【現代實驗力學課件】(1) 緒論

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版權所有 2004 c 陸秋海 第 1講 緒 論 運載工程與力學學部 20101101 現代實驗力學 實驗模態(tài)分析 現代實驗力學 實驗模態(tài)分析 模態(tài)分析是研究結構動力特性一種近代方法 是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用 模態(tài)是機械結構的固有振動特性 每一個模態(tài) 具有特定的固有頻率 阻尼比和模態(tài)振型 模態(tài)分析最終目標是在識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數 為結構系統(tǒng)的振動特性分析 振動故障診斷和 預報以及結構動力特性的優(yōu)化設計提供依據 模態(tài)分析技術的應用可歸結為以下幾個方面 1 評價現有結構系統(tǒng)的動態(tài)特性 2 在新產品設計中進行結構動態(tài)特性的預估 和優(yōu)化設計 3 診斷及預報結構系統(tǒng)的故障 4 控制結構的輻射噪聲 5 識別結構系統(tǒng)的載荷 振動測試的特點 振動力學量是時間的函數 周期性 隨機性 瞬時 沖擊 振動力學量大小與結構固有特性有關 靜態(tài) 力幅不變 應變 位移 應力不變 動態(tài) 力幅不變 不同頻率下響應不同 動載下 力學量允許極限不同 疲勞 斷裂許用應力明顯降低 工程振動測試分析的任務 解決工程振動問題 結構設計 設備運行 產品試制 課題研究 工程質量評定 結 構故障診斷 最新進展 電子技術 計算機技術 A D與 D A轉換 記錄存儲技術 傳感器技術 特殊環(huán)境 特殊振動 1 工程振動測試分析應用領域 結構動力特性試驗研究 運行中的設備振動狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 轉子的動平衡 振動與沖擊環(huán)境模擬試驗 構件的疲勞強度試驗 隔振與減振技術研究 人體對振動與沖擊的反應 有關振動利用的研究 第一類反問題 參數識別 系統(tǒng)識別 第二類反問題 載荷識別 人體振動特性 選拔航天員的前期準備工作 航天器振動與人體共振頻率耦合威脅航天員的生命安全 POGO振動 儀器 振動臺 加速度傳感器 采用不同身高 體重的人體為樣本 利用 INSTRON1506 電磁振動臺 測定坐姿人體在不同的隨機激勵下 頭 肩 和髂骨部位響應對臺面的加速度傳遞率 其峰值頻率為共 振頻率 選用的振級為均方根加速度 0 5g 1 0g和 1 5g 通過神經 網絡對測量數據的學習得到身高 h 體重 w及振級 a與人體 共振頻率 f間的非線性規(guī)律 生物振動模態(tài)試驗 兔子 狗 汽車動力學試驗 采用激振器對整車或部件進行激勵 激振器端部安裝力傳感器 通過 安裝在車架和車身上的傳感器測量 車輛的動力響應 飛機動力學試驗 飛機模態(tài)分析 空調風機 力錘 含力傳感器 電渦流傳感器 加速度傳感器 通過實驗確定風機在工作狀態(tài)下是否可能共振導致高速旋轉的葉片與外壁發(fā)生刮蹭和碰撞 空 調 風 機 模 態(tài) 試 驗 1998年 振動臺試驗 航空發(fā)動機齒輪破壞再現 軍用飛機發(fā)動機齒輪在飛行 過程中出現斷裂 經過模態(tài) 分析發(fā)現齒輪某一階工作頻 率與發(fā)動機工作頻率非常接 近 安裝在振動臺上以此頻 率進行激勵 1小時以后齒輪出現與實 際工作破壞相同的裂紋 表明是共振引 起破壞 解決方案 改變齒輪厚度 振動測量 空間柔性結構振動控制前端 太陽帆板的彈性振顫 影響星體的工作質量 將太陽帆板系統(tǒng)歸結為結構動力學問題有一定的 局限性 82年美國 陸地衛(wèi)星 4 的觀測儀的旋轉部分受到柔性 太陽帆板驅動系統(tǒng)的干擾而產生振動 從而降低了圖像 的質量 Hubble望遠鏡太陽帆板間隙引起的沖擊振動及出入地球 陰影時的巨大溫差引發(fā)長達 5分鐘的衰減振動 我國東風 3號衛(wèi)星帆板間隙引起的沖擊影響了工作性能 哈勃望遠鏡熱致振動原理 甩掉了裝在天文望遠鏡上用來定 位觀測星體的傳感器 嚴重影響了天文觀測 由于每次 振動需要 3 6分鐘才能靜止 望 遠鏡的有效觀測時間被嚴重縮短 帆板振動使直徑 2 4米的望遠鏡鏡 片扭曲 導致其不能精確聚焦 影響了圖片的拍攝質量 故障的成因分析 如何引入適當的阻尼或主動環(huán)節(jié)抑 制帆板的熱致振動 國際號空間站 組裝完畢的國際號空間站 1Hz以下的模態(tài)將有 