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摘要

地面振動(dòng)試驗(yàn)（GVT）包括對(duì)飛機(jī)和它的裝配部件進(jìn)行模態(tài)分析，研究結(jié)構(gòu)特性的變化。通過(guò)試驗(yàn)獲得的模態(tài)參數(shù)來(lái)驗(yàn)證分析模型。模態(tài)特征用于預(yù)測(cè)飛機(jī)的顫振，保證飛機(jī)符合安全要求。因此地面振動(dòng)試驗(yàn)（GVT）是飛機(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)周期中至關(guān)重要的部分。

介紹

隨著資金限制和飛機(jī)開(kāi)發(fā)周期敏感性的增加，對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)。?為了確保飛機(jī)符合預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)和要求，有必要對(duì)飛機(jī)做徹底的結(jié)構(gòu)分析。使用復(fù)合材料和輕質(zhì)部件可以減輕飛機(jī)的質(zhì)量，然而這可能會(huì)對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生未知的影響。為了應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性，需要進(jìn)行廣泛的測(cè)試，以測(cè)量、分析和驗(yàn)證飛機(jī)的設(shè)計(jì)。

飛機(jī)開(kāi)發(fā)周期中的測(cè)試用于評(píng)估認(rèn)證過(guò)程實(shí)施的通過(guò)/失敗標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量觀察飛機(jī)結(jié)構(gòu)是否符合認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也有助于提高有限元模型的準(zhǔn)確性。 GVT 是測(cè)試過(guò)程的重要部分。高通道模態(tài)試驗(yàn)是指在飛機(jī)首次試飛前對(duì)整個(gè)飛機(jī)組件進(jìn)行測(cè)試，以確保滿(mǎn)足認(rèn)證要求。如果測(cè)試通過(guò)了認(rèn)證要求和標(biāo)準(zhǔn)，證明飛機(jī)不存在顫振并且符合安全飛行標(biāo)準(zhǔn)。因此地面振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)飛機(jī)的安全標(biāo)準(zhǔn)非常重要。GVT不僅是一種驗(yàn)證方法，還有助于優(yōu)化飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)性能。

圖?2??飛機(jī)裝配體和子部件GVT模態(tài)試驗(yàn)的基本工作流程

GVT的主要目的是驗(yàn)證仿真計(jì)算的顫振結(jié)果，因此通過(guò)對(duì)整個(gè)飛機(jī)裝配體進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，有助于對(duì)顫振預(yù)測(cè)的有限元模型進(jìn)行微調(diào)。通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)獲得的模態(tài)參數(shù)包括飛機(jī)裝配體的固有頻率、阻尼和振型。此外，還進(jìn)行一些結(jié)構(gòu)耦合試驗(yàn)，以對(duì)仿真模型進(jìn)行了關(guān)聯(lián)和改進(jìn)，提高飛行的安全性，減輕飛行顫振。結(jié)構(gòu)耦合試驗(yàn)是指對(duì)在懸吊狀態(tài)下的飛機(jī)進(jìn)行激勵(lì)，觀察傳感器的響應(yīng)，分析飛機(jī)在實(shí)際飛行狀態(tài)下的行為。

理想情況下，GVT是在整個(gè)飛機(jī)組裝完成后的開(kāi)發(fā)周期最后階段進(jìn)行的。時(shí)間上的限制和多種測(cè)試條件要求地面振動(dòng)試驗(yàn)高效率地進(jìn)行。這些測(cè)試進(jìn)行地越快，結(jié)果對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)越有幫助。EDM Modal軟件為執(zhí)行全面的地面振動(dòng)試驗(yàn)提供高效的工具，并獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，幫助進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)性能。

工作流程

在整個(gè)測(cè)試階段中，有幾個(gè)重要的階段需要謹(jǐn)慎和及時(shí)的管理。初始階段是準(zhǔn)備測(cè)試，這可以通過(guò)使用仿真模型的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。擁有一個(gè)高效的硬件系統(tǒng)可以幫助優(yōu)化激勵(lì)和數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)分析可以幫助確定測(cè)試是否可以在另一種測(cè)試條件下進(jìn)行。在完成所有的測(cè)量之后，需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和傳輸。對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行后處理提供了必要的結(jié)果，以滿(mǎn)足合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和安全要求。

