王吉剛，朱宜生，錢文，孫成

（1.中國船舶重工集團第七二三研究所，揚州 225001；2.中國船舶工業(yè)電工設(shè)備環(huán)境與可靠性試驗檢測中心，揚州 225001）

引言

隨機振動篩選的頻率范圍在20 Hz～2 kHz之間，其中80～350 Hz為優(yōu)勢頻率段。振動工裝起到了傳遞的作用，將振動應(yīng)力不失真的傳遞給產(chǎn)品，這就要求振動工裝的共振頻率盡可能往高頻偏移，至少要避開優(yōu)勢頻率段。要檢查振動工裝的振型頻率，需將工裝剛性固定在振動臺面上，而振動臺面一階共振頻率通常都在1 kHz左右，如果通過振動臺輸出激勵信號來查找共振頻率，在大于1 kHz的頻段內(nèi)振動信號必將失真，從而影響了測試的準(zhǔn)確性。

模態(tài)試驗方法是將激振力直接傳遞給振動工裝，不會受到固定工裝臺面質(zhì)量的影響，不會影響工裝的動態(tài)特性，是一種較好的測量工裝高頻特性的試驗方法。

1 振動工裝模型

振動工裝外徑（x向、y向）750 mm，內(nèi)徑（x向、y向）350 mm，厚度（z向）25 mm，對于板狀工裝來說，板的厚度方向相對于徑向平面尺寸相差較大，因此我們可以將板狀工裝簡化成一個平面結(jié)構(gòu)，僅x、y平面方向布置測點，進(jìn)行模態(tài)試驗。在軟件的模態(tài)界面中，建立XY方向的平面模型，平面外徑750 mm、內(nèi)徑350 mm，將Z向作為激勵和響應(yīng)振動方向。測點數(shù)根據(jù)得到的模態(tài)的階數(shù)而定，測點數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結(jié)果才可信。此處考慮要獲得轉(zhuǎn)接板的前4階模態(tài)，將模型分成16段，如圖1所示。

圖1 振動工裝模型

2 試驗系統(tǒng)的建立

2.1 激勵系統(tǒng)的選擇

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的激勵裝置分為激振器激勵裝置和沖擊錘激勵裝置。

電磁式激振器激勵方式有線性掃頻正弦激勵、隨機激勵，適用于笨重、大型及阻尼大的試件。力錘激勵適用于結(jié)構(gòu)較小、阻尼不大的試件，錘頭帽的材質(zhì)有鋼質(zhì)、鋁制、尼龍、橡膠幾種，錘頭帽越硬，沖擊時間越短，力信號頻帶越寬，應(yīng)根據(jù)分析頻帶來選擇適當(dāng)?shù)腻N頭帽，此外在錘擊激勵的情況下，對力信號和響應(yīng)信號最好能加力窗或指數(shù)衰減窗，能夠有效提高信噪比。

由于振動工裝結(jié)構(gòu)較為簡單且體積較小，因此采用沖擊錘激勵裝置能夠滿足試驗的要求。圖2為試驗系統(tǒng)簡圖。

圖2 測試系統(tǒng)簡圖

2.2 傳感器的選擇與安裝

進(jìn)行模態(tài)試驗，力傳感器和加速度傳感器通常是必不可少的。當(dāng)沖擊錘敲擊振動工裝時，力傳感器測量系統(tǒng)的輸入力信號，加速度傳感器測量系統(tǒng)的輸出加速度信號。

力傳感器安裝在沖擊錘錘頭的一端，另一端安裝配重塊，用以調(diào)節(jié)錘體的重量。

加速度傳感器分為電荷型和電壓型。電荷型傳感器的主要優(yōu)點是動態(tài)范圍大，對溫濕度變化的影響較??；電壓型傳感器需要一個恒流源為其內(nèi)部電路供電，其內(nèi)部有集成電路，所以對溫濕度變化的影響比較大。表1分別列出了兩種加速度傳感器的主要特性，一般第一階共振頻率較高的壓電加速度計體積較小，質(zhì)量較輕，靈敏度也較低。

