某身管的實驗模態分析

赫 雷,王 進,管紅根,周克棟

某身管的實驗模態分析

赫 雷,王 進,管紅根,周克棟

(南京理工大學機械工程學院,江蘇南京210094)

為了了解某身管的振動情況,對該身管進行了實驗模態分析,獲得了其固有頻率、阻尼比和振型等.此外,對身管進行了有限元模態分析,用于對模態試驗的指導,并與試驗的結果進行了對比和驗證,兩者符合很好.

實驗模態;身管;有限元;固有頻率

1 引 言

影響火炮射擊精度的因素較多,炮口指向是影響武器射擊精度的因素之一.因而,由于火炮的振動而產生的炮口擾動也就成為影響武器射擊精度的因素之一.火炮的振動最終由炮口的位置所反映,因此對身管振動的研究就顯得尤為重要.本文將對身管進行實驗模態分析以及有限元模態分析,獲得了其固有頻率、阻尼比和振型等模態參數,分析其低頻部分的動態特性,為進一步的改進提供試驗依據[1].

2 身管的模態試驗

2.1 測試系統簡介

模態試驗的主要任務是同時測量身管結構的輸入和輸出信號,并對信號進行分析和處理,從而估計出被測系統的頻響函數,為模態分析提供準確可靠的依據.

試驗的基本設備包括(如圖1所示):激勵系統(KISTL ER 9728A20000型力錘,包括力傳感器),測量系統(KISTL ER 8702B50型加速度傳感器,KISTL ER 5011型及5134型電荷放大器),信號處理系統(ZonicBook/618E振動分析和監測系統,eZ-Analyst信號采集控制軟件,ME’scope模態分析軟件).

進行模態試驗時,首先由激勵設備產生激勵力,引起系統振動,再將力傳感器和加速度傳感器測得的信號放大,輸入到ZonicBook/618E振動分析和監測系統,通過eZ-Analyst軟件,對信號作FFT變換,輸出頻響函數(FRF)和相干函數,通過ME’scope模態分析軟件對所有的頻響函數做整體的曲線擬合,進而進行模態識別,并得出結構的實驗模態參數.

圖1 模態試驗系統框圖

2.2 測試方法和步驟

2.2.1 身管支承方式

目前常用的結構支承方式為自由支承和約束支承.考慮到身管的長度和質量都較大及客觀試驗條件,本文進行的模態分析實驗選擇用2個軟木支架對身管進行支撐,以模擬自由支承.

2.2.2 確定激勵方式

模態實驗的激勵可由激勵器或沖擊錘產生.因為脈沖激勵是一種寬頻帶激勵,其信號頻譜比較寬,一次激勵能夠同時激勵出多階模態,而且實驗時不會對結構產生附加質量、附加剛度等副作用,因此,此方法在工程上得到了廣泛的應用[2].

本文采用錘擊激勵法,錘頭材料的選擇根據分析的頻率范圍以及敲擊出的力信號來確定.本實驗主要分析身管的低頻段的動態特性,因此選擇了橡膠錘頭,試驗中信號滿足要求[3].

2.2.3 測點的布置和傳感器的布置

為了提高模態參數的識別精度,必須合理布置激勵點和響應點的位置,最大限度地減少模態丟失.并且布置的測點能夠基本反映出結構的形狀.本實驗共均勻布置了21個測點,其中第17節點作為加速度響應信號的輸出點,所有節點均為激勵點,通過移動力錘來進行拾振.

2.2.4 信號的采集和頻率響應分析

實驗中,對數據進行雙通道采集和分析,一個通道采集激勵信號,另一個通道同時采集加速度響應信號.對力信號的觸發采用了正觸發、前觸發及選擇適當的觸發水平.對于脈沖形式的激勵信號加力窗處理,加速度信號則加指數窗處理.實驗中為了減小敲擊力不均和噪聲對信號的影響,每個測點各敲擊了3次,將所得的頻響函數取平均,得到每個測點的平均響應函數[4].

