振动模态激振力校准装置设计及修正方法研究.pdf

技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料96振动模态激振力校准装置设计及修正方法研究*郑爱建，孙浩琳中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095摘要：随着科学技术的进步，激振力测量的需求不断增加。文章通过振动试验确定线性振动系统的模态参数，描述振动系统在频率域固有特性的模态参数，包括固有频率、阻尼比、振型、模态质量等。在试验中，激振力激励作用于被测系统，同步测量激振力激励及被测系统的加速度信号，应用模态参数辨识方法辨识出系统的模态参数。关键词：振动试验；激振力；固有频率特性；阻尼比分类号：TH113.1目前，机器人工程、汽车工程、材料试验、空气动力试验等诸多领域对激振力测量准确度的要求不断提高，对激振力测量提出了迫切的需求。飞机及火箭采用舵机或发动机的矢量推力系统进行飞行控制，需要测量单方向或三维激振力，测量系统的动态响应能力对评价和提高飞控系统的品质至关重要1。在飞行器和航空发动机结构强度试验中，激振力测量准确度对评价结构的寿命和可靠性具有重要意义。精密机械加工过程执行机构或刀具的激振力测量和控制水平直接影响加工精度；精密坐标测量机测头的接触力对测量准确度有重要影响；铆接、焊接、压装、装配过程激振力的控制影响产品的品质。此外，在船舶、兵器、车辆、动力、建筑、交通、矿山、物探等领域，激振力的测量与校准也具有十分重要的意义。激振力测量的准确度不仅涉及产品的安全性和品质，还对提高制造水平和效率、降低产品成本具有重要意义2。1 基于振动台激励源的激振力校准装置设计1.1 基于振动台的激振力激励源及隔振设计激振力激励源及测量系统主要由以下部分组成：基于振动台和气浮轴系的激振力激励源、主动及被动隔振系统、二维位移机构、激光干涉仪、数据采集及处理系统。系统实现的激振力值范围是 10 mN 10 000 N；正弦力频率范围是 10 1 000 Hz。由于所涉及的激振力值范围较宽，且大功率振动台产生的本底噪声较大，在小力值测量时信噪比较差，需要采用 3 套振动台。考虑到动圈的质量，采用额定推力分别为 1 kN、5 kN和 20 kN 的振动台。在大力值校准时，振动台将会产生高达 10%以上的侧向干扰力，对校准有较大的影响。采用气浮轴系技术，限制振动台台面的侧向运动，可以降低侧向力水平的影响。在小力值校准时，侧向力不明显，不需要采取此措施。振动台采用闭环控制的方式，力传感器的输出信号被振动控制器采集，用于进行激振力的反馈控制3。振动台产生激振力的同时，对地基施加激振力。当振动台产生大力值的激振力时，将会使周围的地面、物体产生明显的振动。由于激光干涉仪对振动的干扰非常敏感，必须进行隔振处理。为有效隔离振动，采用大质量的振动台地基，使其质量大于振动台动圈质量 1 000 倍。地基材料选用硅酸盐水泥和重晶石，质量为 22.6 t。为避免地基的干扰力对激光干涉测量系统测量加速度造成干扰，将振动台和激光干涉测量系统的地基进行隔离。同时，将激光干涉仪及二维位移机构放置在主动隔振台上。经过采取上述措施之后，10 Hz 以上的振动对激光干涉测量系统的干扰被大幅减弱4。1.2 激振力动态测量系统动态测量系统采用 PXI 总线仪器，其主要优点包括系统的各模块在数据采集等应用中可以很方便地进行同步，有利于保持动态测量过程中相位的一致性；模块种类多，可以很方便地组成功能强大的测量系统；可以通过网络或 GPIB 接口和其他计算机或测量系统相连。外差干涉仪的输出信号与信号发生器输出信号进行混频，经低通滤波后由高速数据采集系统同步采集。