366個 3000 到 4000個模態(tài)在 20Hz以下 Pappa R S 1990 由于實際條件的限 制 安裝在國際號空間站上的傳 感器數將限制在 200個以下 然 而 預示表明 10Hz以下有幾百個 模態(tài) 且主要是并非最重要的附 件振動 如果只在主要結構上安 裝傳感器 那么其中的許多局部 模態(tài)將具有相同的模態(tài)振型 需 要對附件進一步測量才能惟一確 定相應的模態(tài) Schenk A and Pappa R S 1992 國際號空間 站的在軌試驗將只有能用安裝在 桁架上的 2個 RCS Reaction Control System 推進器提供激勵 Blelloch P Engelhardt C and Huht D L 1990 響應點分布將 很稀疏 對附件測量只能限制在 端部和根部位置 而且許多附件 上根本不裝備儀器 Schenk A and Pappa R S 1992 如何用最少的傳感 器獲得設計和控制所需 要的動力學信息 如何用最少的作動 器實現結構的振動主動 控制 Galileo號宇宙飛船 采用有限元分析的結果是 50Hz以下有 45個模態(tài) 其中最低的大約 13 Hz 許多模態(tài)對發(fā)射的動載荷的貢獻 很小 貢獻較大的僅有 15個模態(tài) 1983年夏在美國噴射推進實驗室 Jet Propulsion Laboratory 進行加里略航天器帶天線的主要結構部件的 綜合模態(tài)測試 試件的總重量約 2400kg 識別采用自由 響應數據 Free Response Data 將 7個滿量程為 110N的 電動激振器柔性懸掛在起重機上 采用寬帶隨機激勵信 號激勵 時間大約五秒 用分布于航天器的 162個加速度 計測量響應 共獲得兩組數據 一組水平激勵 另一組垂 直激勵 頻帶 10 45 Hz 從激勵終止開始記錄 5秒的自 由響應數據 響應以每秒 102 4個樣本的速率數字化 因 此每一測試中大約有 500個自由響應點 每組數據大約識 別出 30階模態(tài) 其中一半左右具有較高識別精度 MAC 值 Modal Amplitude Coherence Juang J N and Pappa R S 1985 水平激勵組數據識別出 34階模態(tài) 其 中 MAC指標在 95 以上的有 14個 占 41 2 ARECIBO OBSERVATORY1960 63 目前世界上 最大的射電天文 望遠鏡 位于美 國加勒比海的波 多黎各 Puerto Rico 的 Arecibo 鎮(zhèn) 南部 直徑 305米 我國目 前正與世界各國 科學家合作在云 南的 Karst地貌 上建造世界最大 的天文望遠鏡 直徑 500米 康奈爾大學設計 德國公司制造 大射電望遠鏡時變饋源支撐結構系統(tǒng) 動力學特性實驗 直徑 500m 懸掛高度約 150m 要求運行振動 4mm 難題 大范圍高精度動態(tài)跟蹤測量 高精度的振動主動控制方案的機電一體化實現 激光測振儀 非接觸式高精度測量 德國 POLYTECH公司 全場掃描式激光測振儀 可以對全場進行非接觸式振動測量 安裝有 CCD相機 可直接在計算 機上選定需要專門測量的點 可顯示結構全場穩(wěn)態(tài)響應的振型 選定 點的頻譜和頻響函數等 英國 Ometron公司 激光測振儀 英國 Ometron公司 喇叭的振動 大型實際工程結構如大型橋梁 大型廠房 海洋平臺等在交通 能源 軍事和社會生活等方面有著重要的戰(zhàn)略意義 確定結構是否 存在損傷以及損傷的位置和程度已經成為這類結構安全保障的重要 途徑 局部試驗方法 外觀檢查 聲或超聲波 磁場探測 射線成像 溫度場測試等 全局方法 利用結構的振動特性對整個結構進行損傷診斷識別 基于振動特性的結構損傷識別 鋼筋混凝土梁損傷識別 損傷 基頻 Hz 二階頻率 Hz 健康 209 096 5 487 202 4 5 對孔 202 880 0 484 635 1 7 對孔 202 906 8 483 358 7 10 對孔 208 307 8 481 886 1 IASC ASCE 基準結構模型試驗研究 該基準模型實際結構為如下圖所示的一個 3維 4層鋼結構模型 長寬各為 2 5米 高 3 6米 圖 基準結構 圖 每一層構件編號 圖 每一層的測點位置及方向 納米管的振動特性 納米管 的 1階 A 2 階 B 3階 C 振動的振 型 與懸臂 梁振型相同 納米管的截 面尺度約 1納 米 99年 Science雜志 納米管傳感器 納米管 的端部為 1 個基因 相 當于單自由 度系統(tǒng) 可 通過測量系 統(tǒng)的頻率計 