101.模态空间14.10 - 建立自由-自由试验设置的最好办法是什么？

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

模态空间 – 在我们自己的小世界中 Pete Avitabile(著) KSI科尚仪器董书伟（译）

建立自由–自由试验设置的最好办法是什么？因为没有什么是真正自由–自由的。

好的…我们讨论一些实现它的非传统方法。

2016年06月06日发布 version1.0

好吧…很多人总是问我设置自由-自由试验的正确方法是什么。嗯，实现它，没有什么正确的方法，倒是确有非常糟糕的方法。

最常见的方法是利用橡皮绳（或者类似的东西，取决于结构的重量）。我曾见过用橡皮绳支撑的导弹以及大型的风机叶片。我也曾见过气囊系统用于很多不同的情况。嗯，我能够列举我们能实现的所有不同方法。但最重要的是你必须确保边界条件不干扰被测系统。边界条件应该对系统的弹性体模态少有影响。当情况如此时，我们可以讲，试验设置对测试结构中感兴趣模态具有很小的影响。

但我们实际上需要检查这一点，以确保试验设置对系统的弹性体模态没有影响。我们需要用一组支撑位置将结构建立起来，接下来用一组不同的支撑位置或者改变支撑位置的支撑刚度（例如，有可能用两倍数量的橡皮绳或者改变气囊支撑系统的压力）重新对结构进行试验。如果系统的弹性体模态改变不明显，那么支撑条件可能影响很小。但是边界条件仍有可能带来某些影响，需要仔细检查。

那么作为一个例子，我近期有2个被测的结构，使用了某种非常有别于传统的边界条件。第一个是一个很小的、质量很轻的结构，具有一些非常密集的框架弯曲和扭转模态，而第二个结构是一个更重的固定板，用于某种冲击响应谱试验工作。

第一个结构支撑的灵感实际上来自于跟一个亲密同事之间的电话交谈，其中他在课堂上提到，对隔振系统你几乎可以使用任何东西。一个学生问可以采用的极端手段是什么，作为有趣的评论，他立刻说“如果你想用棉花糖，我也不在乎”。嗯，听到这个，我决定用不同尺寸的棉花糖测试我们的一个标准实验室结构；在实验室内，用非常小的棉花糖以及大的棉花糖对框架结构进行模态试验。这个特别结构被设计具有在频率上非常非常临近的第1阶弯曲和第1阶扭振模态，频率几乎到了一样的程度。

第1次试验（试验#1）是用四个大的棉花糖建立的，四个棉花糖位于框架支腿的四个中截面，对应于扭振模态的节点。第2次试验（试验#2）用10个小型棉花糖建立，它们分布在框架上。做了这两个试验，首先注意到的是，弯曲和扭转模态交换了，取决于用这前两个试验中的哪一个。所以又建立了第3次试验（试验#3），其中大的棉花糖位于框架的各角上。

刚体模态确实受到了棉花糖布置的影响。但是特别需要注意的是，在每种不同的布置中，刚体模态也显示出少许的频率差别。因此边界条件确实对系统的弹性体模态有点儿影响。但更为重要的是，在试验#1和试验#2中，弯曲和扭转模态的顺序出现不同。所以非常重要的是认识到支撑条件对模态频率以及模态的组成具有非常大的影响。注意到，试验#2和试验#3这两次试验却有一样的模态顺序。所以我们不但需要对频率的迁移当心，而且需要关心因试验设置导致的模态组成。图1显示了三种不同试验设置的前2阶模态结果，结构在棉花糖支撑下的照片，以及每个布置的典型驱动点测量结果。

图1：棉花糖支撑上的框架结果

现在，第2个结构是实验室内已有的一个冲击响应谱平板。结构安装在一个空气活塞悬浮系统之上。但是在有空气活塞系统之前，需要做一个非常快速的模态试验以验证模型，并做些初步的冲击预测。在没有空气活塞支撑平板的情况下，设计了一个非常粗糙的悬浮支撑。现在在大学内，经费总是有限的，所以需要提供一个经济可行的支撑。一天经过长时间的思考，我想到了一个妙招儿。那个手动的旧马桶皮搋子对于冲击平板的支撑看起来具有非常好的可能性。

当我带了6个马桶搋子出现在收银机前时，五金店异常惊讶。我们250磅冲击平板用了两种布置方案 — 一种是3个马桶搋子位于空气活塞位置，另一种是6个马桶搋子。

并且这次试验的结果非常好。两种布置中的刚体模态都很好，弹性体模态也相似，如3个马桶搋子的图2（左侧）和6个马桶搋子的图3（右侧）所示。结果是那么的好，以至于近期来自欧洲同行的一次参观，提出在E-Bay上哪儿能够买一些这样的马桶搋子的问题（对此我回答是，就到你当地的五金店，买某品牌的新马桶搋子即可 — 实际上每把搋子仅售大约5美元，跟已经炮制的某些更为昂贵的布置相比，它们实在是物美价廉）。