文章编号：2096-3092（2024）01-0096-03*基金项目：国家重点研发计划资助（2022YFB3207000）作者简介：郑爱建，男，硕士，研究方向为振动冲击计量测试；孙浩琳，男，硕士，研究方向为振动冲击计量测试。造纸装备及材料 第 53 卷 总第 226 期 2024 年 1 月 技术与创新97加速度传感器输出信号经放大后由高准确的数据采集系统和数字电压表进行测量。加速度信号经牛顿第二定律转换后可直接得到力值信号，公式如下：F=ma（1）式中：F 为激振力，N；m 为加速度传感器的质量，kg；a 为加速度值，m/s2。该力值信号也由控制器进行测量，用于闭环控制。高速数据采集系统和高准确度数据采集系统由内部触发系统控制同步采集数据。计算机通过控制位移机构在200 mm200 mm 平面内运动，定位准确度优于 10 m。将反射镜置于位移平台上，实现激光光束在质量块上表面的扫描测量。控制器实现对激振力值的开环或闭环控制，可根据需要产生正弦、冲击及随机力激励。激光干涉仪信号与力传感器信号被数据采集系统同步采集，可以获得质量块位移随时间的变化系列，对位移信号进行微分获得加速度信号。根据不同种类的激振力信号，研究信号分析方法，通过力传感器输出的随时间变化和干涉测量到的位移信号进行力传感器的动态溯源5。2 基于振动台激励源的激振力校准修正方法2.1 质量块加速度分布均匀性设计沿轴向振动的柱状质量块受力分析如图 1 所示，左侧端面与振动台台面固定，其他表面均处于自由状态。轴向Lx（a）沿轴向振动的柱状质量块示意图xdd+轴向（b）沿轴向振动的柱状质量块受力图L长度；、+d两侧截面轴向正应力。图 1 沿轴向振动的柱状质量块受力分析在其轴线任意位置 x 处，沿轴向截取长为 dx 的微元受力分析，两侧截面轴向正应力分别为 和+d。该微元符合牛顿第二定律：（2）式中：S 为柱状质量块横截面积；为质量块密度；u（x,t）为质量块的轴向位移函数。在这种情况下，任意一个横截面内的各点加速度都是相同的。一种接近等截面柱状质量块安装示意图如图 2 所示。1234561振动台台面；2传感器连接板；3传感器；4质量块；5传感器安装螺钉；6台面安装螺钉。图 2 等截面柱状质量块安装示意图高度为 200 mm 的固定截面柱状不锈钢质量块，在其底面施加 2 000 Hz 正弦加速度载荷，取结构阻尼为0.06，对其轴向加速度分布情况进行有限元计算，计算结果与理论解预测非常一致6。2.2 分析加速度分布误差质量块轴向取为 z 向。在质量块与连接件的过渡截面（z=0）处，连接件的力只能作用在直径为 26 mm的圆面内，而不能均匀作用在质量块的整个截面（直径 60 mm 的圆面）上，导致质量块底面（z=0）附近相同截面内各点的加速度不同。对于质量块 0 z 50的轴向段，在同一横截面内，中心点的加速度与边缘点（或质量块侧壁母线上的点）的加速度就存在明显差异，这会导致理论预测产生偏差。为了准确把握加速度的分布情况，还需要考虑质量块底面（z=0）上加速度沿底面直径分布的情况。采用有限元法计算带连接件的质量块（质量块60 mm100 mm，连接件 26 mm32 mm）所产生的激振力如表 1 所示。对于不同的质量块和连接件，要通过计算获取不同的修正值。采用外差扫描式激光干涉仪（PolytecPSV-400）测量圆柱形质量块外表面沿轴向的加速度分布，并与理论解和有限元解进行对比。使用 60 mm200 mm 的圆柱形质量块，压电式力传感器型号是 9331A，两端 技术与创新 2024 年 第 1 期 总第 226 期 造纸装备及材料98带螺纹的转接头将质量块和传感器相连，转接头部分可以用 26 mm32 mm 的圆柱取近似值7。