準(zhǔn)備測(cè)試

對(duì)復(fù)雜試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到仿真結(jié)果。這些仿真模型的動(dòng)力學(xué)特性可以通過(guò)GVT測(cè)試來(lái)優(yōu)化改進(jìn)。然而在對(duì)飛機(jī)裝配體進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí)，存在許多不確定性:

地面振動(dòng)測(cè)試需要多少個(gè)傳感器？
這些傳感器在飛機(jī)裝配體的安裝位置在哪里?
為了充分激發(fā)所有模態(tài)，模態(tài)激振器的安裝位置在哪里？
邊界條件是否正確建立，以使第一階柔性模態(tài)與最高階剛體模態(tài)很好地分離?

有限元模型有助于優(yōu)化試驗(yàn)配置。通常，對(duì)于大型結(jié)構(gòu)，模態(tài)測(cè)量是一次性獲得的，即在所有測(cè)點(diǎn)安裝傳感器。但是，如果由于傳感器數(shù)量限制或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量通道數(shù)量限制，采用巡回響應(yīng)模態(tài)試驗(yàn)，則可以在有限元模型中模擬質(zhì)量附加效應(yīng)，觀察其影響。此外，還可以有效地從仿真模型中得到激振器的最佳驅(qū)動(dòng)位置。一個(gè)良好的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)位置有助于激勵(lì)起飛機(jī)裝配體的全部模態(tài)。模態(tài)試驗(yàn)所需的模態(tài)激振器的數(shù)量也可以根據(jù)出現(xiàn)在頻響函數(shù)(FRF)圖上所有感興趣的模態(tài)來(lái)規(guī)劃。模態(tài)保證準(zhǔn)則(MAC)圖不僅可以幫助優(yōu)化空間分辨率(即測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量)，而且可以有效地為模態(tài)測(cè)試選擇良好的傳感器位置，理想情況下，這將保證唯一地識(shí)別每階振型。最后，通過(guò)有限元模型可以導(dǎo)出模態(tài)試驗(yàn)幾何模型的測(cè)量網(wǎng)格，這一步驟有助于提高實(shí)驗(yàn)和仿真測(cè)試的集成。

地面振動(dòng)試驗(yàn)高效的硬件和軟件

GVT模態(tài)測(cè)試所使用的設(shè)備和儀器既耗時(shí)又復(fù)雜。大量的傳感器用來(lái)捕捉整個(gè)飛機(jī)裝配體的響應(yīng)。要確保每個(gè)傳感器被精確地安裝在測(cè)量點(diǎn)上。高通道測(cè)量存在誤差的空間，可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。通過(guò)“讀取所有TEDS”這樣的簡(jiǎn)單功能，并在網(wǎng)格上高亮顯示映射的測(cè)量點(diǎn)，可以高效率地完成這個(gè)過(guò)程。

圖?3?GVT測(cè)試中上百個(gè)傳感器使用讀取?TEDS功能

通過(guò)讀取TEDS功能，測(cè)量ID、方向、靈敏度和輸入模式等參數(shù)可以從智能傳感器芯片中自動(dòng)讀取。

圖?4將傳感器位置映射到飛機(jī)裝配體上的測(cè)量網(wǎng)格

此外，硬件系統(tǒng)各通道高效率同步，大大提高了測(cè)量精度，采集可信的數(shù)據(jù)。Spider-80M和Spider-80Xi硬件系統(tǒng)機(jī)架的插槽支持模塊插拔，這對(duì)這類(lèi)測(cè)試非常方便。多個(gè)高通道系統(tǒng)可以組建成一個(gè)更高通道數(shù)的同步采樣系統(tǒng)。

圖?5?Spider 80M & 80Xi 用于高通道數(shù)據(jù)采集

精確的時(shí)間同步技術(shù)使得所有通道之間的頻域相位匹配得非常好。雙ADC專(zhuān)利技術(shù)使得每個(gè)測(cè)量通道可以靈敏地檢測(cè)到6 μV~20V的信號(hào)。

在地面振動(dòng)測(cè)試中，飛機(jī)用彈性繩懸掛，模擬自由-自由邊界條件。判斷邊界條件良好的一般經(jīng)驗(yàn)法則是，最高階剛體模態(tài)的頻率小于第一階柔性模態(tài)頻率的1/10。

