赫 雷,王 進(jìn),管紅根,周克棟

某身管的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

赫 雷,王 進(jìn),管紅根,周克棟

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇南京210094)

為了了解某身管的振動(dòng)情況,對(duì)該身管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,獲得了其固有頻率、阻尼比和振型等.此外,對(duì)身管進(jìn)行了有限元模態(tài)分析,用于對(duì)模態(tài)試驗(yàn)的指導(dǎo),并與試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和驗(yàn)證,兩者符合很好.

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài);身管;有限元;固有頻率

1 引 言

影響火炮射擊精度的因素較多,炮口指向是影響武器射擊精度的因素之一.因而,由于火炮的振動(dòng)而產(chǎn)生的炮口擾動(dòng)也就成為影響武器射擊精度的因素之一.火炮的振動(dòng)最終由炮口的位置所反映,因此對(duì)身管振動(dòng)的研究就顯得尤為重要.本文將對(duì)身管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析以及有限元模態(tài)分析,獲得了其固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù),分析其低頻部分的動(dòng)態(tài)特性,為進(jìn)一步的改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)[1].

2 身管的模態(tài)試驗(yàn)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

模態(tài)試驗(yàn)的主要任務(wù)是同時(shí)測(cè)量身管結(jié)構(gòu)的輸入和輸出信號(hào),并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和處理,從而估計(jì)出被測(cè)系統(tǒng)的頻響函數(shù),為模態(tài)分析提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù).

試驗(yàn)的基本設(shè)備包括(如圖1所示):激勵(lì)系統(tǒng)(KISTL ER 9728A20000型力錘,包括力傳感器),測(cè)量系統(tǒng)(KISTL ER 8702B50型加速度傳感器,KISTL ER 5011型及5134型電荷放大器),信號(hào)處理系統(tǒng)(ZonicBook/618E振動(dòng)分析和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),eZ-Analyst信號(hào)采集控制軟件,ME’scope模態(tài)分析軟件).

進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí),首先由激勵(lì)設(shè)備產(chǎn)生激勵(lì)力,引起系統(tǒng)振動(dòng),再將力傳感器和加速度傳感器測(cè)得的信號(hào)放大,輸入到ZonicBook/618E振動(dòng)分析和監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)eZ-Analyst軟件,對(duì)信號(hào)作FFT變換,輸出頻響函數(shù)(FRF)和相干函數(shù),通過(guò)ME’scope模態(tài)分析軟件對(duì)所有的頻響函數(shù)做整體的曲線擬合,進(jìn)而進(jìn)行模態(tài)識(shí)別,并得出結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù).

圖1 模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)框圖

2.2 測(cè)試方法和步驟

2.2.1 身管支承方式

目前常用的結(jié)構(gòu)支承方式為自由支承和約束支承.考慮到身管的長(zhǎng)度和質(zhì)量都較大及客觀試驗(yàn)條件,本文進(jìn)行的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)選擇用2個(gè)軟木支架對(duì)身管進(jìn)行支撐,以模擬自由支承.

2.2.2 確定激勵(lì)方式

模態(tài)實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)可由激勵(lì)器或沖擊錘產(chǎn)生.因?yàn)槊}沖激勵(lì)是一種寬頻帶激勵(lì),其信號(hào)頻譜比較寬,一次激勵(lì)能夠同時(shí)激勵(lì)出多階模態(tài),而且實(shí)驗(yàn)時(shí)不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加質(zhì)量、附加剛度等副作用,因此,此方法在工程上得到了廣泛的應(yīng)用[2].

本文采用錘擊激勵(lì)法,錘頭材料的選擇根據(jù)分析的頻率范圍以及敲擊出的力信號(hào)來(lái)確定.本實(shí)驗(yàn)主要分析身管的低頻段的動(dòng)態(tài)特性,因此選擇了橡膠錘頭,試驗(yàn)中信號(hào)滿足要求[3].

2.2.3 測(cè)點(diǎn)的布置和傳感器的布置

為了提高模態(tài)參數(shù)的識(shí)別精度,必須合理布置激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)的位置,最大限度地減少模態(tài)丟失.并且布置的測(cè)點(diǎn)能夠基本反映出結(jié)構(gòu)的形狀.本實(shí)驗(yàn)共均勻布置了21個(gè)測(cè)點(diǎn),其中第17節(jié)點(diǎn)作為加速度響應(yīng)信號(hào)的輸出點(diǎn),所有節(jié)點(diǎn)均為激勵(lì)點(diǎn),通過(guò)移動(dòng)力錘來(lái)進(jìn)行拾振.

2.2.4 信號(hào)的采集和頻率響應(yīng)分析

實(shí)驗(yàn)中,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙通道采集和分析,一個(gè)通道采集激勵(lì)信號(hào),另一個(gè)通道同時(shí)采集加速度響應(yīng)信號(hào).對(duì)力信號(hào)的觸發(fā)采用了正觸發(fā)、前觸發(fā)及選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)水平.對(duì)于脈沖形式的激勵(lì)信號(hào)加力窗處理,加速度信號(hào)則加指數(shù)窗處理.實(shí)驗(yàn)中為了減小敲擊力不均和噪聲對(duì)信號(hào)的影響,每個(gè)測(cè)點(diǎn)各敲擊了3次,將所得的頻響函數(shù)取平均,得到每個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均響應(yīng)函數(shù)[4].

