趙懷耘，陳穎，農(nóng)紹寧

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

細(xì)長體試件兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)形式的選擇與分析

趙懷耘，陳穎，農(nóng)紹寧

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

目的明確細(xì)長體試件最合適的兩點(diǎn)激勵試驗(yàn)形式。方法針對某細(xì)長體試件的不同試驗(yàn)形式設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)夾具，隨后針對試件和夾具開展有限元模態(tài)分析，并進(jìn)行兩種形式的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)，研究細(xì)長體試件在兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)中采用不同試驗(yàn)形式時的動力學(xué)響應(yīng)差異。結(jié)果模態(tài)分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，試件和夾具組合體在柔性懸掛方式下依然正確反應(yīng)了試件本身的模態(tài)特性，而在夾具固定方式下模態(tài)特性卻發(fā)生了明顯改變。結(jié)論細(xì)長體試件的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)更適合采用柔性懸掛方式進(jìn)行。

兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)；夾具固定；柔性懸掛；細(xì)長體試件；模態(tài)特性

兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)通過2臺振動臺激勵試件，這種試驗(yàn)方法不僅可以提供更大的推力，而且可以使試件的振動載荷分布得更加均勻、合理、真實(shí)[1—3]，是力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的一個重大進(jìn)步和發(fā)展趨勢。對于那些飛機(jī)外掛等細(xì)長體結(jié)構(gòu)，由于其長細(xì)比大、前后條件差異等特點(diǎn)也決定了兩點(diǎn)激勵的試驗(yàn)方法更適合其振動試驗(yàn)[4—6]。

兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)與傳統(tǒng)的單振動臺振動試驗(yàn)不僅在試驗(yàn)原理、控制方式與控制算法上有很大不同，二者在試驗(yàn)夾具、試件的安裝上也有很大差別。根據(jù)試件的安裝固定方式或振動臺激振力傳遞方式的不同，兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)通常有兩種方式：一種是將試件通過前、后夾具剛性固定到兩臺振動臺上，振動臺的激振力通過夾具傳遞到試件上的“夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)”；另一種則是GJB 150.16A程序Ⅳ[7]針對組合式飛機(jī)外掛采用的將試件柔性懸掛在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，振動臺的振動通過激勵桿傳遞到試件上的“柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)”。在兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)開展初期，大多數(shù)試驗(yàn)均采用了夾具固定方式[8—11]。隨著GJB 150A的推廣，柔性懸掛方式也逐漸在實(shí)際中開始應(yīng)用。

針對具體試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)采用何種試驗(yàn)形式是開展兩點(diǎn)激勵試驗(yàn)前首先應(yīng)解決的問題。文中針對某模擬細(xì)長體試件，通過有限元模態(tài)分析并開展夾具固定和柔性懸掛兩種形式的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)，對兩種試驗(yàn)形式進(jìn)行了分析和選擇。

1 試件與夾具

1.1 模擬試件

模擬試件為一“日”字框架形細(xì)長體結(jié)構(gòu)，前、后懸掛點(diǎn)間距為1560 mm。模擬試件基本形式如圖1所示。

1.2 夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)夾具及安裝狀態(tài)

夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)是通過前、后兩個框架式夾具將試件“剛性”固定到振動臺上，前、后夾具分別與試件前、后懸掛點(diǎn)連接。安裝狀態(tài)如圖2所示。

1.3 柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)夾具及安裝狀態(tài)

根據(jù)GJB 150.16A程序Ⅳ的要求，在柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)時，模擬試件懸掛在結(jié)構(gòu)支撐架下部，結(jié)構(gòu)支撐架彎曲振型的模態(tài)頻率至少為試件一階彎曲頻率的2倍。結(jié)構(gòu)支撐架再通過4根柔性掛索柔性懸掛在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，柔性掛索剛度應(yīng)使試件及結(jié)構(gòu)支撐架的組合剛體模態(tài)頻率在5～20 Hz之間。振動臺的振動通過2根“柔性”激勵桿傳遞到試件上。安裝狀態(tài)如圖3所示。

圖3 柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)安裝狀態(tài)Fig.3 Installation of the flexible suspension method for two-exciter vibration test