在正弦振动频率为 1 600 Hz 时，在距离质量块下面 32 mm 处开始，一直到质量块上顶面，质量块加速度分布的理论值与有限元计算值基本重合；质量块下面到 32 mm 这段，有限元计算值趋近于一条直线，而理论值是一条平滑的曲线；实际测量得到的加速度比值的变化趋势与有限元计算值相近，在质量块下面到 32 mm 处这段的测量点也有近似直线的变化趋势，32 mm 到质量块上顶面这段，测量值基本与有限元计算值重合。出现这些现象的原因为理论值是在质量块直接与振源连接的情况下得到的，而有限元计算值与实际测量值是在质量块通过连接件与振动台台面连接的情况下得到的8。2.3 激振力校准修正由前文可知，理论计算方法在测量点到质量块下端的距离较小时出现较大偏差，有限元法与实际的安装边界更接近，在全量程内呈现高度拟合趋势。因此，文章提出的激振力校准修正方法基于有限元分析结果进行9。对于已确定质量块，在满足测量面加速度分布均匀的前提下，测量结果的加速度 a测量的修正系数为 Kh（测量点距离参考点的距离为 h）。修正后的校准结果公式如下：（3）质量块在稳定环境下，其质量属于本征特性，不会随时间发生改变。因此基于牛顿第二定律，校准修正后的激振力值为（4）3 结束语据研究，在正弦振动频率为 2 000 Hz 时得到的加速度分布的理论值、模拟值、实际测量值的变化趋势与在 1 600 Hz 时得到的加速度分布变化趋势完全一致，只是在频率增加时，理论值误差增加。在进行加速度修正时，由于质量块靠近底端部分的一段的实际加速度分布与理论分布有差别，需要更进一步考虑接近质量块底端部分的修正。通过理论计算、有限元分析及实际测量，有限元分析更接近实际测量值，因此采用表 1 中的有限元法计算值对此种规格的质量块及连接件结构的激振力值进行修正。修正量依校准频率不同而变，在 20 Hz 时为 1.74%，在 5 000 Hz 时为 3.86%。当质量块和连接件的尺寸或结构有所变化时，应重新确定修正量。参考文献1 朱世清,连荫俊,郝永波,等.大范围弱刚性运动模拟系统的振动特性分析与振动抑制方法J.航天器环境工程,2023,40(5):455-460.2 姚亚飞,吴海峰,钱文,等.基于通电加热辅助车削的切削振动实验验证J.造纸装备及材料,2023,52(6):95-97.3 罗清,韩靖,雷镭,等.电动扭转激振器及其在传动系振动模态试验中的应用J.噪声与振动控制,2020,40(2):243-248.4 朱玉玲.正交各向异性C/SiC复合材料通风盘式制动器振动模态及热-机耦合仿真优化分析D.青岛:青岛理工大学,2023.5 武宇琼.悬索桥竖向振动离散分析及损伤识别D.昆明:昆明理工大学,2023.6 左彦飞,李进,梁吉鹏,等.盘结构行波共振非接触式激励方法与试验验证J.推进技术,2022,43(12):296-307.7 唐军,高处,李福军,等.考虑首侧推激励的综合物探调查船振动分析J.舰船科学技术,2020,42(17):49-53.8 李玉梅,蒋立军.基于有限元法的振动筛箱体可靠度分析J.造纸装备及材料,2023,52(1):11-13.9 易跃峰,杨德庆,刘西安,等.船舶振动声学优化设计中设备运动激励的等效反演力方法J.计算力学学报,2022,39(4):397-403.表 1 理论分析法和有限元法计算激振力的差异频率/Hz理论分析法/N有限元法/N相对偏差100 237.33 233.201.74%500 239.48 235.241.77%1 000 246.44 241.861.86%1 500 258.98 253.772.01%2 000 278.84 272.642.22%3 000 356.97 346.882.83%5 0002 695.312 566.754.77%