动边界条件等；在模态实验中，对系统固有特性影响最大的是几何边界条件，也即试验结构的支撑条件。

支撑条件一般有自由支撑、固定支撑和原装支撑。

一、自由支撑,事实上，根难达到完全自由的约束状态。

为此，采用的支撑应尽量柔软，即具有较低的支撑刚度和阻尼。

这样的支撑称为自由支撑。

经常采用的方式有橡皮绳悬挂、弹簧悬挂、气垫支撑、空气弹簧支撑、螺旋弹簧支撑等等。

有些边界条件非完全自由而受弱约束的结构也可以采用自由支撑。

二、固定支撑,固定支撑用于结构承受刚性约束的情形，故又称刚性支撑，加高层建筑、大坝的模型试验需采用固定支撑。

三、原装支撑,原装支撑是广泛应用的一种支撑方式。

事实上，自由支撑和固定支撑都是原装支撑的特殊情况。

对完整结构来说，原装支撑是最优边界模拟。

以上三种支撑方式并无优劣之分，而是视具体问题而定。

3.2激励方式,在模态实验中，不同的参数识别方法对频响函数测试的要求不同，因而所选激励方式也不同。

一般来讲，激励方式有单点激励、多点激励和单点分区激励。

一、单点激励,单点激励是最简单、最常用的激励方式。

所谓单点激励，是指对测试结构一次只激励一个点的一个方向，而在其他任何坐标上均没有激励作用。

二、多点激励,多点激励是指对多个点同时施加激振力的激励方式。

显然，输入系统的激励能量会成倍增加，向时，也增加了激振的复杂性。

多点激励具有以下主要特点：

不易遗漏模态；输入能量大且传递均匀，获得的频响函数信噪比高；一次性获得频响函数矩阵，比单点激励分别求出的频响函数矩阵一致性要好。

三、单点分区激励,对较大型结构，采用多点激励能获得满意的频响函数。

然而，由于激励设备复杂，许多测试单位并不具备多点激励的条件。

为此，可采用单点分区激励技术。

单点分区激励的基本假设是，单点激励仍能激发出系统的各阶模态，但只在激振点附近的响应较大，远离激振点的响应可以较小。

该方法的基本思想是，将被测结构分成几个区，在每个区域内实施单点激励并测出该区内各点之间的频响函数；最后，再测出各区域激励点之间的频响函数，将各区频响函数联系起来。

各区频响函数组成整体结构的频响函数，以此识别整体模态振型。

用单点分区激励做模态分析的方法相当于在原装支撑下子结构模态综合法，但比一般的子结构方法要简单得多，且不存在联接条件处理上的误差，是一种值得推广的方法。

3.3激励装置,激励有人工激励和自激励（自然激励）。

人工激励即通常所说的激励，根据需要通过一定的激励装置施加于被测结构上。

自激励是施加于实体结构上的自然力，如风载荷、波浪载荷、机器运转时的动力源等等。

典型的激励装置有激振器系统、冲击锤、阶跃激励装置。

一、激振器系统,激振器一般必须与信号发生器、功率放大器一起组成激励系统才可使用。

激振器系统如图3-1所示。

图3-1激振器激励系统,二、冲击锤,冲击锤又称力锤，是模态实验中另一种常用的激励装置。

锤击激励提供的是一种瞬态激励，这种激励只需一把冲击锤即可实现。

冲击锤锤头可有不同的重量，以得到不同能量的激励信号。

冲击锤激励，使用方便、对工作环境适应性较强且能得到相当满意的结果，特别适于现场测试，故一般工程测试单位中均将锤击激励作为优先考虑的激励方式之一。

三、阶跃激励装置,阶跃激励是模态实验中特有的一种激励方式，它是通过突加或突卸力载荷（或位移）实现对系统的瞬态激励。

阶跃激励的特点是能给结构输入很大的能量，适于大型、重型结构的模态分析，一般只能激励出系统的较低几阶主振动。

3.4激励信号,模态实验中常用的激励信号分为稳态正弦信号、纯随机倍号、周期信号和瞬态信号。

一、稳态正弦信号,这是一种测量频率响应的经典方法，它提供给被测系统的激励信号是一个具有稳定幅值和频率的正弦信号，测出激励大小和响应大小，便可求出系统在该频率点处的频率响应的大小。