在飛機(jī)上安裝多個(gè)加速度傳感器，利用多個(gè)模態(tài)激振器對(duì)飛機(jī)進(jìn)行激振，得到多參考頻率響應(yīng)函數(shù)(FRFs). Spider系列高通道計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能有效地進(jìn)行這種多通道測(cè)試數(shù)據(jù)采集。

GVT模態(tài)激振器安裝在飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼，也可以安裝在機(jī)身位置。多種輸出激勵(lì)類(lèi)型（如隨機(jī)、正弦等）用于多輸入多輸出（MIMO）模態(tài)試驗(yàn)。

EDM模態(tài)軟件具有完整的分析和測(cè)試套件，從軟件上能直觀地看到GVT模態(tài)試驗(yàn)的幾何模型、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理過(guò)程。多種高效的曲線擬合算法可用于分析MIMO FRFs，以獲得飛機(jī)組裝體的模態(tài)參數(shù)。

進(jìn)行?GVT模態(tài)測(cè)量

在試驗(yàn)裝置安裝好并獲得適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件后，將所有傳感器連接到硬件系統(tǒng)，布置測(cè)量點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，進(jìn)行GVT模態(tài)試驗(yàn)，獲得所有頻響（FRF）。 ?GVT 試驗(yàn)可以使用多種激勵(lì)信號(hào)。模態(tài)錘可用于錘擊試驗(yàn)。通過(guò)模態(tài)激振器，可以使用多種激勵(lì)類(lèi)型，比如形隨機(jī)、突發(fā)隨機(jī)、正弦、掃頻正弦、偽隨機(jī)等。選擇恰當(dāng)?shù)妮敵黾?lì)信號(hào)可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖?6 飛機(jī)組裝體GVT模態(tài)試驗(yàn)中多種輸出激勵(lì)類(lèi)型可供選擇

隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)能激勵(lì)起的寬頻響應(yīng)，利于在短時(shí)間內(nèi)捕獲所有感興趣的模態(tài)。

圖?7 GVT模態(tài)試驗(yàn)中使用白噪聲激勵(lì)起較寬的頻響

輸入突發(fā)百分比參數(shù)，可以確保響應(yīng)自然衰減，而不必使用傳統(tǒng)的漢寧窗口。

圖?8 使用突發(fā)隨機(jī)激勵(lì)確保飛機(jī)裝配體的響應(yīng)自然衰減

周期隨機(jī)每一個(gè)塊信號(hào)的相位和幅值都是隨機(jī)的。偽隨機(jī)也是周期性的隨機(jī)波形。與周期隨機(jī)的區(qū)別是，當(dāng)偽隨機(jī)塊信號(hào)生成時(shí)，只有它的相位是隨機(jī)的。

圖?9 用偽隨機(jī)&周期隨機(jī)激勵(lì)控制隨機(jī)性

使用周期隨機(jī)或偽隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)，用戶(hù)可以設(shè)置兩個(gè)參數(shù)：延遲次數(shù)和循環(huán)次數(shù)。

圖?10 GVT 模態(tài)試驗(yàn)中偽隨機(jī)&周期隨機(jī)激勵(lì)的延遲次數(shù)和循環(huán)次數(shù)

由于周期性響應(yīng)的性質(zhì)，可以對(duì)這些數(shù)據(jù)塊進(jìn)行時(shí)域平均。之后計(jì)算所有相應(yīng)的頻譜，包括頻響(FRF)信號(hào)。這個(gè)計(jì)算過(guò)程將根據(jù)平均次數(shù)重復(fù)進(jìn)行，例如上圖中的設(shè)置是10。

使用周期輸出波形需要顯著更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，但會(huì)獲得更精確的測(cè)量結(jié)果。

形隨機(jī)和突發(fā)形隨機(jī)激勵(lì)類(lèi)型允許用戶(hù)定義驅(qū)動(dòng)PSD譜，這實(shí)現(xiàn)了在特定頻率范圍內(nèi)集中更多的能量。通過(guò)調(diào)整在各個(gè)頻率范圍內(nèi)的PSD幅值，改善對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)，這將增加響應(yīng)水平較低的某些區(qū)域的信噪比。

圖?11?形隨機(jī)&突發(fā)形隨機(jī)激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)PSD譜

