李智勞 楊文岐 李思宇（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西 西安 710065）

基于某大型結(jié)構(gòu)的工作模態(tài)方法研究

李智勞 楊文岐 李思宇（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西 西安 710065）

傳統(tǒng)的模態(tài)測(cè)試方法無(wú)法測(cè)試一些大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)。工作模態(tài)方法能夠在激勵(lì)未知的情況下，僅靠獲得的結(jié)構(gòu)響應(yīng)來(lái)識(shí)別結(jié)構(gòu)本身的模態(tài)。本文研究了工作模態(tài)方法對(duì)于大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試問(wèn)題。先從理論角度介紹了工作模態(tài)的測(cè)試原理，然后運(yùn)用工作模態(tài)方法測(cè)試了某大型結(jié)構(gòu)的模態(tài)，給出了測(cè)試結(jié)果。

模態(tài)測(cè)試；大型結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；工作模態(tài)

對(duì)于某些大型結(jié)構(gòu)，如鉆井平臺(tái)、高層建筑物、橋梁等，以現(xiàn)有的激勵(lì)手段難以進(jìn)行有效激勵(lì)，但為了獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法和激勵(lì)方式顯得比較困難。為了解決此類結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試問(wèn)題，本文開(kāi)展了工作模態(tài)分析法，來(lái)探索解決傳統(tǒng)模態(tài)試驗(yàn)方法遇到的無(wú)法進(jìn)行有效激勵(lì)和激勵(lì)難以獲得的問(wèn)題。在激勵(lì)未知的情況下，采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識(shí)別，能夠比較有效的解決輸入不可測(cè)問(wèn)題。

1 理論基礎(chǔ)

對(duì)自由度為n的線性系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)的k點(diǎn)受脈沖激勵(lì),i點(diǎn)的脈沖響應(yīng)xik(t)為:

式中,ξm、ωm、ωcm分別為系統(tǒng)第m階模態(tài)的阻尼比、圓頻率和有阻尼固有頻率，aikm為常數(shù)。

當(dāng)系統(tǒng)在k點(diǎn)受白噪聲激勵(lì)，i點(diǎn)的響應(yīng)xik(t)與j點(diǎn)響應(yīng)xjk(t)的相關(guān)函數(shù)Rijk(τ)：

式中,τ為采樣間隔，θm為第m階相位角，bikm為常數(shù)。

同樣當(dāng)系統(tǒng)有N點(diǎn)受白噪聲激勵(lì)，系統(tǒng)i點(diǎn)的響應(yīng)與j點(diǎn)響應(yīng)的相關(guān)函數(shù)Rij(τ)：

式中，cikm為常數(shù)。

工作模態(tài)法測(cè)試模態(tài)的過(guò)程為，先對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行采集,然后選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)作為參考點(diǎn)，計(jì)算其它測(cè)點(diǎn)與該參考點(diǎn)的互相關(guān)函數(shù),將計(jì)算的相關(guān)函數(shù)作為脈沖響應(yīng)函數(shù)并進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備在試驗(yàn)前都進(jìn)行了狀態(tài)確認(rèn)，以保證其處于正常工作狀態(tài)，見(jiàn)表1。試驗(yàn)中所有涉及測(cè)量的儀器，都經(jīng)過(guò)了計(jì)量校準(zhǔn)/檢定合格、且在有效期內(nèi)，并提供相應(yīng)校準(zhǔn)/檢定合格證書(shū)。

表1 計(jì)量?jī)x器清單

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)所測(cè)結(jié)構(gòu)為某大型工程結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時(shí)采用鐵制榔頭（16磅）進(jìn)行激勵(lì)，激勵(lì)時(shí)為了避免激起高頻響應(yīng)，采用橡膠材料包裹榔頭。試驗(yàn)過(guò)程中，用大力激勵(lì)10次，并采用MTSIDEAS軟件采集結(jié)構(gòu)響應(yīng)，進(jìn)行工作模態(tài)分析。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2：

表2 模態(tài)匯總

3 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的激勵(lì)方式包括力錘激勵(lì)和激振器激勵(lì)。然而，這兩種激勵(lì)方式對(duì)于一般結(jié)構(gòu)比較適用，也能夠獲得良好的激勵(lì)效果。對(duì)于一些大型結(jié)構(gòu)，力錘激勵(lì)和激振器激勵(lì)難以提供足夠大的能量，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)小，所采集的信號(hào)信噪比差，難以對(duì)模態(tài)進(jìn)行識(shí)別。本文給出了一種測(cè)試大型結(jié)構(gòu)模態(tài)的方法，對(duì)于某些傳統(tǒng)模態(tài)測(cè)試手段無(wú)法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試的結(jié)構(gòu)有重要工程價(jià)值。

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