算出基因的 質量 99 年 Science雜 志 2 工程振動測試包含的內容 2 1 International Space Station ISS 發(fā)射過程 火箭各位置的推進加速度 振動速度和位移 載人 生物航天器 對推進加速度限制 入軌后姿態(tài)控制 姿態(tài)敏感器 推進器的噴氣量 步進電機調整角度和 力矩 反作用輪調整角度等 入軌后振動控制 各位置的加速度 控制力和力矩 問題 負載限制 發(fā)射過程的高 g值和入軌后小振動對傳感器測量系統(tǒng)的要求 地面與太空大溫差 太空中向陽和被陽面大溫差 出入地球陰影的大溫 差對傳感器測量系統(tǒng)的要求 高緯度 微重力環(huán)境條件對傳感器測量系統(tǒng)的影響 長時間工作對測量系統(tǒng)可靠性和安全性的要求 低頻密集模態(tài)的測量困難 10Hz以下數百階模態(tài) 2 2 汽車 旋轉部件動平衡 傳動軸 汽車輪轂 汽車平順性 載人平順性和運輸平順性 懸掛系統(tǒng)的減振特性 減震器特性 懸架特性 座椅減振 特性 發(fā)動機減振器 汽車運行安全性 汽車的主要頻率特性 各部件的振動與 車速和路面激勵的關系 車架 軸 傳動軸及其連接等重 要部件的動態(tài)應力評估 碰撞安全性 人體各關鍵部件的耐沖擊特性 最大加速度 沖擊時間 相對位移等 安全帶的減振特性 碰撞變形 特性 安全氣囊的觸發(fā)條件 2 3 研究的內容 1 傳感器測量系統(tǒng)原理及其應用技術 相對式測量 接觸式 頂桿式 非接觸式傳感器 光學 慣性式測量 位移型 速度型 加速度型傳感器 傳感器的選型 安裝 測量環(huán)境 高低溫 海拔 輻射 腐蝕 空間大小 被測結構的尺度和特性 亞微米 微米 毫米 質量 剛度 測量的頻率范圍 超低頻 低頻 中頻 高頻超高頻 測量的幅值范圍 亞納米 納米 亞微米 微米 毫米 大振幅 超低加速度 105g 力的大小 很小 103N 動靜均有 安裝方式對測量的影響 螺接 膠粘 蠟接 手持 磁吸等 2 3 研究的內容 2 振動信號的分析和處理技術 信號描述的基本理論 信號的調理 放大 同步采保 去噪 采樣定理 AD 信號的顯示 譜分析 傅立葉譜 功率譜 能量譜 相關 分析 自相關 互相關 高維相關 幅值統(tǒng)計平均分析 3 結構的動力學特性測試技術 模態(tài)分析理論 結構激勵和響應的基本測量方法 FRFs測量和分析技術 參數識別技術 3 結構動特性建模方法 3 1 理論建模 動力學仿真分析 有限元 對實驗研究的指導作用主要表現在 確 定傳感器和激勵設備的配置方案 傳感器類型 頻響 靈敏度 線性范圍 溫度特性等的要求 3 2 實驗建模 實驗模態(tài)分析方法 3 2 1采用實驗建模的原因 1 實際結構太復雜 難以采用理論簡化和進 行精確的動力學仿真分析 組成部件多 連接關系復雜 甚至有剛體 柔性體及機構耦合 包含間隙 摩擦等非線性 包含大位移和大變形等幾何非線性 結構強度 構形 邊界條件和受力條件時變 受復雜風載 運動載荷 熱環(huán)境條件等共同作用 如發(fā)電機組 大橋 2 動力學仿真分析的結果需要得到實驗驗證 原型試驗 全尺寸模型試驗 縮尺動力學相似模型試驗 部件試驗 模型相似理論 3 2 2實驗建模方法 實驗建模是通過系統(tǒng)的輸入信號和輸出響 應之一或全部確定系統(tǒng)動特性模型的方法 因此又可稱為辨識過程 辨識的方法可分 為 系統(tǒng)辨識 模型的形式 階次 參數均未知 參數辨識 模型的形式已知 階次和參數待定 或僅參數待定 4 課程的主要內容 實驗建模 4 1 振動信號傳感器 4 2 振動特性參數的測量方法 4 3 信號分析和信號處理技術 4 4 機械阻抗法與頻響分析 4 5 結構模態(tài)試驗分析 課程學習目標 掌握常見傳感器的原理及應用技術 掌握基本的動力學測試的方法 掌握基本的信號采集和分析的方法 掌握基本的結構模態(tài)分析的理論和方法 培養(yǎng)對結構進行實驗模態(tài)分析的理論素養(yǎng)和實驗能力 參考書目 1 李德葆 陸秋海 工程振動試驗分析 清華大學 出版社 2004 李德葆 張元潤 振動測量與試驗分析 機械工 業(yè)出版社 1992 李方澤 劉馥清 王正 工程振動測試與分析 高 等教育出版社 1992 參考書目 2 李德葆 陸秋海 實驗模態(tài)分析及其應用 科學出 版社 2001 本科 研究生后續(xù)實驗理論課程 劉習軍等 工程振動與測試技術 天津大學出版 社 1999第 1版 傅志方 振動模態(tài)分析與參數辨識 機械工業(yè)出 版社 1990 張賢達 現代信號處理 清華大學出版社 1995