【现代实验力学课件】(1) 绪论

版权所有 2004 c 陆秋海 第 1讲 绪 论 运载工程与力学学部 20101101 现代实验力学 实验模态分析 现代实验力学 实验模态分析 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法 是系统辨别方法在工程振动领域中的应用 模态是机械结构的固有振动特性 每一个模态 具有特定的固有频率 阻尼比和模态振型 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数 为结构系统的振动特性分析 振动故障诊断和 预报以及结构动力特性的优化设计提供依据 模态分析技术的应用可归结为以下几个方面 1 评价现有结构系统的动态特性 2 在新产品设计中进行结构动态特性的预估 和优化设计 3 诊断及预报结构系统的故障 4 控制结构的辐射噪声 5 识别结构系统的载荷 振动测试的特点 振动力学量是时间的函数 周期性 随机性 瞬时 冲击 振动力学量大小与结构固有特性有关 静态 力幅不变 应变 位移 应力不变 动态 力幅不变 不同频率下响应不同 动载下 力学量允许极限不同 疲劳 断裂许用应力明显降低 工程振动测试分析的任务 解决工程振动问题 结构设计 设备运行 产品试制 课题研究 工程质量评定 结 构故障诊断 最新进展 电子技术 计算机技术 A D与 D A转换 记录存储技术 传感器技术 特殊环境 特殊振动 1 工程振动测试分析应用领域 结构动力特性试验研究 运行中的设备振动状态监测和故障诊断 转子的动平衡 振动与冲击环境模拟试验 构件的疲劳强度试验 隔振与减振技术研究 人体对振动与冲击的反应 有关振动利用的研究 第一类反问题 参数识别 系统识别 第二类反问题 载荷识别 人体振动特性 选拔航天员的前期准备工作 航天器振动与人体共振频率耦合威胁航天员的生命安全 POGO振动 仪器 振动台 加速度传感器 采用不同身高 体重的人体为样本 利用 INSTRON1506 电磁振动台 测定坐姿人体在不同的随机激励下 头 肩 和髂骨部位响应对台面的加速度传递率 其峰值频率为共 振频率 选用的振级为均方根加速度 0 5g 1 0g和 1 5g 通过神经 网络对测量数据的学习得到身高 h 体重 w及振级 a与人体 共振频率 f间的非线性规律 生物振动模态试验 兔子 狗 汽车动力学试验 采用激振器对整车或部件进行激励 激振器端部安装力传感器 通过 安装在车架和车身上的传感器测量 车辆的动力响应 飞机动力学试验 飞机模态分析 空调风机 力锤 含力传感器 电涡流传感器 加速度传感器 通过实验确定风机在工作状态下是否可能共振导致高速旋转的叶片与外壁发生刮蹭和碰撞 空 调 风 机 模 态 试 验 1998年 振动台试验 航空发动机齿轮破坏再现 军用飞机发动机齿轮在飞行 过程中出现断裂 经过模态 分析发现齿轮某一阶工作频 率与发动机工作频率非常接 近 安装在振动台上以此频 率进行激励 1小时以后齿轮出现与实 际工作破坏相同的裂纹 表明是共振引 起破坏 解决方案 改变齿轮厚度 振动测量 空间柔性结构振动控制前端 太阳帆板的弹性振颤 影响星体的工作质量 将太阳帆板系统归结为结构动力学问题有一定的 局限性 82年美国 陆地卫星 4 的观测仪的旋转部分受到柔性 太阳帆板驱动系统的干扰而产生振动 从而降低了图像 的质量 Hubble望远镜太阳帆板间隙引起的冲击振动及出入地球 阴影时的巨大温差引发长达 5分钟的衰减振动 我国东风 3号卫星帆板间隙引起的冲击影响了工作性能 哈勃望远镜热致振动原理 甩掉了装在天文望远镜上用来定 位观测星体的传感器 严重影响了天文观测 由于每次 振动需要 3 6分钟才能静止 望 远镜的有效观测时间被严重缩短 帆板振动使直径 2 4米的望远镜镜 片扭曲 导致其不能精确聚焦 影响了图片的拍摄质量 故障的成因分析 如何引入适当的阻尼或主动环节抑 制帆板的热致振动 国际号空间站 组装完毕的国际号空间站 1Hz以下的模态将有 366个 3000 到 4000个模态在 20Hz以下 Pappa R S 1990 由于实际条件的限 制 安装在国际号空间站上的传 感器数将限制在 200个以下 然 而 预示表明 10Hz以下有几百个 模态 