崔盼禮，李曉東，宋巧治

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

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基于非接觸激振的機(jī)翼模型模態(tài)測(cè)試

崔盼禮，李曉東，宋巧治

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

在輕質(zhì)試驗(yàn)件模態(tài)測(cè)試中采用非接觸激振，可以有效避免常規(guī)模態(tài)測(cè)試中激振器動(dòng)圈附加質(zhì)量和附加剛度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的影響，避免錘擊法引起的連擊、振型不連續(xù)和應(yīng)力集中等現(xiàn)象。本文主要介紹了非接觸激振力產(chǎn)生的原理，根據(jù)該原理設(shè)計(jì)了一套非接觸激振設(shè)施，并在一輕型機(jī)翼模型的模態(tài)測(cè)試中進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明，基于非接觸激振，測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，對(duì)于輕質(zhì)試驗(yàn)件及柔性飛機(jī)的模態(tài)測(cè)試具有一定的工程意義。

非接觸激振；模態(tài)測(cè)試；渦電流

1 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及工業(yè)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的重要性。所以，航空、航天飛行器的零部件及機(jī)載設(shè)備的模態(tài)試驗(yàn)顯得尤為重要，這些結(jié)構(gòu)都具有重量輕、柔性大等特點(diǎn)。對(duì)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試，傳統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試方法由于激振器附加質(zhì)量及附加剛度的影響，測(cè)試結(jié)果與理論值往往差別比較大，為有限元模型修改及后續(xù)其它計(jì)算帶來(lái)困難。

目前，對(duì)輕小部件一般都是采用敲擊激勵(lì)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，但是敲擊激勵(lì)存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，敲擊質(zhì)量因人而異，容易出現(xiàn)雙擊、振型不連續(xù)等現(xiàn)象，從而影響測(cè)試結(jié)果。還有不少學(xué)者嘗試用噪聲對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，但是該方法需要復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)，并且模態(tài)分析比較困難。非接觸激振利用時(shí)變磁場(chǎng)對(duì)導(dǎo)體的作用產(chǎn)生渦電流，閉合回路的渦電流在變化的磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，從而達(dá)到對(duì)試件激振的目的，可以有效避免常規(guī)方法中附加質(zhì)量和附加剛度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的影響，避免錘擊法引起的連擊、振型不連續(xù)及應(yīng)力集中等現(xiàn)象。

本文以機(jī)翼模型為研究對(duì)象，對(duì)該模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)特性計(jì)算，并分別利用非接觸激勵(lì)、敲擊激勵(lì)和接觸激勵(lì)等激勵(lì)方式測(cè)量了該模型的模態(tài)參數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為進(jìn)一步研究非接觸激振進(jìn)行模態(tài)測(cè)試打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)于輕質(zhì)試驗(yàn)件及柔性飛機(jī)的模態(tài)測(cè)試具有一定的工程意義。

2 非接觸激振技術(shù)原理

非接觸激振和電磁激振器產(chǎn)生激振力的原理是類(lèi)似的，不同的是非接觸激振使試件本身或者試件上的導(dǎo)電薄片產(chǎn)生渦電流，渦電流代替了電磁振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)圈電流，激振力直接作用在被試件上。非接觸激振力產(chǎn)生原理如圖1所示。當(dāng)永磁體以速度v向線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)時(shí)，線(xiàn)圈中的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E：

(1)

其中，φ=B*S，B為線(xiàn)圈處的磁感強(qiáng)度的有效值，S為線(xiàn)圈的有效面積，負(fù)號(hào)代表感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，如圖1(a)和圖1(b)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向是相反的。在圖1(a)中，線(xiàn)圈中的磁通量是增加的，由楞次定律可得，線(xiàn)圈產(chǎn)生的一個(gè)磁場(chǎng)阻礙原磁場(chǎng)的變化，由右手定則可得，產(chǎn)生的感應(yīng)電流為逆時(shí)針?lè)较?。在圖1(b)中，線(xiàn)圈中的磁通量減少，線(xiàn)圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和原磁場(chǎng)方向一樣的感應(yīng)磁場(chǎng)，由右手定則，感應(yīng)電流為順時(shí)針?lè)较颉?/p>

圖1 感應(yīng)電流的方向

線(xiàn)圈的電阻R為：

(2)

其中，R為電阻值，L為線(xiàn)圈長(zhǎng)度，Sr為線(xiàn)圈的橫截面積，γ為導(dǎo)電率。

閉合電路的歐姆定律為：

(3)

把(1)式和(2)式代入(3)式，得：

(4)

通電電流在磁場(chǎng)中切割磁感線(xiàn)，受到磁力作用，如圖2所示，作用在電流元上的安培力垂直方向的分力為dF，作用在線(xiàn)圈上的垂直方向的合力為：

(5)

式中，r為線(xiàn)圈半徑，θ為線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)方向與所切割磁感線(xiàn)的夾角。把(4)式代入(5)式，得：

(6)

