用于薄殼高階模態(tài)振型測試的同步激振系統(tǒng)及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及模態(tài)振型測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于薄殼高階模態(tài)振型測試的同步激振系統(tǒng)及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃?xì)廨啓C(jī)、離心壓縮機(jī)、破碎機(jī)、造粒機(jī)等機(jī)械裝備中存在著大量的薄殼構(gòu)件，例如結(jié)構(gòu)外殼、軸承外圈、轉(zhuǎn)鼓、鋼圈等。這些薄殼構(gòu)件在氣動場、慣性力場、機(jī)械振動場等多場耦合環(huán)境作用下，經(jīng)常被激發(fā)高階模態(tài)而發(fā)生高階振動疲勞失效。由于高階模態(tài)振型局部振動豐富、振動特點(diǎn)愈加復(fù)雜，往往具有多個節(jié)點(diǎn)或多條節(jié)線，使用單個激振器來測試其模態(tài)振型存在激勵能量分布不均、極有可能發(fā)生模態(tài)遺漏等問題。另外，由于薄殼的壁厚薄、質(zhì)量輕，采用傳統(tǒng)的電磁激振器也會帶給被測殼體較大的附加質(zhì)量和剛度，影響模態(tài)振型的測試效果。因此需要加深對該類結(jié)構(gòu)高階模態(tài)振型測試的相關(guān)技術(shù)及方法研究，特別是開發(fā)出可以滿足高階模態(tài)振型測試需求的儀器或設(shè)備。
[0003]壓電陶瓷是能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化或耦合的一類重要功能材料，由于逆壓電效應(yīng)，在變化的電場作用下，壓電陶瓷可以產(chǎn)生振動能量。同時，由于其體積小、重量輕，因此該類型陶瓷在高頻激勵方面相對于其它激振方式和方法有著很大的優(yōu)勢。但由于壓電陶瓷在尺寸、材料參數(shù)、電容量、制備工藝(單級性或雙級性)以及驅(qū)動電源的輸出功率等方面存在很大的差異，目前將壓電陶瓷直接作為振動激振設(shè)備使用還存在一些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種用于薄殼高階模態(tài)振型測試的同步激振系統(tǒng)及測試方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種用于薄殼高階模態(tài)振型測試的同步激振系統(tǒng)，包括:
發(fā)送產(chǎn)生振動源指令并實(shí)時獲取激振信號的工業(yè)計(jì)算機(jī)；
根據(jù)工業(yè)計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生振動源指令來產(chǎn)生相應(yīng)振動源信號的信號發(fā)生器；
將振動源信號轉(zhuǎn)化輸出頻率和相位不變、幅值放大的激勵信號的同相位功率放大器； 通過吸附方式利用激勵信號對薄殼構(gòu)件進(jìn)行激振的若干吸附型激振器；
采集吸附型激振器的激振信號的數(shù)據(jù)采集儀；
所述工業(yè)計(jì)算機(jī)的輸出端連接信號發(fā)生器的輸入端，信號發(fā)生器的輸出端連接同相位功率放大器的輸入端，同相位功率放大器的輸出端分別連接吸附型激振器的輸入端，吸附型激振器吸附在薄殼構(gòu)件側(cè)壁上，吸附型激振器輸出的激振信號作用在薄殼構(gòu)件側(cè)壁上，同時吸附型激振器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集儀的輸入端，數(shù)據(jù)采集儀與工業(yè)計(jì)算機(jī)連接。
[0006]所述吸附型激振器安裝在可調(diào)懸掛裝置上，該裝置包括:
根據(jù)薄殼構(gòu)件大小來調(diào)節(jié)框架大小的可調(diào)框架；
根據(jù)薄殼構(gòu)件大小進(jìn)行位置伸縮調(diào)節(jié)以懸掛薄殼構(gòu)件的懸掛懸伸支架； 將薄殼構(gòu)件懸掛在可調(diào)框架內(nèi)部的柔性懸掛繩；
