某型航空裝備模態測試試驗研究

張金奎 趙江 趙永乾

摘要：搭建結構模態測試試驗系統，開展某型航空裝備模態測試試驗，利用純模態分析技術對試驗測試數據進行計算和分析。試驗測試結果分析表明，利用純模態分析技術獲得了某型航空裝備彈體結構三階振動和兩階扭轉振動模態、振動頻率和阻尼比，且模態指示函數均在0.92以上，所測得的振動模態參數精度較高。

關鍵詞：模態測試；試驗；振動分析

Keywords：modal test；experiment；vibration analysis

振動特性分析是裝備結構設計和結構優化工作中的重要組成部分，是實現結構合理設計、滿足裝備使用要求的必要手段。試驗模態分析技術是一種測量精度高、應用廣泛的結構模態檢測和結構安全評估方法，其根據測量結構的固有頻率、阻尼比、振型、模態剛度、模態質量等參數，與結構正常要求的參數進行相關性等分析，進而判斷所測結構的安全程度。本文基于試驗模態分析技術，對某型航空裝備改造后彈體結構模態特性進行分析，得到改造后彈體結構模態振型、振動頻率以及阻尼比，為機載安全性評估提供參考。

1 純模態法振動模態測試原理

N個自由度結構系統振動模型的二階線性常微分方程為[1]：

由式（6）可知，對結構施加外激振力，當所施加激振頻率等于結構的某一固有頻率時，結構即呈現共振現象。純模態測試的目的就是調整力的分布直至激勵力分布達到 要求，使方程達到式（1）的完全解耦狀態，結構出現共振。

在試驗中通過對激振力和激振頻率進行優化調節，可以使結構呈現單一模態的振動。表現在結構上為各個測量點的加速度響應與激振力之間存在π/2的相位差，此時結構的慣性力與彈性力平衡，激振力與結構的阻尼力平衡，且響應的實部趨于零，結構呈現單一模態的相位特征。由此，通過反復調力與移頻相結合的技術，使結構上各個測點加速度響應呈上述特征，即相位共振，從而得到結構在某一固有頻率下的振型。

為更好地分離和識別模態，將所有響應相位歸納為一個總體目標函數△，并稱此標量為模態指示函數，數學表達式如下：

2 模態測試試驗設計及系統搭建

某型航空裝備經過設計改造，對彈體連接結構進行了改進，并加裝了控制設備，改變了彈體剛度和質量分布，結構示意圖如圖1所示。為了配合改造后振動特性分析與安全性評估，利用試驗模態分析技術對彈體結構模態進行測試，獲得模態參數。試驗支持方式采用橡皮繩懸掛來模擬彈的自由—自由狀態，試驗件支持示意圖見圖1。

試驗系統由激勵系統、測量系統及分析系統組成。試驗系統原理示意圖如圖2所示。試驗測量點布置選用彈體全局坐標系，坐標系原點O位于彈體前端面中心，X軸與彈體中心軸平行，順流向為正；Z軸與X軸垂直，向上為正； Y軸由右手定則確定。坐標系示意圖及測量點布置如圖3所示。

利用正選掃描法進行初步試驗，檢查測量點傳感器位置及安裝方向是否正確并進行初步測量，獲得各階模態及其振動頻率，然后利用純模態測試分析方法對振動頻率、振型及阻尼比進行測量計算。

3 模態測試試驗結果及分析

模態測試試驗進行了1個試驗狀態，測得5個彈體模態參數，各階模態參數詳見表1所示，其振型圖如圖4、圖5所示。通過自動激勵系統，開展彈體結構模態測試試驗，實現了三階彎曲和兩階扭轉測試試驗，一階彎曲振動頻率為98.2Hz，三階彎曲振動頻率為482.58Hz，一階扭轉振動頻率為402.28Hz，二階扭轉振動頻率為602.35Hz，振動頻率較高，其指示函數均在0.92以上，所測得的振動模態參數精度較高。

4 結束語

1）結合模態測試技術，測得了某型彈體結構三階振動和兩階扭轉振動模態參數，其模態指示函數均在0.92以上，所測得的振動模態參數精度較高。

2）通過傳感器試驗數據處理，獲得了各階振動模態數據，并繪制了各階振動振型圖。

3）利用純模態測試原理，搭建了結構模態測試試驗系統，開展了彈體結構模態測試試驗和指示函數分析，測試系統測試精度較高。

參考文獻

[1]趙永輝.氣動彈性力學與控制[M].北京：科學出版社，2007.

[2]方同，薛璞.振動理論及應用[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

作者簡介

張金奎，高級工程師，主要從事裝備修理技術研究。