2 有限元模態(tài)計(jì)算及分析

振動試驗(yàn)的考核對象是試件，但試驗(yàn)夾具不可避免地會參與其中。試件和試驗(yàn)夾具相互作用，振動試驗(yàn)中試件表現(xiàn)出的動態(tài)特性實(shí)際上是試件和夾具組合體的動態(tài)特性（忽略振動臺等因素）。因此，文中對模擬試件及其不同兩點(diǎn)激勵試驗(yàn)形式時的試件與夾具組合體分別開展了有限元模態(tài)分析。

2.1 模態(tài)計(jì)算結(jié)果

試件模態(tài)計(jì)算時試件懸掛點(diǎn)位置施加固定約束。計(jì)算結(jié)果表明，模擬試件的低階彎曲模態(tài)主要包括一階整體彎曲模態(tài)（如圖4a所示，頻率為36.4 Hz）及下框板彎曲模態(tài)（如圖4b，c所示，頻率分別為155 Hz和167 Hz）。這一計(jì)算結(jié)果與針對模擬試件進(jìn)行的模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

夾具固定方式的有限元計(jì)算時，在前、后夾具與振動臺連接部位施加固定約束。計(jì)算得到的采用夾具固定方式時模擬試件與夾具組合體的低階彎曲模態(tài)如圖5所示，圖5a，b，c所示振型分別對應(yīng)圖4a，b，c，頻率分別為40，144，107 Hz。

柔性懸掛方式的有限元計(jì)算時，在前、后激勵桿與振動臺連接部位施加固定約束。計(jì)算得到的采用柔性懸掛方式時試件與夾具組合體的低階彎曲模態(tài)如圖6所示，圖6a，b，c所示振型仍分別對應(yīng)圖4a，b，c，頻率分別為38，157和171 Hz。

圖4 模擬試驗(yàn)件低階彎曲模態(tài)Fig.4 Simulated blending mode shapes of the specimen

圖5 采用夾具固定方式時試件與夾具的低階彎曲模態(tài)Fig.5 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the fixture fixing method

圖6 采用柔性懸掛方式時試件與夾具的低階彎曲模態(tài)Fig.6 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the flexible suspension method

2.2 結(jié)果分析

通過前面的模態(tài)分析結(jié)果對比可以看出，當(dāng)采用夾具固定方式時，除整體彎曲模態(tài)（約40 Hz）外，試件夾具組合體另外兩階彎曲模態(tài)的頻率、振型、受力分布等相比單獨(dú)試件均發(fā)生了較為明顯的改變。采用柔性懸掛方式時，試件夾具組合體的3個低階彎曲模態(tài)均基本沒有改變，仍然保持了模擬試件本身的模態(tài)特征。這是由于夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)的夾具不可能完全剛性，同時兩點(diǎn)激勵試驗(yàn)的特點(diǎn)也要求夾具能夠在一定程度上能“適應(yīng)”兩個振動臺運(yùn)動的不同步。因此前、后夾具在設(shè)計(jì)時也不能過于剛性（本次夾具固定方式前、后夾具的一階彎曲模態(tài)頻率約為150 Hz）。又由于激振力是通過前、后夾具傳遞給試件，因此夾具和試件的相互作用明顯，從而導(dǎo)致試件所表現(xiàn)出的模態(tài)相比試件固有模態(tài)發(fā)生了明顯改變。采用柔性懸掛方式時，試件柔性懸掛在結(jié)構(gòu)支撐架下，結(jié)構(gòu)支撐架可以比較容易地實(shí)現(xiàn)其彎曲模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于試件彎曲頻率的要求（本次柔性懸掛方式結(jié)構(gòu)支撐架的一階彎曲模態(tài)頻率約為130 Hz），同時振動臺激振力是通過前后兩個柔性激勵桿傳遞到試件，因此在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)夾具對試件的影響較小，試件夾具組合體依然反應(yīng)了試件本身的模態(tài)特性。

3 兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)條件

利用兩臺電動振動臺和MIMO控制系統(tǒng)，先后開展了兩種形式的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)。柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)時的控制點(diǎn)及測量點(diǎn)布局如圖3所示（夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)傳感器布置與此類似）。兩種形式試驗(yàn)均采用兩臺激勵單點(diǎn)控制方式，控制點(diǎn)（A01，A02）位于試件前、后懸掛點(diǎn)處。隨機(jī)振動控制譜如圖7所示，其中前控制點(diǎn)W0=0.008 g2/Hz，后控制點(diǎn)W0=0.01 g2/Hz，試驗(yàn)方向?yàn)榇瓜?，試?yàn)時間為2 min。

