分析結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)是優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)象力學(xué)性能的關(guān)鍵。測試結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型有助于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)性能。因此，模態(tài)分析是產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)重要過程。

本文主要介紹通過試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析獲得了飛機(jī)模型的模態(tài)特性的過程。利用一個(gè)模態(tài)激振器和多個(gè)傳感器做SIMO FRF模態(tài)測試，獲得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。用激振器激勵(lì)比用模態(tài)力錘激勵(lì)具有更好的一致性和可重復(fù)性。另外，用激振器激勵(lì)平均數(shù)更高，可以獲得更干凈的數(shù)據(jù)。高質(zhì)量測量有助于更好地獲得結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。

為了避免巡回響應(yīng)測量中的質(zhì)量附加效應(yīng)，完整的模態(tài)試驗(yàn)在一次運(yùn)行中完成。一次性在對(duì)應(yīng)的測點(diǎn)上共布置25個(gè)傳感器。

這次SIMO FRF模態(tài)測試(http://www.cn-hua.com/3093.html)，硬件使用高通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?Spider-80Xi，軟件使用模態(tài)分析軟件版本EDM-Modal 8.1。

圖?1.飛機(jī)模型的模態(tài)激振試驗(yàn)?

按照網(wǎng)格劃分，25個(gè)測點(diǎn)布置在前翼和后翼上。使用彈性繩懸掛飛機(jī)模擬自由-自由邊界條件（如試驗(yàn)裝置所示）。模態(tài)激振器安裝在飛機(jī)中心的正下方以激勵(lì)全局模態(tài)。通過均勻分布在機(jī)翼上的24個(gè)單軸加速度計(jì)和1個(gè)阻抗頭采集響應(yīng)。測量垂直方向的激勵(lì)和響應(yīng)有助于獲得平面外的模態(tài)振型。

圖2.飛機(jī)幾何模型

我們對(duì)低階模態(tài)感興趣，因此設(shè)置采樣率為1kHz，塊大小為2048。通過這兩個(gè)設(shè)置獲得0.488Hz足夠高的頻率分辨率。對(duì)每個(gè)測量自由度上的28個(gè)塊數(shù)據(jù)進(jìn)行線性平均計(jì)算，獲得較高的精度和更低的噪聲。

用突發(fā)隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)提供頻寬450Hz的能量激勵(lì)，可以設(shè)置激勵(lì)信號(hào)持續(xù)時(shí)間占整個(gè)周期的百分比，以控制無輸出持續(xù)時(shí)間，使響應(yīng)衰減至零。通過這個(gè)設(shè)置，將不會(huì)有泄露。我們選擇均勻窗，輸出幅值設(shè)置為0.2V，激勵(lì)信號(hào)持續(xù)時(shí)間百分比設(shè)為80%。

圖3. 飛機(jī)SIMO FRF測試

激勵(lì)信號(hào)持續(xù)時(shí)間百分比設(shè)置為80%，保證了每個(gè)周期有1.64s的激勵(lì)輸出，0.41s無輸出。這可以從上圖中的時(shí)間塊信號(hào)圖中看出。

上圖中的相干圖出現(xiàn)了谷值，說明在這些頻率范圍結(jié)構(gòu)的響應(yīng)水平相對(duì)較低。總的來說，輸入和輸出在期望的頻率范圍內(nèi)是相關(guān)的。

FRF圖顯示在0-150Hz的頻率范圍內(nèi)有良好的峰值。繪制所有FRF的虛部，觀察所有測量自由度之間的相位關(guān)系。在虛部圖中，各條曲線的峰值位置有良好的一致性，說明不存在質(zhì)量附加效應(yīng)。

圖4. 模態(tài)數(shù)據(jù)選擇選項(xiàng)卡，顯示重疊的FRF曲線的虛部

用Poly-X算法?(最小二乘復(fù)頻域法) 擬合2階FRF，獲得如下的穩(wěn)態(tài)圖。在分析頻率范圍內(nèi)選擇1個(gè)剛體模態(tài)和5個(gè)彈性模態(tài)。采用多變量模態(tài)指示函數(shù)（MMIF）表示固有頻率處的谷值。

圖?5.第一個(gè)頻帶的穩(wěn)態(tài)圖?

圖?6. 第二個(gè)頻帶的穩(wěn)態(tài)圖?

Auto-MAC矩陣有助于驗(yàn)證結(jié)果. 下面的Auto-MAC圖表示各階模態(tài)是相互正交的（較低的非對(duì)角元素），并且是唯一標(biāo)識(shí)的（較高的對(duì)角元素）。?

圖?7. 飛機(jī)SIMO模態(tài)測試Auto–MAC圖?

穩(wěn)定物理極點(diǎn)相關(guān)的模態(tài)動(dòng)畫如下圖所示：

結(jié)果顯示了高通道系統(tǒng)Spider-80Xi和EDM Model軟件對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測試的強(qiáng)大和高效。

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