圖2 通電電流在磁場(chǎng)中受到磁力

3 非接觸激振的實(shí)施

根據(jù)以上原理，非接觸激振設(shè)施主要是由導(dǎo)體、磁鐵、激振器、力傳感器和功放組成，具體如圖3所示。在一個(gè)電磁激振器連桿前連接一個(gè)磁鐵，在試驗(yàn)件上粘貼一個(gè)傳導(dǎo)材料，磁鐵與傳導(dǎo)材料之間留有一定的距離，通過(guò)激振器使磁鐵產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體材料上就會(huì)產(chǎn)生電渦流，從而在導(dǎo)體材料上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力。為了克服磁鐵與力傳感器的吸力，在磁體和傳感器之間用一根輕木頭連接。

圖3 非接觸激振的實(shí)施

4 機(jī)翼模型模態(tài)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)件及邊界條件

該機(jī)翼模型材料為硬鋁，為了便于測(cè)試，機(jī)翼翼根固支。機(jī)翼在正常情況下因重力作用發(fā)生彈性變形，從而存在預(yù)應(yīng)力，會(huì)影響模態(tài)的測(cè)試結(jié)果。為了減少預(yù)應(yīng)力的影響，使測(cè)試更加準(zhǔn)確，把機(jī)翼模型側(cè)立固支，如圖4所示。

圖4 機(jī)翼模型側(cè)立固支

4.2 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采用VXI模態(tài)分析系統(tǒng)測(cè)試。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、傳感器、力傳感器、力錘、永磁體等組成。試驗(yàn)軟件采用了I-DEAS模態(tài)測(cè)試分析軟件系統(tǒng)。圖5為非接觸激振照片，測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖見(jiàn)圖6。

圖5 非接觸激振力的施加

4.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)分別采用接觸、敲擊和非接觸激勵(lì)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，試驗(yàn)方法采用隨機(jī)激勵(lì)下的模態(tài)參數(shù)識(shí)別法，即測(cè)量頻響函數(shù)，然后通過(guò)頻響函數(shù)得到試驗(yàn)件的模態(tài)參數(shù)。3種激勵(lì)方式所測(cè)頻響函數(shù)見(jiàn)圖7。

圖7 不同激勵(lì)方式所測(cè)頻響函數(shù)

5 測(cè)試結(jié)果與分析

為了更好地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估分析，在進(jìn)行模態(tài)測(cè)試前，還進(jìn)了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果及不同激勵(lì)下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。3種激勵(lì)方式的振型一樣，見(jiàn)圖8，仿真計(jì)算振型圖見(jiàn)圖9。

圖8 機(jī)翼模型非接觸激振振型圖

圖9 機(jī)翼模型仿真計(jì)算振型圖

激勵(lì)方式第一階(Hz)第二階(Hz)第三階(Hz)第四階(Hz)接觸激勵(lì)2.1089.73120.23324.328敲擊激勵(lì)1.9779.26819.50524.115非接觸激勵(lì)1.9499.23620.58724.398理論計(jì)算1.9569.35820.83824.455

對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在建模的過(guò)程中會(huì)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化。同時(shí)，結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的非線(xiàn)性，計(jì)算結(jié)果要以實(shí)測(cè)結(jié)果為準(zhǔn)進(jìn)行修改有限元模型。但是對(duì)于類(lèi)似固支梁的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果也非常準(zhǔn)確。

以敲擊激勵(lì)的測(cè)試結(jié)果為基準(zhǔn)計(jì)算接觸激勵(lì)和非接觸激勵(lì)的測(cè)試頻率誤差，并進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2。從表2可以看出，非接觸激振方式10Hz以下誤差較小。

表2 兩種激勵(lì)方式測(cè)試頻率誤差對(duì)比

以理論計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)計(jì)算3種激勵(lì)方式的測(cè)試誤差，并進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。從表3可以看出，以理論計(jì)算結(jié)果為基準(zhǔn)，非接觸激振測(cè)試頻率誤差相當(dāng)小。

表3 三種激勵(lì)方式測(cè)試頻率誤差對(duì)比

6 結(jié) 論

非接觸激振已經(jīng)發(fā)展成為一種有效的激勵(lì)方式，以普通激振器做線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)，使磁體在離結(jié)構(gòu)一定的距離，以一定的速度運(yùn)動(dòng)，試件內(nèi)或者試件所粘貼的導(dǎo)體上產(chǎn)生渦電流，從而產(chǎn)生激振力。由于該種激勵(lì)方式產(chǎn)生的激振力與渦電流處磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)系，而渦電流處磁場(chǎng)強(qiáng)度與永磁體和試件的距離有關(guān)，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度與速度方向的夾角也與該距離有關(guān)，故該激振力不是一個(gè)線(xiàn)性的力，不適用于相位共振法，但適用于相位分離法。從測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，本文所采用的非接觸激振方式提供了理想的邊界條件，精度較高，是一種適用于輕小部件的理想的激勵(lì)方式。

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Modal Test for Wing Model based on non-Contact Excitation

Cui Panli, Li Xiaodong, Song Qiaozhi

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, Shaanxi, China)

In modal test, the non-contact exciting force is applied to lightweight structures, which can avoid the influence of added mass and added stiffness. Moreover, it can avoid the phenomenon of stress concentration and discontinuous vibration mode with hammer excitation. The basic principle of non-contact exciting force is introduced in the paper. According to the principle, a new device of implementing non-contact exciting force is developed, and the device is used in a wing model structure. The test results show the advantages of non-contact excitation.

non-contact excitation; model test; eddy current

2016-08-11

崔盼禮(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度測(cè)試研究。

V216.2+4

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.020