表1 電荷型與電壓型加速度傳感器特性

加速度傳感器的安裝方法有膠水連接、螺栓連接、磁鐵連接、雙面膠粘貼、蜂蠟粘接等。螺接方法效果最好（共振頻率大約30 kHz），但是要求在結(jié)構(gòu)上需要的地方打孔。磁鐵安裝很容易在結(jié)構(gòu)平面上移動，允許的最大頻率比前面兩種方法低4倍左右。膠水與薄層蜂蠟粘結(jié)安裝共振頻率30 kHz左右，要求平整光滑的安裝面。選用膠水連接的安裝方法比較簡便。

2.3 激振點與測點的確定

由于振動工裝為底面螺釘固定，呈圓形對稱結(jié)構(gòu)，因此將工裝進(jìn)行16等分，共確定32個測點，并在工裝表面按圖1的設(shè)計要求，分別標(biāo)上測點號。

本次模態(tài)試驗采取單點拾振法，在工裝第15測點處安裝電荷加速度傳感器作為拾振點；第1測點到第32測點（不含第15測點）為激勵點，使用沖擊錘從第1測點到第32測點依次進(jìn)行敲擊，用以獲得31個測點的頻響曲線。激勵點在選擇時應(yīng)考慮能激起各階模態(tài)為原則，避免選在結(jié)構(gòu)節(jié)點處，應(yīng)選在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)低階模態(tài)反節(jié)點處。

2.4 測試系統(tǒng)的連接

測試系統(tǒng)由沖擊錘、力傳感器、加速度傳感器、信號調(diào)理器、振動數(shù)據(jù)采集儀、振動工裝組成，系統(tǒng)組成詳見圖2。沖擊錘錘頭的力傳感器的信號線纜連接到振動數(shù)據(jù)采集儀的通道1，加速度傳感器粘貼在工裝的第15測點處，傳感器線纜連接到振動數(shù)據(jù)采集儀的通道2。

此外，力傳感器、加速度傳感器與信號調(diào)理器間傳感器線的連接同樣重要，盡量避免線纜與試件之間相對運動，避免線纜打結(jié)、嚴(yán)重擰轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，線纜用膠布固定于試件上或其它接觸面，避免腳踩或重壓。

3 振動工裝的安裝

模態(tài)試驗時，振動工裝的約束固定方式有自由狀態(tài)、剛性支撐狀態(tài)、實際使用狀態(tài)三種。自由狀態(tài)是用柔性吊繩或空氣彈簧將工裝支撐起來，能有效避免支撐剛度和環(huán)境的振動對測試結(jié)果的影響；剛性支撐狀態(tài)是將工裝剛性的固定在質(zhì)量大、剛度高的基礎(chǔ)上，分析低階模態(tài)精度較高，高階模態(tài)會因連接剛度變化和基礎(chǔ)影響而精度較低，重復(fù)性不好；實際使用狀態(tài)約束最接近于工裝在實際使用時的模態(tài)，但由于支撐剛度、邊界條件的隨機因素，測試的重復(fù)性不好，需要多次測量取平均值。

此次模態(tài)試驗的目的是測量振動工裝固定在振動臺面上的模態(tài)振型，采用實際使用狀態(tài)的約束固定方式是最合適的，如圖3所示，但要注意支撐剛度和約束的邊界條件與使用時保持一致。

圖3 振動工裝固定方式

4 試驗準(zhǔn)備

4.1 采集系統(tǒng)

振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要配置為一臺工作站連接一部多通道數(shù)據(jù)采集前端，數(shù)采前端能夠從4通道擴充到64通道，每個輸入通道都含有模擬信號適調(diào)模塊、可編程放大器、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器、可編程濾波器，另外，數(shù)采前端還具有一個或多個輸出模塊，以便隨機、猝發(fā)隨機、正弦等信號驅(qū)動一個或多個激振器。