可調(diào)框架為正方形框架，可調(diào)框架中各連接桿通過位置固定螺釘可調(diào)；懸掛懸伸支架安裝在可調(diào)框架的頂部，柔性懸掛繩的一端與懸掛懸伸支架連接，柔性懸掛繩的另一端連接薄殼構(gòu)件。
[0007]所述懸掛懸伸支架包括八個調(diào)節(jié)條形板和四個調(diào)節(jié)支架板；
所述調(diào)節(jié)條形板為內(nèi)部具有可調(diào)節(jié)長條通孔的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，各調(diào)節(jié)條形板星型連接，調(diào)節(jié)條形板之間用螺釘螺母鎖緊；
所述四個調(diào)節(jié)支架板的一端分別與可調(diào)框架的四個頂點(diǎn)固定，四個調(diào)節(jié)支架板的另一端分別固定在各調(diào)節(jié)條形板的四個星型連接處。
[0008]所述吸附型激振器一端吸附在薄殼構(gòu)件側(cè)壁上，另一端通過360°蛇形調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)連接在可調(diào)框架上。
[0009]所述吸附型激振器包括:
支撐整個吸附型激振器結(jié)構(gòu)的外殼體；
將整個吸附型激振器吸附在薄殼構(gòu)件側(cè)壁上的磁鐵；
連接磁鐵和外殼體的振動輸出軸；
根據(jù)同相位功率放大器的輸出信號產(chǎn)生振動的激勵源壓電陶瓷；
采集激勵源壓電陶瓷振動量的振動量采集壓電陶瓷；
為激勵源壓電陶瓷和振動量采集壓電陶瓷提供回位作用力并傳輸振動力的蝶形彈簧;
所述激勵源壓電陶瓷、振動量采集壓電陶瓷通過預(yù)緊螺桿預(yù)緊安裝在外殼體內(nèi)部；多個激勵源壓電陶瓷并聯(lián)由同相位功率放大器驅(qū)動，激勵源壓電陶瓷的驅(qū)動電壓線作為吸附型激振器的驅(qū)動信號輸入端；激勵源壓電陶瓷接觸安裝在振動量采集壓電陶瓷上表面，振動輸出軸的一端接觸安裝在外殼體內(nèi)部激勵源壓電陶瓷上表面，振動輸出軸的另一端位于在外殼體外且安裝磁鐵；所述蝶形彈簧位于外殼體內(nèi)部上方且與外殼體壓緊，蝶形彈簧下端與激勵源壓電陶瓷接觸。
[0010]所述同相位功率放大器包括供電電源和功率轉(zhuǎn)換電路；
所述供電電源包括變壓器和整流濾波穩(wěn)壓模塊；
變壓器的一級線圈連接AC220V/50HZ交流電，變壓器的次級線圈輸出端連接整流濾波穩(wěn)壓模塊的輸入端，整流濾波穩(wěn)壓模塊的輸出端連接功率轉(zhuǎn)換電路的供電輸入端，功率轉(zhuǎn)換電路的信號輸入端連接信號發(fā)生器的輸出端，功率轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接吸附型激振器的驅(qū)動信號輸入端。
[0011]所述變壓器的次級線圈分別輸出AC+/-150V交流電、AC+/-15V交流電和AC+/-5V交流電；其中AC+/-150V交流電經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓后輸出DC+/-150V直流電壓為功率轉(zhuǎn)換電路提供高壓來驅(qū)動吸附型激振器；AC+/-15V交流電壓經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓輸出直流DC+/-15V，為功率轉(zhuǎn)換電路中的運(yùn)算放大器供電；AC+/-5V交流電經(jīng)整流濾波穩(wěn)壓輸出直流DC+/-5V，為功率轉(zhuǎn)換電路提供轉(zhuǎn)化電壓。
[0012]所述功率轉(zhuǎn)換電路包括:
電平轉(zhuǎn)換器:對信號發(fā)生器輸出信號進(jìn)行電平高低轉(zhuǎn)換分別輸出至恒流電源電路、控制電壓調(diào)節(jié)電路； 恒流電源電路:對電平轉(zhuǎn)換器輸出信號的電流大小控制調(diào)節(jié)輸出至功率輸出電路； 控制電壓調(diào)節(jié)電路:對電平轉(zhuǎn)換器輸出信號的電壓大小控制調(diào)節(jié)輸出至功率輸出電路；