2.2.5 模態參數識別

模態參數識別方法按識別域的不同可分為頻域法、時域法和混合域法,激勵方式不同(SISO, SIMO,MIMO),相應的參數識別方法也不盡相同.本文采用的是ME’scope軟件中的頻率識別法,對頻響函數采用正交多項式擬合法,得出各階模態參數,包括各階固有頻率、阻尼比和振型[5].

3 模態分析結果及分析

3.1 實驗模態分析結果

利用ME’scope模態分析軟件分析身管的低頻(500 Hz以內)振動特性,在其結構設計窗口中對某身管進行了三維建模,并標出了21個測點的位置(如圖2所示).在數據窗口中導入已經采集完成的頻響函數(FRF),再把頻響函數和三維模型中的對應節點結合起來,最后進行模態參數擬合(如圖3所示),得出了前4階模態參數如表1所示,各階模態振型如圖4～7所示.

圖2 某身管的三維模型及測點發布

圖3 模態參數擬合圖

表1 模態試驗分析得到的前4階模態參數

圖4 第1階振型圖

圖5 第2階振型圖

3.2 有限元模態分析結果

有限元模態分析過程由4個主要步驟組成:有限元模型的建立、加載及求解、擴展模態、檢查結果.圖8為該身管的有限元模型,各階模態頻率及振型如圖9～12所示.

圖6 第3階振型圖

圖7 第4階振型圖

圖8 某身管的有限元模型

圖9 第1階自由模態振型(31.19 Hz)

圖10 第2階自由模態振型(159.58 Hz)

3.3 結果分析

通過有限元模態分析和實驗模態分析的對比(表2),看出各階振型基本相似,頻率相差較小.因此,可認為實驗模態分析基本上準確.

圖11 第3階自由模態振型(308.30 Hz)

圖12 第4階自由模態振型(475.59 Hz)

表2 有限元模態分析和試驗模態分析的模態頻率對比

本文主要測試身管徑向的振動情況,以了解其振動情況和炮口指向.從模態振型圖可知,第1階振型中主要是身管中部的徑向跳動,但是其炮口的振動較小.第2～4階振型主要是身管中部(8～12節點處)、中前部(3～7節點處)及中后部(13～17節點處)的組合振動,中前部的振動尤為突出,這3階振型反映出較大的炮口振動.

4 結 論

通過對某身管的實驗模態分析,結論如下:

1)在模態實驗之前,有必要對被測試件進行有限元模態分析,以了解其前幾階模態頻率的范圍和振型的特點,對實驗模態中測點的布置和某些參數的設置有指導作用.同時也能與實驗模態分析的結果進行對比和驗證.

2)通過實驗研究,可知第2～4階振型中反映出較大的炮口振動.為此,可以相應提高中部(8～12節點處)及中前部(13～17節點處)的剛度以減小身管的振動.

3)實驗模態分析是研究身管動態特性的有效手段.

[1] 歐陽光耀,王樹宗,王德石.火炮身管振動特性及減振研究[J].海軍工程學院學報,1999,(2):79.

[2] 陳可,周孔亢,徐凌,等.低速汽車整車模態試驗研究[J].機械設計與制造,2007,12(12):31.

[3] 沃德·海倫,斯蒂芬·拉門茲,波爾·薩斯.模態分析理論與實驗[M].北京:北京理工大學出版社, 2001.

[4] 李德葆,陸秋海.工程振動試驗分析[M].北京:清華大學出版社,2004:240.

[5] 曹樹謙,張文德,蕭龍翔.振動結構模態分析[M].天津:天津大學出版社,2001.

Experimental modal analysis of a barrel

HE Lei,WANGJin,GUAN Hong-gen,ZHOU Ke-dong
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

In order to understand the vibration characteristic of a barrel,modal experiments are carried out to get parameters such as natural frequency,damping ratio and vibration pattern.Additionally,the finite element modal analysis of the barrel is conducted to guide modal experiment.The results of modal experiment and finite element analysis are compared,and they are in good agreement.

experimental modal;barrel;finite element;natural frequency

O321

A

1005-4642(2010)10-0036-04

[責任編輯:郭 偉]

2010-02-25;修改日期:2010-04-14

赫 雷(1973-),女,遼寧遼陽人,南京理工大學機械工程學院副教授,碩士,研究方向為武器振動與模態分析.