振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在使用前應(yīng)經(jīng)過計量檢定且合格。完整而可靠的校準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)包括力和加速度傳感器、濾波器、放大器、信號適調(diào)器、數(shù)采前端等在內(nèi)的整個測量系統(tǒng)，校準(zhǔn)應(yīng)在需要測試的頻率范圍內(nèi)完成。特別注意的是力和加速度傳感器經(jīng)常遇到從高處墜落、力傳遞元件過載等狀況時，特性可能會改變，最好在每次試驗前重新校準(zhǔn)。

4.2 采集要求

模擬信號采樣前應(yīng)加模擬式抗混淆濾波器，濾波器的截止頻率應(yīng)大于最高分析頻率且應(yīng)盡量接近分析頻率，頻帶外的衰減率應(yīng)大于48 dB/Oct。采樣率fs應(yīng)根據(jù)所處理信號的類型、最高分析頻率fmax，硬件條件等來選擇，通常為：隨機數(shù)據(jù)：fs=（2.5~4）fmax，瞬態(tài)數(shù)據(jù)：fs=（5~10）fmax，正弦信號：fs=（5~100）fmax，采樣點數(shù)應(yīng)保證每幀信號為整周期。

為了控制分析頻率，減小數(shù)據(jù)處理誤差和提高分析結(jié)果的精度，每次模態(tài)分析試驗之前都要預(yù)處理：

1）正弦信號預(yù)處理

利用三角函數(shù)的正交特性，采用實、虛部分離計算法，即數(shù)字相關(guān)濾波法，計算出信號的實、虛部，直接計算輸入輸出的比值得到的頻響函數(shù)，加窗處理一般采用漢寧窗；

2）隨機信號的預(yù)處理

隨機信號首先進(jìn)行加窗處理，一般選用漢寧窗，再進(jìn)行FFT自譜、互譜分析，經(jīng)若干次平均，最后計算出頻響函數(shù)；

3）瞬態(tài)信號預(yù)處理

瞬態(tài)信號應(yīng)加力窗，響應(yīng)信號加指數(shù)窗進(jìn)行處理，再進(jìn)行FFT自譜、互譜分析，經(jīng)若干次平均，最后計算出頻響函數(shù)。

4.3 軟件參數(shù)設(shè)置

打開儀器電源，打開DHDAS軟件，連接成功后，進(jìn)入工程管理界面，新建一個工程文件，進(jìn)入測量界面，在測量、參數(shù)設(shè)置界面中，設(shè)置采樣頻率為10 kHz，力傳感器通道的量程范圍設(shè)置為5 000 N，加速度傳感器的量程范圍設(shè)置為100 g，此處需多次預(yù)測試，根據(jù)實際測量情況，最終選擇合適的力與加速度信號量程。力、加速度傳感器本身為電荷輸出型，在單獨使用時，需要先接入電荷調(diào)理器后才能再接入數(shù)據(jù)采集儀，因此力、加速度傳感器接入通道的輸入方式為AC耦合，接著輸入傳感器的靈敏度及工程單位。

進(jìn)入儲存規(guī)則界面，將存儲方式選擇為連續(xù)存儲。然后進(jìn)入信號處理界面，選擇頻響分析，點擊新建按鈕，進(jìn)行頻響分析的參數(shù)設(shè)置。

存儲方式為觸發(fā)，由于頻響分析是軟件的一個功能模塊，該處選擇觸發(fā)，表示為從連續(xù)采集的原始數(shù)據(jù)中，獲取滿足觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)。觸發(fā)方式默認(rèn)為信號觸發(fā)，通道選擇為AI1-01,即為力傳感器所接入的通道。觸發(fā)量級選擇10 %，表示當(dāng)系統(tǒng)測得力錘敲擊的力信號大于所設(shè)置量程的10 %時，頻響分析達(dá)到觸發(fā)條件，從而獲取數(shù)據(jù)。延遲點數(shù)選擇負(fù)延遲200點，分析點數(shù)選擇8192，該參數(shù)的大小會影響頻響曲線中的頻率分辨率，可根據(jù)實際測試情況調(diào)整。

平均方式為線性平均，平均次數(shù)為5次，即表示取5次頻響數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理得到的該測點最終的頻響曲線，若測試時間允許，可以再多進(jìn)行幾次取平均，以獲得更好的頻響曲線。