使用正弦激勵(lì)，如掃頻和步進(jìn)正弦激勵(lì)，將所有能量集中在一個(gè)頻率點(diǎn)上，有助于產(chǎn)生非常好的信噪比。當(dāng)測(cè)試這些大型結(jié)構(gòu)時(shí)，寬帶激勵(lì)可能無(wú)法處理結(jié)構(gòu)的非線性，測(cè)試激勵(lì)量級(jí)可能達(dá)不到工作振動(dòng)量級(jí)。這種情況下，正弦激勵(lì)得到的頻響函數(shù)比隨機(jī)激勵(lì)得到的頻響函數(shù)質(zhì)量高。

圖?12?GVT模態(tài)試驗(yàn)中MIMO正弦的不同控制策略

運(yùn)行MIMO Sine測(cè)試有兩種方法，第一種方法是定義驅(qū)動(dòng)目標(biāo)譜，第二種方法是定義目標(biāo)響應(yīng)或所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)。第二種方法需要所謂的系統(tǒng)識(shí)別，首先要測(cè)量控制通道VS驅(qū)動(dòng)的頻響矩陣。有了這個(gè)已知的和為控制通道定義的目標(biāo)譜，就可以計(jì)算出所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖?13 飛機(jī)GVT模態(tài)試驗(yàn)的MIMO正弦激勵(lì)

在測(cè)試條件準(zhǔn)備好并做好上述設(shè)置之后，執(zhí)行GVT模態(tài)測(cè)量以獲得MIMO頻響FRF。采用不同的激勵(lì)技術(shù)對(duì)不同構(gòu)型的飛機(jī)裝配體進(jìn)行了試驗(yàn)，觀察顫振的影響。根據(jù)不同的載荷和燃料配置進(jìn)行不同條件的測(cè)試，觀察提取的模態(tài)參數(shù)的變化。

后處理和曲線擬合

獲得MIMO 頻響FRF后，進(jìn)行后處理以進(jìn)一步分析。支持多種模態(tài)指示函數(shù)：

多變量MIF
復(fù)數(shù)MIF
實(shí)數(shù)MIF
虛數(shù)Sum

模態(tài)指示函數(shù)幫助識(shí)別分析頻率范圍內(nèi)的感興趣模態(tài)。這些模態(tài)指示函數(shù)在系統(tǒng)的固有頻率上達(dá)到極大值（峰）或極小值（谷）。

圖?14 不同的模態(tài)指示函數(shù)幫助識(shí)別GVT模態(tài)試驗(yàn)的模態(tài)

多變量?MIF?(MMIF) 利用特征值分解，在模態(tài)頻率處趨于極小值。多變量MIF的優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)參考數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生有多個(gè)MIF，可以檢測(cè)出重根和耦合模態(tài)。

復(fù)數(shù)MIF?(CMIF) 基于頻響矩陣的奇異值分解，從所測(cè)頻響函數(shù)集中分析出主模態(tài)。CMIF在模態(tài)頻率處趨于極大值。

Sum函數(shù)是測(cè)量到的所有頻響函數(shù)的總和，并標(biāo)記了結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率處的峰值。其思路是，把所有頻響一起求和，則大多數(shù)測(cè)量都會(huì)出現(xiàn)所有的模態(tài)。

圖?15 GVT 測(cè)量FRFs分析頻率段選擇

利用上述指示函數(shù)，選擇最佳頻帶進(jìn)行曲線擬合，并從穩(wěn)定圖中提取模態(tài)參數(shù)。

穩(wěn)定圖是顯示和識(shí)別被測(cè)結(jié)構(gòu)模態(tài)的有效方法。穩(wěn)定性圖提供了在不同階模態(tài)下系統(tǒng)極點(diǎn)的圖形表示。通過(guò)繪制模型模態(tài)階次的變化來(lái)構(gòu)建穩(wěn)定圖。在各階模態(tài)下，采用相同的曲線擬合方法計(jì)算極點(diǎn)。

對(duì)于單參考點(diǎn)情況，曲線擬合方法采用最小二乘復(fù)指數(shù)法(LSCE)。而對(duì)于MIMO測(cè)試用例，頻響信號(hào)相對(duì)于多個(gè)參考信號(hào)，對(duì)應(yīng)的曲線擬合方法采用多參考時(shí)域(PTD)方法。

圖?16 多種曲線擬合方法用于提取飛機(jī)裝配體的模態(tài)參數(shù)