[發明專利]一種基于激光掃描的圓柱殼模態振型測試裝置及方法

無效

• 申請號: 201310509119.7
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103528667A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 韓清凱;孫偉;李暉;羅忠;翟敬宇
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

1.一種基于激光掃描的圓柱殼模態振型測試裝置，其特征在于：包括：穩態激勵裝置、激光測振儀、測試反光鏡、電動機、穩壓電源、數據采集分析儀和上位機；

所述穩態激勵裝置用于激勵圓柱殼使其發生穩態振動；

所述激光測振儀用于發出激光光束并投射到測試反光鏡上，且通過測試反光鏡返回的激光光束獲得圓柱殼的振動響應；

所述測試反光鏡用于反射激光光束到圓柱殼內壁上；

所述電動機用于驅動測試反光鏡進行360度旋轉，實現激光束在圓柱殼內壁的圓周掃描；

所述穩壓電源用于為電動機供電；

所述數據采集分析儀用于實時采集和記錄圓柱殼的振動響應信號并傳送振動響應信號給上位機；

所述上位機用于對圓柱殼的振動響應信號進行分析及計算，最終繪制出圓柱殼的模態振型。

2.根據權利要求1所述的基于激光掃描的圓柱殼模態振型測試裝置，其特征在于：

所述測試反光鏡的中心與圓柱殼內腔中心在同一軸線上；測試反光鏡連接電動機的輸出端；電動機的輸入端連接穩壓電源；

所述激光測振儀連接數據采集分析儀，數據采集分析儀連接上位機。

3.采用權利要求1所述的基于激光掃描的圓柱殼模態振型測試裝置測試圓柱殼模態振型的方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：在上位機上對圓柱殼進行有限元分析后獲得該圓柱殼的各階固有頻率，并根據該圓柱殼的各階固有頻率確定掃頻激勵的掃頻頻率范圍；

步驟2：啟動激光測振儀，激光光束通過測試反光鏡投射到圓柱殼內壁任一點上；同時啟動穩態激勵裝置對圓柱殼進行粗掃，得到圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態阻尼比；

步驟2-1：設定粗掃掃頻速度，并在掃頻頻率范圍內激勵圓柱殼穩態振動；

步驟2-2：激光測振儀實時采集圓柱殼的振動響應信號并發送給數據采集分析儀；

步驟2-3：數據采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點的振動響應信號并傳送給上位機；

步驟2-4：根據圓柱殼各測點的振動響應信號，上位機獲得圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態阻尼比；

步驟3：根據圓柱殼的各階固有頻率粗掃值，上位機劃分新的掃頻頻率范圍，對圓柱殼進行精掃；

步驟3-1：在穩態激勵裝置中設定精掃掃頻速度，且該精掃掃頻速度小于最大掃頻速度，并在所述的各個新的掃頻頻率范圍內激勵圓柱殼穩態振動；

精掃掃頻速度S為：

S<Sm=ξ2fn2---(1)]]>

式中，S為精掃掃頻速度，Hz/s；S_m為最大掃頻速度，Hz/s；ξ為對應階次的模態阻尼比；f_n為圓柱殼的第n階固有頻率粗掃值，Hz；n為圓柱殼的固有頻率的階次；

步驟3-2：激光測振儀實時采集新的圓柱殼振動響應信號并發送給數據采集分析儀；

步驟3-3：數據采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點新的振動響應信號并傳送給上位機；

步驟3-4：根據圓柱殼各測點新的振動響應信號，上位機識別出圓柱殼的各階固有頻率精掃值；

步驟4：在穩態激勵裝置中設定激勵幅度，穩態激勵裝置分別以圓柱殼的各階固有頻率精掃值以及各階固有頻率精掃值分別對應的非共振區的任一頻率值分別激勵圓柱殼內壁任一位置；

步驟5：激光測振儀分別獲得以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼的振動響應信號和以各階固有頻率精掃值分別對應的非共振區的任一頻率值分別激勵圓柱殼的振動響應信號，并通過數據采集分析儀實時傳給上位機；

步驟6：經過頻譜分析，上位機分別得到以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；

步驟7：上位機對以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值作比較，并根據圓柱殼共振狀態幅值判別標準判斷圓柱殼是否處于共振狀態，是，則執行步驟8，否，則執行步驟4；

共振狀態幅值判別標準：

d_res/d_non≥b????????????????????????????????????(2)

式中，

d_res為以圓柱殼的某階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；d_non為以圓柱殼的某階固有頻率所對應的非共振區的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；b為判別系數；

步驟8：分別以圓柱殼處于共振狀態時對應的激勵幅度及對應圓柱殼的各階固有頻率，穩態激勵裝置激勵圓柱殼振動；

步驟9：從圓柱殼內壁任一起始位置開始，電機驅動測試反光鏡旋轉任一角度，即激光光束完成該角度對應的圓柱殼一段圓弧內壁的掃描，從而激光測振儀獲得該段圓柱殼圓弧內壁測點的振動響應信號，并通過數據采集分析儀將其實時傳給上位機；

步驟10：上位機獲得所述圓柱殼一段圓弧內壁測點的振動響應信號的相位，并計算各相鄰測點的相位差，根據各個相位差判定圓柱殼是否處于相位共振狀態，若各個相位差接近0°或180°，則圓柱殼是處于相位共振狀態，執行步驟18，否，則圓柱殼不處于相位共振狀態，執行步驟11；

步驟11：電動機驅動測試反光鏡旋轉一周，完成一周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內壁一周測點的振動響應信號并通過數據采集分析儀實時傳給上位機；

步驟12：沿圓柱殼內腔中心軸線向上下移動測試反光鏡，完成多周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內壁多周測點的振動響應信號并通過數據采集分析儀實時傳給上位機；

步驟13：根據圓柱殼內壁測點的振動響應數據，上位機繪制出圓柱殼各階模態振型；

步驟13-1上位機對圓柱殼內壁一周測點的振動響應數據及圓柱殼內壁多周測點的振動響應數據進行時域響應信號降噪處理和加窗處理；

步驟13-2：上位機對時域響應信號降噪處理后的數據進行振動響應信號的縮減提取處理；

步驟13-3：根據圓柱殼的尺寸參數和縮減提取處理后獲得的測點數量，上位機繪制出圓柱殼縮減提取后的測點的線框模型；

步驟13-4：上位機將某階共振激勵下縮減處理后的振動響應數據加載到各自對應的線框模型測點坐標值上，并繪制出各階的模態振型。