頻響類型設(shè)置為H1；數(shù)據(jù)過濾規(guī)則選擇：手動確認(rèn)/濾除。輸入通道添加為AI1-01，測點號為1，方向為Z+；輸出通道添加為AI1-02，測點號為15，方向為Z+。

設(shè)置完畢進(jìn)入測量界面,點擊頻響布局圖標(biāo)，新建2個實時記錄儀圖譜和4個2D圖譜窗口，如圖4所示，將6個圖譜的顯示信號，分別選擇AI1-01力信號、AI1-02加速度信號、AI1-01_trig力信號、AI1-02_trig加速度信號、頻響曲線、相干曲線進(jìn)行顯示。可以通過在圖形區(qū)設(shè)計界面中選擇數(shù)字表圖標(biāo)，用數(shù)字表來顯示平均次數(shù)的值。

圖4 頻響圖譜信號的選擇

5 頻響函數(shù)測量

5.1 頻響函數(shù)與相干函數(shù)

頻響函數(shù)是輸出信號與輸入信號的比值，當(dāng)用最小二乘近似方法估計頻響函數(shù)時，頻響函數(shù)用相關(guān)系數(shù)表示，即為相干函數(shù)。

相干函數(shù)在0～1之間變化。若相干函數(shù)等于1，表示輸入和輸出信號之間經(jīng)過平均后存在著良好的線性關(guān)系；若相干函數(shù)小于1，則有可能是在輸入信號和輸出信號測量中存在著噪聲、測量分析過程有泄露、系統(tǒng)因延遲為得到補償現(xiàn)象等。

頻響函數(shù)的估計方法有H1、H2、Hv等三種。H2估計法能夠?qū)⑼鈦碓肼晫敵龅挠绊憸p到最小，H1估計法能夠?qū)⑼鈦碓肼晫斎氲挠绊憸p到最小，而Hv估計法給出的是整個頻帶內(nèi)最好的估計，但要求的計算量比較大。在共振頻率附近，H2近似等于最佳Hv，在反共振頻率附近，H1近似等于最佳Hv。如果在共振頻率處存在泄漏問題，那么H2或Hv給出的估計都比H1好。

5.2 預(yù)采樣

在軟件示波狀態(tài)下，用沖擊力錘敲擊不同測點，觀察有無輸入輸出波形，如果沒有波形或者波形不正常，必須檢查儀器設(shè)備是否連接正確、傳感器線纜是否接通、傳感器、儀器的工作是否正常等，直至波形恢復(fù)正常為止。使用適當(dāng)?shù)牧η脫舨煌瑴y點，根據(jù)信號的大小調(diào)節(jié)量程范圍，確保輸入力波形和輸出響應(yīng)波形既不過載也不過小。該操作主要為觀察時間信號是否正常，若軟件出現(xiàn)保持提示，請不要保存數(shù)據(jù)。

5.3 正式采樣

點擊采集按鈕，新建測試文件，將文件命名為1，表示從第一個測點開始采集數(shù)據(jù)。

用力錘敲擊工裝第1個測點，DHDAS就能顯示出加速度與力信號波形，以及頻響函數(shù)、相干函數(shù)曲線，軟件跳出是否保存數(shù)據(jù)窗口，說明一次信號觸發(fā)完成。若果敲擊后無提示窗口，有可能錘擊力度不夠。點擊保存后，系統(tǒng)進(jìn)入第二次等待觸發(fā)的狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行第1測點的敲擊并獲得第二次觸發(fā)的頻響曲線，如此重復(fù)，直至系統(tǒng)完成5次信號觸發(fā)采集后即完成第一測點的頻響曲線的采集。點擊停止按鈕，完成第一個測點的采集。

力錘敲擊板時應(yīng)干凈利落，不要造成對工裝的多次連擊，否則會導(dǎo)致頻響曲線變差。如果需要手動確認(rèn)、濾除，每次敲擊后，軟件會提示是否保存此次的采集數(shù)據(jù)。對于每次采集的試驗數(shù)據(jù)，要根據(jù)錘擊信號無連擊，振動信號無過載的原則對激勵信號和響應(yīng)信號的質(zhì)量進(jìn)行判斷。