功率輸出電路:輸出電壓和電流驅(qū)動吸附型激振器；
信號發(fā)生器的輸出端連接電平轉(zhuǎn)換器的輸入端，電平轉(zhuǎn)換器的輸出端分別連接恒流電源電路的輸入端、控制電壓調(diào)節(jié)電路的輸入端，恒流電源電路的輸出端、控制電壓調(diào)節(jié)電路的輸出端分別連接功率輸出電路的輸入端，功率輸出電路的輸出端連接吸附型激振器的驅(qū)動信號輸入端。
[0013]采用所述的同步激振系統(tǒng)進(jìn)行薄殼高階模態(tài)振型測試的方法，包括如下步驟: 步驟1:通過仿真方法計(jì)算薄殼構(gòu)件的高階固有頻率和模態(tài)振型；
步驟2:通過測繪方式獲得薄殼構(gòu)件的尺寸參數(shù)，并建立薄殼構(gòu)件模態(tài)振型測試所需的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?br> 步驟3:將薄殼構(gòu)件懸掛并進(jìn)行預(yù)測試，確定吸附型激振器的數(shù)量和吸附位置；
步驟4:進(jìn)行薄殼構(gòu)件模態(tài)振型測試；
步驟4-1:工業(yè)計(jì)算機(jī)隨機(jī)發(fā)送產(chǎn)生振動源指令給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)振動源信號；
步驟4-2:同相位功率放大器將振動源信號幅值放大并輸出至各吸附型激振器；
步驟4-3:各吸附型激振器以相同的激勵幅度對薄殼進(jìn)行同步振動激勵；
步驟4-4:數(shù)據(jù)采集儀采集每個吸附型激振器對應(yīng)的激勵信號，通過一個輕質(zhì)加速度傳感器或多個輕質(zhì)加速度傳感器測試獲得試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭腥繙y點(diǎn)對應(yīng)的響應(yīng)信號，并反饋至工業(yè)計(jì)算機(jī)；
步驟4-5:工業(yè)計(jì)算機(jī)獲得響應(yīng)信號相對于激勵信號的傳遞函數(shù)；
步驟5:采用基于多輸入多輸出的模態(tài)識別方法對多組傳遞函數(shù)進(jìn)行高階固有頻率和模態(tài)振型向量的識別，并完成對薄殼的高階模態(tài)振型的動態(tài)顯示。
[0014]所述步驟3將薄殼構(gòu)件懸掛并進(jìn)行預(yù)測試的具體步驟如下:
步驟3-1:調(diào)整測試參數(shù)，包括激勵電壓、采樣頻率、測試頻率范圍；
步驟3-2:確定薄殼構(gòu)件沿軸線方向的中間位置，沿著360°圓周方向?qū)んw劃分為3等份，并每隔120°的間隔位置通過360度蛇形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置一個吸附型激振器；
步驟3-3:將輕質(zhì)加速度傳感器布置到薄殼構(gòu)件的一端，通過預(yù)測試獲得輕質(zhì)加速度傳感器測點(diǎn)的振動響應(yīng)信號相對于步驟3-2所述三個吸附型激振器測點(diǎn)響應(yīng)信號的三組相干函數(shù)；
步驟3-4:如果三組相干函數(shù)對應(yīng)的相干系數(shù)在測試頻率范圍內(nèi)的超過50%的值大于0.8，則吸附型激振器的數(shù)量和位置滿足測試要求，執(zhí)行步驟4 ;否則，執(zhí)行步驟3-5 ;
步驟3-5:沿著薄殼構(gòu)件的軸線方向調(diào)整某個吸附型激振器的位置，重復(fù)步驟3-3到步驟3-4，如果還不能滿足測試要求，則將殼體沿著360°圓周方向劃分為4等份，并每隔90°布置一個吸附型激振器，或者劃分為η等份，并每隔360° /n布置一個吸附型激振器；直到吸附型激振器的數(shù)量和位置滿足測試要求，執(zhí)行步驟4。
[0015]有益效果:
為了解決不同尺寸的薄殼構(gòu)件的多點(diǎn)激勵，能量分布均勻，特別是高階模態(tài)測試時的振動同步設(shè)計(jì)，本發(fā)明利用多組壓電陶瓷，并基于