[發(fā)明專利]一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試裝置及測(cè)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510745534.1
• 申請(qǐng)日: 2015-11-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105424797A
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇翯辰;邱志平;汪俊;王曉軍;王喜鶴;何巍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司;中國(guó)特種飛行器研究所
• 主分類號(hào): G01N29/04
• 分類號(hào): G01N29/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;顧煒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明適用于充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)特性的試驗(yàn)分析，具體來(lái)說(shuō)是一種采用力錘激勵(lì)法測(cè)量充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)振型、相應(yīng)振動(dòng)頻率及模態(tài)阻尼的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，用以研究上述結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，并可用于指導(dǎo)和驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)值仿真分析。

背景技術(shù)

近年來(lái)，飛艇憑借其在民用和軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用前景，成為了當(dāng)前世界各國(guó)研究的焦點(diǎn)。其作為早期預(yù)警和超視距飛行平臺(tái)，具有其他飛行器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美國(guó)通過(guò)裝備在平流層飛艇上的傳感設(shè)備首先發(fā)現(xiàn)伊拉克進(jìn)攻科威特的軍事行動(dòng)。而在民用方面，飛艇平臺(tái)還能應(yīng)用于如災(zāi)害預(yù)警、氣象觀測(cè)和導(dǎo)航定位等諸多領(lǐng)域。飛艇作為一種典型的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)，具備空中懸停能力強(qiáng)、能耗低、飛行時(shí)間久、有效載重量大、航程遠(yuǎn)等特點(diǎn)，比其他航空器更便于維護(hù)保養(yǎng)。為增加有效負(fù)載，飛艇的外蒙皮、充放氣囊一般由輕質(zhì)高強(qiáng)度柔性膜結(jié)構(gòu)組成。充氣柔性膜結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量輕，剛度弱且對(duì)載荷敏感，因而其力學(xué)特性有三個(gè)顯著特點(diǎn)：第一，膜結(jié)構(gòu)的變形幾乎都是非線性大變形；第二，充氣膜結(jié)構(gòu)與內(nèi)外部流場(chǎng)之間有相互耦合作用；第三，柔性飛艇結(jié)構(gòu)剛度低且阻尼小，所以其固有頻率在較低范圍內(nèi)密集分布。

正是由于以飛艇為典型代表的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的固有頻率偏低且結(jié)構(gòu)阻尼很小，所以當(dāng)受到外界激勵(lì)激發(fā)振動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)阻尼無(wú)法有效減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)，容易造成結(jié)構(gòu)的振動(dòng)破壞。因此，對(duì)充氣柔性結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)充氣柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)研究開(kāi)展了一系列的理論研究工作，主要集中在兩方面：(1)由找形分析獲得充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的充氣平衡狀態(tài)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和應(yīng)力分布，再進(jìn)行考慮預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析；(2)由找力分析求解給定目標(biāo)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分布，再計(jì)算充氣柔性結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和固有頻率。然而，關(guān)于充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的試驗(yàn)研究還很有限，很難驗(yàn)證數(shù)值仿真研究結(jié)果的可信性和準(zhǔn)確性，還未見(jiàn)到公開(kāi)發(fā)表的針對(duì)充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的簡(jiǎn)單、有效和易于操作的測(cè)試裝置和測(cè)試方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置和測(cè)試方法，為充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的固有特性/振動(dòng)特性分析和安全使用提供可靠的測(cè)試方法和測(cè)試數(shù)據(jù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試裝置，包括結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、充氣測(cè)壓系統(tǒng)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)。

所述結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，充氣測(cè)壓系統(tǒng)和試驗(yàn)對(duì)象(充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu))通過(guò)充氣軟管連接。

結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)含4路控制通道，48路采樣通道，其采樣精度16位。包括信號(hào)采集分析儀、帶SCSI接口的主機(jī)箱、ICP調(diào)制輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP數(shù)據(jù)處理器、信號(hào)源輸出模塊、加速度計(jì)校準(zhǔn)器組成。結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)加速度傳感器輸出的加速度電信號(hào)、力傳感器輸出的力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信號(hào)存儲(chǔ)、信號(hào)的數(shù)模變換和參數(shù)計(jì)算與分析。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)包括激勵(lì)力錘和加速度傳感器，激勵(lì)力錘與結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接，加速度傳感器貼于試驗(yàn)對(duì)象的薄膜結(jié)構(gòu)中部表面，同樣與結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接。通過(guò)使用激勵(lì)力錘敲擊試驗(yàn)對(duì)象結(jié)構(gòu)的表面，給試驗(yàn)對(duì)象施加振動(dòng)激勵(lì)，同時(shí)將力傳感器接收到的激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)電荷放大器傳入信號(hào)采集分析儀。加速度傳感器將接收到的加速度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)電荷放大器傳入結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)中的信號(hào)采集分析儀。

充氣測(cè)壓系統(tǒng)包括氣泵、微壓計(jì)以及軟管。其中氣泵用于對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行充氣加載，微壓計(jì)用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部的氣壓，氣泵和實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及微壓計(jì)與實(shí)驗(yàn)對(duì)象均由軟管相連接。

試驗(yàn)用計(jì)算機(jī)用于集成和調(diào)用結(jié)構(gòu)模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，處理和顯示由加速度傳感器和力傳感器傳輸來(lái)的電信號(hào)，將采集到的加速度信號(hào)和力信號(hào)，根據(jù)多參考最小二乘復(fù)頻域(LSCF)原理，生成頻響函數(shù)矩陣，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到試驗(yàn)對(duì)象的各階固有頻率及其模態(tài)參數(shù)，并同時(shí)作為計(jì)算結(jié)果的輸出顯示終端。

進(jìn)一步的，加速度的測(cè)量采用單向加速度傳感器，其本身質(zhì)量不超過(guò)4g。

進(jìn)一步的，試驗(yàn)前應(yīng)通過(guò)試敲，將信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，以合理配置力錘的頂帽(擊打部位的材料)及錘頭質(zhì)量。

進(jìn)一步的，試驗(yàn)前對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行通道檢查，每次測(cè)量單點(diǎn)的敲擊次數(shù)不少于3次。

另外，本發(fā)明還提供一種基于錘擊激勵(lì)法的充氣柔性薄膜結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試方法，步驟如下：

步驟一：安裝試驗(yàn)對(duì)象；