完成第1個測點的采集后，點擊信號處理按鈕，將力錘通道的測點號該為2。對系統(tǒng)進(jìn)行平衡清零操作，點擊采集按鈕，新建測試文件，文件名為2，系統(tǒng)進(jìn)入等待觸發(fā)狀態(tài)，將力錘移動至轉(zhuǎn)接板的第2號測點進(jìn)行敲擊，重復(fù)以上步驟，并獲取第2測點的頻響曲線。

依次完成第3測點至第32測點的頻響曲線采集，方法同上描述。

6 模態(tài)分析

6.1 幾何建模和測點匹配

完成所有測點的頻響曲線采集后，進(jìn)入DHDAS軟件模態(tài)界面，點擊圓形圖標(biāo)，自動創(chuàng)建圓形模型，輸入模型的外徑參數(shù)750 mm，內(nèi)徑參數(shù)350 mm，圓周角度360 °，圓周分段數(shù)16；點擊確定，完成模型創(chuàng)建，并點擊節(jié)點圖標(biāo)，顯示模型的結(jié)點。選中模型，點擊點標(biāo)簽，根據(jù)模型結(jié)點與實際測試時的測點情況，進(jìn)行結(jié)點與測點的匹配，結(jié)果如圖1所示。

6.2 導(dǎo)入頻響曲線數(shù)據(jù)

進(jìn)入數(shù)據(jù)界面，先確認(rèn)試驗方法，在界面上方勾選測力法、單點拾振選項，點擊添加按鈕，所測試的數(shù)據(jù)將在右側(cè)顯示，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面

6.3 參數(shù)識別

進(jìn)入?yún)?shù)識別界面，確認(rèn)識別方法為PolyLSCF，在選擇頻段中，用兩根豎向光標(biāo)將所需分析的頻率段包含在內(nèi)，左邊的豎向光標(biāo)需移動到最左邊0的位置，鼠標(biāo)上下移動橫向光標(biāo)，確定節(jié)點數(shù)（大于4），識別頻響曲線中峰值，出現(xiàn)黃點標(biāo)記，如圖6所示。

圖6 參數(shù)識別

點擊穩(wěn)態(tài)圖計算按鈕計算穩(wěn)態(tài)圖并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)圖界面。界面中可查看已計算的穩(wěn)態(tài)圖，穩(wěn)態(tài)圖中的s、v分別表示：s表示三組模態(tài)參數(shù)全部穩(wěn)定，v代表頻率和模態(tài)參與因子穩(wěn)定，移動鼠標(biāo)至s比較多的頻率點上，下方可查看對應(yīng)鼠標(biāo)位置的極點信息，單擊鼠標(biāo)左鍵，選擇對應(yīng)節(jié)點，并顯示在左側(cè)極點列表中，如圖7所示。

圖7 穩(wěn)態(tài)圖與極點選擇

極點選擇完成后，點擊振型計算按鈕，彈出歸一化設(shè)置方法。采用默認(rèn)的振型值最大點歸一方法，點擊確定按鈕完成計算，并將結(jié)果顯示在左下方模態(tài)參數(shù)列表中，點擊保存按鈕，保存模態(tài)結(jié)果。

6.4 振型計算

模態(tài)參數(shù)計算完畢后，點擊振型標(biāo)簽，軟件顯示出對應(yīng)模態(tài)參數(shù)文件下各階模態(tài)振型，移動鼠標(biāo)至列表中各頻率點上，單擊鼠標(biāo)左鍵，將直接顯示對應(yīng)振型，如圖8（a~d）各圖所示。

圖8 前四階振型

6.5 模態(tài)試驗結(jié)果（見表2）

表2 試驗?zāi)B(tài)前4階振型及參數(shù)

7 結(jié)論

本文在介紹了模態(tài)試驗分析的過程與要點的基礎(chǔ)上，通過工作中的一次實際試驗分析案例，完整的實現(xiàn)了對振動工裝的模態(tài)分析，具有一定的參考意義。