2.2.5 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法按識(shí)別域的不同可分為頻域法、時(shí)域法和混合域法,激勵(lì)方式不同(SISO, SIMO,MIMO),相應(yīng)的參數(shù)識(shí)別方法也不盡相同.本文采用的是ME’scope軟件中的頻率識(shí)別法,對(duì)頻響函數(shù)采用正交多項(xiàng)式擬合法,得出各階模態(tài)參數(shù),包括各階固有頻率、阻尼比和振型[5].

3 模態(tài)分析結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果

利用ME’scope模態(tài)分析軟件分析身管的低頻(500 Hz以內(nèi))振動(dòng)特性,在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)窗口中對(duì)某身管進(jìn)行了三維建模,并標(biāo)出了21個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置(如圖2所示).在數(shù)據(jù)窗口中導(dǎo)入已經(jīng)采集完成的頻響函數(shù)(FRF),再把頻響函數(shù)和三維模型中的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),最后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)擬合(如圖3所示),得出了前4階模態(tài)參數(shù)如表1所示,各階模態(tài)振型如圖4～7所示.

圖2 某身管的三維模型及測(cè)點(diǎn)發(fā)布

圖3 模態(tài)參數(shù)擬合圖

表1 模態(tài)試驗(yàn)分析得到的前4階模態(tài)參數(shù)

圖4 第1階振型圖

圖5 第2階振型圖

3.2 有限元模態(tài)分析結(jié)果

有限元模態(tài)分析過(guò)程由4個(gè)主要步驟組成:有限元模型的建立、加載及求解、擴(kuò)展模態(tài)、檢查結(jié)果.圖8為該身管的有限元模型,各階模態(tài)頻率及振型如圖9～12所示.

圖6 第3階振型圖

圖7 第4階振型圖

圖8 某身管的有限元模型

圖9 第1階自由模態(tài)振型(31.19 Hz)

圖10 第2階自由模態(tài)振型(159.58 Hz)

3.3 結(jié)果分析

通過(guò)有限元模態(tài)分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的對(duì)比(表2),看出各階振型基本相似,頻率相差較小.因此,可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析基本上準(zhǔn)確.

圖11 第3階自由模態(tài)振型(308.30 Hz)

圖12 第4階自由模態(tài)振型(475.59 Hz)

表2 有限元模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的模態(tài)頻率對(duì)比

本文主要測(cè)試身管徑向的振動(dòng)情況,以了解其振動(dòng)情況和炮口指向.從模態(tài)振型圖可知,第1階振型中主要是身管中部的徑向跳動(dòng),但是其炮口的振動(dòng)較小.第2～4階振型主要是身管中部(8～12節(jié)點(diǎn)處)、中前部(3～7節(jié)點(diǎn)處)及中后部(13～17節(jié)點(diǎn)處)的組合振動(dòng),中前部的振動(dòng)尤為突出,這3階振型反映出較大的炮口振動(dòng).

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)某身管的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,結(jié)論如下:

1)在模態(tài)實(shí)驗(yàn)之前,有必要對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行有限元模態(tài)分析,以了解其前幾階模態(tài)頻率的范圍和振型的特點(diǎn),對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)中測(cè)點(diǎn)的布置和某些參數(shù)的設(shè)置有指導(dǎo)作用.同時(shí)也能與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證.

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,可知第2～4階振型中反映出較大的炮口振動(dòng).為此,可以相應(yīng)提高中部(8～12節(jié)點(diǎn)處)及中前部(13～17節(jié)點(diǎn)處)的剛度以減小身管的振動(dòng).

3)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是研究身管動(dòng)態(tài)特性的有效手段.

[1] 歐陽(yáng)光耀,王樹(shù)宗,王德石.火炮身管振動(dòng)特性及減振研究[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報(bào),1999,(2):79.

[2] 陳可,周孔亢,徐凌,等.低速汽車整車模態(tài)試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007,12(12):31.

[3] 沃德·海倫,斯蒂芬·拉門(mén)茲,波爾·薩斯.模態(tài)分析理論與實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2001.

[4] 李德葆,陸秋海.工程振動(dòng)試驗(yàn)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:240.

[5] 曹樹(shù)謙,張文德,蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[M].天津:天津大學(xué)出版社,2001.

Experimental modal analysis of a barrel

HE Lei,WANGJin,GUAN Hong-gen,ZHOU Ke-dong
(School of Mechanical Engineering,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094,China)

In order to understand the vibration characteristic of a barrel,modal experiments are carried out to get parameters such as natural frequency,damping ratio and vibration pattern.Additionally,the finite element modal analysis of the barrel is conducted to guide modal experiment.The results of modal experiment and finite element analysis are compared,and they are in good agreement.

experimental modal;barrel;finite element;natural frequency

O321

A

1005-4642(2010)10-0036-04

[責(zé)任編輯:郭 偉]

2010-02-25;修改日期:2010-04-14

赫 雷(1973-),女,遼寧遼陽(yáng)人,南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授,碩士,研究方向?yàn)槲淦髡駝?dòng)與模態(tài)分析.