且主要是并非最重要的附 件振动 如果只在主要结构上安 装传感器 那么其中的许多局部 模态将具有相同的模态振型 需 要对附件进一步测量才能惟一确 定相应的模态 Schenk A and Pappa R S 1992 国际号空间 站的在轨试验将只有能用安装在 桁架上的 2个 RCS Reaction Control System 推进器提供激励 Blelloch P Engelhardt C and Huht D L 1990 响应点分布将 很稀疏 对附件测量只能限制在 端部和根部位置 而且许多附件 上根本不装备仪器 Schenk A and Pappa R S 1992 如何用最少的传感 器获得设计和控制所需 要的动力学信息 如何用最少的作动 器实现结构的振动主动 控制 Galileo号宇宙飞船 采用有限元分析的结果是 50Hz以下有 45个模态 其中最低的大约 13 Hz 许多模态对发射的动载荷的贡献 很小 贡献较大的仅有 15个模态 1983年夏在美国喷射推进实验室 Jet Propulsion Laboratory 进行加里略航天器带天线的主要结构部件的 综合模态测试 试件的总重量约 2400kg 识别采用自由 响应数据 Free Response Data 将 7个满量程为 110N的 电动激振器柔性悬挂在起重机上 采用宽带随机激励信 号激励 时间大约五秒 用分布于航天器的 162个加速度 计测量响应 共获得两组数据 一组水平激励 另一组垂 直激励 频带 10 45 Hz 从激励终止开始记录 5秒的自 由响应数据 响应以每秒 102 4个样本的速率数字化 因 此每一测试中大约有 500个自由响应点 每组数据大约识 别出 30阶模态 其中一半左右具有较高识别精度 MAC 值 Modal Amplitude Coherence Juang J N and Pappa R S 1985 水平激励组数据识别出 34阶模态 其 中 MAC指标在 95 以上的有 14个 占 41 2 ARECIBO OBSERVATORY1960 63 目前世界上 最大的射电天文 望远镜 位于美 国加勒比海的波 多黎各 Puerto Rico 的 Arecibo 镇 南部 直径 305米 我国目 前正与世界各国 科学家合作在云 南的 Karst地貌 上建造世界最大 的天文望远镜 直径 500米 康奈尔大学设计 德国公司制造 大射电望远镜时变馈源支撑结构系统 动力学特性实验 直径 500m 悬挂高度约 150m 要求运行振动 4mm 难题 大范围高精度动态跟踪测量 高精度的振动主动控制方案的机电一体化实现 激光测振仪 非接触式高精度测量 德国 POLYTECH公司 全场扫描式激光测振仪 可以对全场进行非接触式振动测量 安装有 CCD相机 可直接在计算 机上选定需要专门测量的点 可显示结构全场稳态响应的振型 选定 点的频谱和频响函数等 英国 Ometron公司 激光测振仪 英国 Ometron公司 喇叭的振动 大型实际工程结构如大型桥梁 大型厂房 海洋平台等在交通 能源 军事和社会生活等方面有着重要的战略意义 确定结构是否 存在损伤以及损伤的位置和程度已经成为这类结构安全保障的重要 途径 局部试验方法 外观检查 声或超声波 磁场探测 射线成像 温度场测试等 全局方法 利用结构的振动特性对整个结构进行损伤诊断识别 基于振动特性的结构损伤识别 钢筋混凝土梁损伤识别 损伤 基频 Hz 二阶频率 Hz 健康 209 096 5 487 202 4 5 对孔 202 880 0 484 635 1 7 对孔 202 906 8 483 358 7 10 对孔 208 307 8 481 886 1 IASC ASCE 基准结构模型试验研究 该基准模型实际结构为如下图所示的一个 3维 4层钢结构模型 长宽各为 2 5米 高 3 6米 图 基准结构 图 每一层构件编号 图 每一层的测点位置及方向 纳米管的振动特性 纳米管 的 1阶 A 2 阶 B 3阶 C 振动的振 型 与悬臂 梁振型相同 纳米管的截 面尺度约 1纳 米 99年 Science杂志 纳米管传感器 纳米管 的端部为 1 个基因 相 当于单自由 度系统 可 通过测量系 统的频率计 算出基因的 质量 99 年 Science杂 