圖7 兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)控制譜Fig.7 The power spectral density of random vibration in the two-exciter vibration test

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對比兩種形式兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種形式的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)時的一階共振頻率均發(fā)生在約40 Hz左右，但隨后幾階的諧振頻率在兩種試驗(yàn)中卻產(chǎn)生了較為明顯的差別。柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)時在148 Hz及175 Hz附近出現(xiàn)諧振，而夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)時則是在103 Hz及125 Hz附近出現(xiàn)諧振。A7號測量點(diǎn)在兩種形式兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)下的加速度響應(yīng)譜（其余測量點(diǎn)測得的頻響特性與此基本一致）如圖8所示。對比試驗(yàn)結(jié)果和前面的模態(tài)計(jì)算結(jié)果可以看出，兩種形式試驗(yàn)結(jié)果與模態(tài)計(jì)算結(jié)果基本一致，證明了前文有限元計(jì)算和分析的準(zhǔn)確性；同時表明柔性懸掛兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)比夾具固定方式更能正確反映試件本身的模態(tài)特性。

圖8 A7測點(diǎn)加速度響應(yīng)譜Fig.8 Acceleration response spectra of measuring point A7

振動試驗(yàn)的對象是試件，盡管在實(shí)際試驗(yàn)中夾具不可避免地會對試件產(chǎn)生作用，但這種影響應(yīng)該盡可能降低，使試驗(yàn)真正反映試件本身的特性。因此由前面的模態(tài)分析及試驗(yàn)結(jié)果可以得到結(jié)論：對于該細(xì)長體試件的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)，更適合采用柔性懸掛方式進(jìn)行。實(shí)際上對于所有開展兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)的試件來說，由于夾具剛度限制以及激振力傳遞方式等原因，夾具固定兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)都很難排除夾具對試件的影響，因此造成試驗(yàn)結(jié)果無法正確反映試件特性。柔性懸掛方式卻相對更容易降低夾具影響，盡可能反映試件特性的要求。綜上所述，細(xì)長體試件的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)更適合采用柔性懸掛方式進(jìn)行。

4 結(jié)論

1）由于試驗(yàn)夾具的影響，試件在振動試驗(yàn)中表現(xiàn)出的動態(tài)特性實(shí)際上是試件夾具組合體的動態(tài)特性。在進(jìn)行兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)前，通過對試件及夾具按照不同試驗(yàn)形式開展有限元模態(tài)分析，可以選擇合適的試驗(yàn)形式并指導(dǎo)試驗(yàn)夾具的修改，以使試驗(yàn)中夾具對試件的影響降到最小。

2）對于細(xì)長體試件的兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)，柔性懸掛方式更有利于保持試件本身的模態(tài)特性。因此，柔性懸掛方式應(yīng)成為細(xì)長體試件開展兩點(diǎn)激勵振動試驗(yàn)的首先選擇。

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Selection and Comparative Analysis of Two-exciter Vibration Testing Types for Slender Specimen

ZHAO Huai-yun，CHEN Ying，NONG Shao-ning
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

ObjectiveTo clarify the favorite type of the two-exciter vibration test for a slender specimen.MethodsDifferent test fixtures were designed for different testing types of a selected slender specimen.Finite element method was used to analyze the modal characteristics of the specimen and the fixtures.Two types of two-exciter vibration test were carried out to verify the analysis and the different dynamic responses of the slender specimen in different two-exciter vibration tests were studied.ResultsModal analysis and test results showed that the combination of specimen and fixture in the mode of flexible suspension correctly reflected the specimen’s intrinsic modal characteristics,while the modal characteristics were notably changed in the mode of fixture fixation.ConclusionThe flexible suspension method was more suitable for the slender specimen in two-exciter vibration test.

two-exciter vibration test；fixture fixation；flexible suspension；slender specimen；modal characteristics

2014-08-31；

2014-12-23

2014-08-31；

2014-12-23

國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（H112012A002）

Fund：Supported by the Technical Basis Project of State Administration of Science，Technology and Industry for National Defense（H112012A002）

趙懷耘（1974—），男，山東成武人，博士，高級工程師，主要從事振動環(huán)境試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究工作。

Biography：ZHAO Huai-yun（1974—），Male，from Chengwu,Shandong，Ph.D.，Senior engineer，Research focus:vibration environment test and structural dynamics.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.002

TJ03

A

1672－9242（2015）02－0006-04