激励系统一般由正弦信号发生器、功率放大器和电磁激振器组成，测量系统由跟踪滤波器、峰值电压表和相位计组成。

二、纯随机信号,纯随机信号又称白噪声信号。

理论上的纯随机信号是具有高斯分布的白噪声，在整个时间历程上都是随机的，不具有周期性。

频率域上是一条平直的直线，包含0-的频率成分，且任何频率成分所包含的能量相等。

三、周期信号,模态实验中常用的周期信号有快速扫频正弦信号、伪随机信号和周期随机信号三种。

1快速扫频正弦信号它是一种典型的周期信号。

这种测试方法是使正弦激励信号在所需的频率范围内作快速扫描（在数秒钟内完成），激振信号频率在扫描周期T内成线性增加，而幅值保持恒定。

扫描信号的频谱曲线几乎是一根平坦的曲线，从而能达到宽频带激励的目的。

图3-2快速扫频正弦信号（a）线性扫频；（b）对数扫频,2伪随机信号它是一种有周期性的随机信号，它在一个周期内的信号是纯随机的，但各个周期内的信号是完全相同的。

这种方法的优点在于试验的可重复性。

将白噪声在T内截断，然后按周期T反复重复，即形成伪随机信号。

3周期随机信号它实际是一种统计特性变化的伪随机信号；在每个周期内，都是一种伪随机信号，但各个周期内的伪随机信号统计特性不同，即各周期内的伪随机信号互不相关。

周期随机信号综合了纯随机信号和伪随机信号的优点，既具周期性，又具随机性，从而也避免了两种信号的缺点。

瞬态信号的形式和产生方式有多种：

有信号发生器产生的扫频正弦猝发信号和随机猝发信号；有冲击锤产生的冲击信号和随机冲击信号；有阶跃激励装置产生的阶跃激励信号；有特殊装置如火箭筒产生的冲击信号等等。

由于瞬态信号包含较宽的激励力频率成分，且频率成分比较容易控制，故瞬态信号是模态实验中采用的主要激励方式之一。

猝发激励有两个特点：

一是仅在短暂时间内激励试验结构，具有周期激励的性质；二是在采样时间内，试验结构几乎消耗掉激励的全部能量，使自由响应趋于零。

四、瞬态信号,3-1,3.5测量系统,测量系统负责将被测机械量采集下来，转换成某种电信号，经前置放大和微积分变换，变成可供分析仪器使用的关心机械量的电压信号。

测量系统由传感器及其配套测量电路组成，如图3-2所示。

测量系统是整个动态测试系统的基本环节之一，直接关系到试验的成败和精度。

选择测量系统要考虑试验要求的频率范围、幅值量级、测量参数（位移、速度、加速度、力、应变等）及试验环境、测试条件等多种因素。

图33测量系统,分类：

接触式和非接触式按壳体的固定方式可分为相对式和绝对式。

机械振动是一种物理现象，而不是一个物理参数，和振动相关的物理量有振动位移、振动速度、振动加速度等，所以振动测试是对这些振动量的检测，它们反映了振动的强弱程度。

传感器传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

通常由敏感元件和转换元件组成（GB766-87）。

压电式传感器,1.变换原理:

压电效应,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。

压电效应,q=DF,压电式传感器,2、测量电路,a）电压放大器,压电式传感器,3应用,b）压力变送器,a）加速度计，力传感器,压电式传感器,压电式加速度传感器,按工作的原理可分为:

热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,电敏式,电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。

电阻式传感器,1）工作原理,金属应变片的电阻R为,电阻式传感器,

（1）金属应变片（不变）,

（2）半导体应变片（变化）,电阻式传感器,2）金属应变计,金属应变计有：

丝式和箔式优点：

稳定性和温度特性好.缺点：

灵敏度系数小.,应变计,电阻式传感器,3）半导体应变计,优点：

应变灵敏度大；体积小；能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：

温度稳定性和可重复性不如金属应变片。

电阻式传感器,德国HBM电阻应变式传感器,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。

磁电式传感器,1.变换原理:

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。

感应线圈的感应电动势U为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

2分类,磁电式传感器,3动圈式传感器,4磁阻式传感器,磁电式传感器,b）测速电机,a）磁电式车速传感器,5应用,传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。

a）灵敏度过高引起的干扰问题；b）量程范围；c）交叉灵敏度问题。

2线性范围,任何传感器都有一定的线性工作范围。

在线性范围内输出与输入成比例关系。

传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。

3响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。

实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。

4稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。

影响传感器稳定性的因素是时间与环境。

5精确度,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。

6测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。

例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。

电荷放大器,与压电式传感器配套的前置放大器有电压放大器和电荷放大器。

使用电压放大器时，由于加速度计电压灵敏度随引线长度改变而改变，给测试带来不便，故人们普遍采用电荷放大器作为压电式传感器的测量放大电路。

电荷放大器的核心是一个具有电容负反馈、且输入阻抗极高的高增益运算放大器。

如图3-4所示。

改变负反馈电容值，得到不同的增益即电压放大倍数。

此外，电荷放大器还设置有以下功能的电路。

1）低通和高通滤波电路,2）适调放大器,3）积分电路,测试时注意的问题,1传感器与电荷放大器之间电缆线的连接,图3-4电荷放大器基本原理框图,2测量系统的有效工作频率范围,图3-5传感器电缆的固定,图3-6测量系统的有效工作频率范围,3.噪声干扰的控制方法,在模态实验中，抑制噪声影响的途径有两类：

一是在测试系统中采用合理的减噪措施，二是在分析过程（动态测试后处理）中采用平均技术。

4传感器的优化配置,近年来，人们提出若干优化配置理论。

主要有：

基于动能原理，在动能较大坐标配置传感器；振型独立原理，即选择测点坐标振型矢量最大程度互不相关；振型缩聚原理，如上除有限元模型中刚度质量比较大坐标进行模型缩聚，以最大限度保留低频振型信息；频率响应函数向量线性独立原理，等等。

3.6激振器试验,激振器试验是模态实验的主要形式。

这种试验易于控制，测试速度快，得到广泛应用。

图3-6是单输入单输出激振器试验时间历程的测试框图。

图3-6单输入单输出激振器试验时间历程测试,激振器,电动式激振器,电液式激振器,为了使激振器的能量尽量用于激振对象的激励上,在激振时最好让激振器基座在空间基本上保持静止：

在高频激振时，往往用弹簧将激振器悬挂起来，降低安装的自然频率，使之低于激振频率的l3；在低频激振时，则将激振器的基座与静止的地基刚性相连，使安装的自然频率高于激振频率3倍以上。

激振器安装原则：

电动式激振器,冲击试验是单输入单输出模态实验的主要方法之一。

与激振器试验相比，其突出优点是激振设备简单，不需要支撑装置，对激振点的选择可以更加随意，特别适合于现场测试。

冲击试验的激振装置是冲击锤（力锤）。

冲击试验分单次冲击和随机冲志两种激励方式。

3.7冲击试验,3-7,