24.模态空间01.12—试验设置对所测模态数据有影响吗?边界条件和加速度计有影响吗?

MODAL SPACE – IN OUR OWN LITTLE WORLD

模态空间 – 在我们自己的小世界中 Pete Avitabile() 董书伟(译)

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试验设置对于测量的模态数据有影响吗?试验设置的边界条件和加速度计有影响吗?

影响是必然的!!!!我们讨论一下这个问题。

KSI科尚仪器 2013年12月28日发布

毫无疑问试验设置和仪器对于测量的数据可能会有影响。当测试诸如磁盘驱动器,透平叶片,机箱,计算机电路板以及其他轻质结构更是如此。

尽管显然对于一个有经验的测试工程师来说,试验设置和仪器可能会对模态试验的测量结果有影响,而对于新的模态试验测试工程师来说,或许没有那么显而易见。(近期我读了一篇在轻质结构上进行的模态试验报告,经过多次不同的试验和分析之后,“揭示了”加速度计的质量对测量的测试对象固有频率有影响。所以深入讨论这个问题极有价值。)

从实际的角度来看,很明显在试验过程中作用到结构上的仪器直接增加了结构的质量。但是,我感到大为震惊的是,很多时候大多数刚接触模态试验的测试工程师竟然没有意识到这个事实。出于某些原因,他们认为仪器是被测结构的一分子。但是很多情况下安装到结构上的仪器对于测量的频响函数有影响。从理论的角度来看,固有频率与刚度质量之比的平方根有关。因此有理由认为如果传感器的质量加到结构上去的话,会使得测量结果继而固有频率会降低。显然,加速度计的质量越大,频率移动的越明显。另一方面,测试对象的大小当然对此也有影响。如果一个加速度计加到一个质量巨大的结构上,例如桥梁或建筑,那么加速度计的影响几乎可以忽略不计。但是,当被测结构的大小和质量变小时,加速度计质量的影响变大。

同样非常值得注意的是,结构质量不必是结构的整体质量,而是结构的模态活动部分的有效质量。例如,考虑一个带有磁盘驱动器和计算机电路板的大型计算机框架的模态测试。在框架主体部分的加速度计质量可能不会带来什么问题。但是,在机箱壁板或计算机电路板上的加速度计重量可能会对测得到频率有严重的影响。人们经常搞混了,认为加速度计的质量是相对于结构的总体质量。情况并非如此。它是加速度计质量相对于结构模态活动部分的质量,这部分质量跟整体结构的总质量相比可能差别巨大。

展示加速度计质量影响的最好方法是去实验室做一次测试。为了展示质量载荷影响,拿一个轻质磁盘驱动器支架进行测量。这是一个矩形结构,大约5in×3in×2in高,用来安装一些老式的磁盘驱动器。(现在,我对这些测量已经不感冒了,但它们可以清楚地展示问题所在。)

一个质量很轻,一个质量相对轻,一个质量更重的加速度计分别安装到支架侧的开敞部位。进行三次独立的锤击试验取得典型的测量结果。只在x-方向测量锤击激励和加速度响应,以得到如图所示的驱动点测量结果。两次极端质量情况的测量结果如图所示。箭头指出了两个频率,例如,测得的260Hz(红)和271Hz(蓝);频率266Hz的第三个中间质量的测量结果未在图中显示出来。对这个频率来讲,情况大相径庭。所以加速度计质量影响很大;高阶频率影响程度更甚。

另一个值得注意的是,图中所示幅值低的两阶频率好像受加速度计质量的影响不严重。这两阶模态是响应中的y-向或z-向主模态。因为这个驱动点测量结果只在x-向取得,那么加速度计质量基本上位于这些低幅值模态的节点上,故而受到的影响可以忽略。

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那么从所做的这个简单试验可以得出两个重要结论。首先,加速度计的质量有影响。情况必然如此,因为任意系统定义固有频率的方程不但含有刚度而且含有质量。第二,加速度计质量所处的位置也有影响。如果质量位于某一阶模态的节点(零幅值点)上,那么质量的附加就对那阶模态没有影响。如果加速度计质量位于某一阶模态的反节点(最大幅值点)上,则对那阶模态产生最大的影响。

当然,质量载荷影响会带来一些问题,如果要求测得精确的频率结果更是如此。利用非接触(或者非介入)测量设备来测量固有频率。例如,用激光设备来获取高质量FRF测量结果,不会对结构带来任何质量载荷影响。但是,这些设备通常非常昂贵,不是每个实验室里都有。另外,利用电涡流探头或应变片进行测量,也可以得到相当好的结果。但是,被测结构这些用于被测结构并不总是那么方便。

如何识别质量载荷的影响?嗯,最简单的方法是在结构同一位置安装两个加速度计。用两个加速度计测量一个FRF结果,再只用一个加速度计测得第二个结果。这将很快发现质量载荷是否是个问题。如果这引起了问题,那么需要进行修正性测量。(这个问题的进一步讨论超出了本文范围,将来有时间再解释。)

但是,我感到有另外一件事情跟加速度质量载荷影响一样重要,它几乎总是被忽视了。很多模态试验是在“自由-自由”条件下进行的。实际上,在地球上我们没有办法做到这点。最多我们可以模拟出相当接近无约束(自由-自由)的条件。

采取不同的支架支撑方案,进行了几次测试。三个FRFs如图2所示。支架支撑在后泡沫上(绿),气囊包装材料(红)以及用橡皮条悬挂(蓝)。(此处采用讨论质量载荷影响相同的频率范围。)显示的频率范围是266Hz到272Hz(另外幅值大为不同。)我们观察到了跟质量载荷影响几乎一样的频率变化!!!那么当每个人对质量载荷影响感到厌烦的时候,却对结构支撑条件想都没想,我笑我自己(而又提出一些有益的观点供考虑)。显然,支撑条件的变化如同加速度计质量载荷影响一样重要。很多情况下,支撑方式的影响比质量载荷影响更为重要 — 要当心啊!!!

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现在只是用试验室里已有的设备进行这些测量来很快展示给你这个问题。没有竭尽所能来展示质量载荷问题。但另外也认识到用来保持结构处于“自由-自由”条件的支撑系统同样重要。我希望这有助于回答你的关于试验设置的问题。如果你有关于模态分析的任何其他问题,问我好了。

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