志 2 工程振动测试包含的内容 2 1 International Space Station ISS 发射过程 火箭各位置的推进加速度 振动速度和位移 载人 生物航天器 对推进加速度限制 入轨后姿态控制 姿态敏感器 推进器的喷气量 步进电机调整角度和 力矩 反作用轮调整角度等 入轨后振动控制 各位置的加速度 控制力和力矩 问题 负载限制 发射过程的高 g值和入轨后小振动对传感器测量系统的要求 地面与太空大温差 太空中向阳和被阳面大温差 出入地球阴影的大温 差对传感器测量系统的要求 高纬度 微重力环境条件对传感器测量系统的影响 长时间工作对测量系统可靠性和安全性的要求 低频密集模态的测量困难 10Hz以下数百阶模态 2 2 汽车 旋转部件动平衡 传动轴 汽车轮毂 汽车平顺性 载人平顺性和运输平顺性 悬挂系统的减振特性 减震器特性 悬架特性 座椅减振 特性 发动机减振器 汽车运行安全性 汽车的主要频率特性 各部件的振动与 车速和路面激励的关系 车架 轴 传动轴及其连接等重 要部件的动态应力评估 碰撞安全性 人体各关键部件的耐冲击特性 最大加速度 冲击时间 相对位移等 安全带的减振特性 碰撞变形 特性 安全气囊的触发条件 2 3 研究的内容 1 传感器测量系统原理及其应用技术 相对式测量 接触式 顶杆式 非接触式传感器 光学 惯性式测量 位移型 速度型 加速度型传感器 传感器的选型 安装 测量环境 高低温 海拔 辐射 腐蚀 空间大小 被测结构的尺度和特性 亚微米 微米 毫米 质量 刚度 测量的频率范围 超低频 低频 中频 高频超高频 测量的幅值范围 亚纳米 纳米 亚微米 微米 毫米 大振幅 超低加速度 105g 力的大小 很小 103N 动静均有 安装方式对测量的影响 螺接 胶粘 蜡接 手持 磁吸等 2 3 研究的内容 2 振动信号的分析和处理技术 信号描述的基本理论 信号的调理 放大 同步采保 去噪 采样定理 AD 信号的显示 谱分析 傅立叶谱 功率谱 能量谱 相关 分析 自相关 互相关 高维相关 幅值统计平均分析 3 结构的动力学特性测试技术 模态分析理论 结构激励和响应的基本测量方法 FRFs测量和分析技术 参数识别技术 3 结构动特性建模方法 3 1 理论建模 动力学仿真分析 有限元 对实验研究的指导作用主要表现在 确 定传感器和激励设备的配置方案 传感器类型 频响 灵敏度 线性范围 温度特性等的要求 3 2 实验建模 实验模态分析方法 3 2 1采用实验建模的原因 1 实际结构太复杂 难以采用理论简化和进 行精确的动力学仿真分析 组成部件多 连接关系复杂 甚至有刚体 柔性体及机构耦合 包含间隙 摩擦等非线性 包含大位移和大变形等几何非线性 结构强度 构形 边界条件和受力条件时变 受复杂风载 运动载荷 热环境条件等共同作用 如发电机组 大桥 2 动力学仿真分析的结果需要得到实验验证 原型试验 全尺寸模型试验 缩尺动力学相似模型试验 部件试验 模型相似理论 3 2 2实验建模方法 实验建模是通过系统的输入信号和输出响 应之一或全部确定系统动特性模型的方法 因此又可称为辨识过程 辨识的方法可分 为 系统辨识 模型的形式 阶次 参数均未知 参数辨识 模型的形式已知 阶次和参数待定 或仅参数待定 4 课程的主要内容 实验建模 4 1 振动信号传感器 4 2 振动特性参数的测量方法 4 3 信号分析和信号处理技术 4 4 机械阻抗法与频响分析 4 5 结构模态试验分析 课程学习目标 掌握常见传感器的原理及应用技术 掌握基本的动力学测试的方法 掌握基本的信号采集和分析的方法 掌握基本的结构模态分析的理论和方法 培养对结构进行实验模态分析的理论素养和实验能力 参考书目 1 李德葆 陆秋海 工程振动试验分析 清华大学 出版社 2004 李德葆 张元润 振动测量与试验分析 机械工 业出版社 1992 李方泽 刘馥清 王正 工程振动测试与分析 高 等教育出版社 1992 参考书目 2 李德葆 陆秋海 实验模态分析及其应用 科学出 版社 2001 本科 研究生后续实验理论课程 刘习军等 工程振动与测试技术 天津大学出版 社 1999第 1版 傅志方 振动模态分析与参数辨识 机械工业出 版社 1990 张贤达 现代信号处理 清华大学出版社 1995