某身管的实验模态分析

赫 雷,王 进,管红根,周克栋

某身管的实验模态分析

赫 雷,王 进,管红根,周克栋

(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)

为了了解某身管的振动情况,对该身管进行了实验模态分析,获得了其固有频率、阻尼比和振型等.此外,对身管进行了有限元模态分析,用于对模态试验的指导,并与试验的结果进行了对比和验证,两者符合很好.

实验模态;身管;有限元;固有频率

1 引 言

影响火炮射击精度的因素较多,炮口指向是影响武器射击精度的因素之一.因而,由于火炮的振动而产生的炮口扰动也就成为影响武器射击精度的因素之一.火炮的振动最终由炮口的位置所反映,因此对身管振动的研究就显得尤为重要.本文将对身管进行实验模态分析以及有限元模态分析,获得了其固有频率、阻尼比和振型等模态参数,分析其低频部分的动态特性,为进一步的改进提供试验依据[1].

2 身管的模态试验

2.1 测试系统简介

模态试验的主要任务是同时测量身管结构的输入和输出信号,并对信号进行分析和处理,从而估计出被测系统的频响函数,为模态分析提供准确可靠的依据.

试验的基本设备包括(如图1所示):激励系统(KISTL ER 9728A20000型力锤,包括力传感器),测量系统(KISTL ER 8702B50型加速度传感器,KISTL ER 5011型及5134型电荷放大器),信号处理系统(ZonicBook/618E振动分析和监测系统,eZ-Analyst信号采集控制软件,ME’scope模态分析软件).

进行模态试验时,首先由激励设备产生激励力,引起系统振动,再将力传感器和加速度传感器测得的信号放大,输入到ZonicBook/618E振动分析和监测系统,通过eZ-Analyst软件,对信号作FFT变换,输出频响函数(FRF)和相干函数,通过ME’scope模态分析软件对所有的频响函数做整体的曲线拟合,进而进行模态识别,并得出结构的实验模态参数.

图1 模态试验系统框图

2.2 测试方法和步骤

2.2.1 身管支承方式

目前常用的结构支承方式为自由支承和约束支承.考虑到身管的长度和质量都较大及客观试验条件,本文进行的模态分析实验选择用2个软木支架对身管进行支撑,以模拟自由支承.

2.2.2 确定激励方式

模态实验的激励可由激励器或冲击锤产生.因为脉冲激励是一种宽频带激励,其信号频谱比较宽,一次激励能够同时激励出多阶模态,而且实验时不会对结构产生附加质量、附加刚度等副作用,因此,此方法在工程上得到了广泛的应用[2].

本文采用锤击激励法,锤头材料的选择根据分析的频率范围以及敲击出的力信号来确定.本实验主要分析身管的低频段的动态特性,因此选择了橡胶锤头,试验中信号满足要求[3].

2.2.3 测点的布置和传感器的布置

为了提高模态参数的识别精度,必须合理布置激励点和响应点的位置,最大限度地减少模态丢失.并且布置的测点能够基本反映出结构的形状.本实验共均匀布置了21个测点,其中第17节点作为加速度响应信号的输出点,所有节点均为激励点,通过移动力锤来进行拾振.

2.2.4 信号的采集和频率响应分析

实验中,对数据进行双通道采集和分析,一个通道采集激励信号,另一个通道同时采集加速度响应信号.对力信号的触发采用了正触发、前触发及选择适当的触发水平.对于脉冲形式的激励信号加力窗处理,加速度信号则加指数窗处理.实验中为了减小敲击力不均和噪声对信号的影响,每个测点各敲击了3次,将所得的频响函数取平均,得到每个测点的平均响应函数[4].

2.2.5 模态参数识别

模态参数识别方法按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法,激励方式不同(SISO, SIMO,MIMO),相应的参数识别方法也不尽相同.本文采用的是ME’scope软件中的频率识别法,对频响函数采用正交多项式拟合法,得出各阶模态参数,包括各阶固有频率、阻尼比和振型[5].

3 模态分析结果及分析

3.1 实验模态分析结果

利用ME’scope模态分析软件分析身管的低频(500 Hz以内)振动特性,在其结构设计窗口中对某身管进行了三维建模,并标出了21个测点的位置(如图2所示).在数据窗口中导入已经采集完成的频响函数(FRF),再把频响函数和三维模型中的对应节点结合起来,最后进行模态参数拟合(如图3所示),得出了前4阶模态参数如表1所示,各阶模态振型如图4～7所示.

图2 某身管的三维模型及测点发布

图3 模态参数拟合图

表1 模态试验分析得到的前4阶模态参数

图4 第1阶振型图

图5 第2阶振型图

3.2 有限元模态分析结果

有限元模态分析过程由4个主要步骤组成:有限元模型的建立、加载及求解、扩展模态、检查结果.图8为该身管的有限元模型,各阶模态频率及振型如图9～12所示.

图6 第3阶振型图

图7 第4阶振型图

图8 某身管的有限元模型

图9 第1阶自由模态振型(31.19 Hz)

图10 第2阶自由模态振型(159.58 Hz)

3.3 结果分析

通过有限元模态分析和实验模态分析的对比(表2),看出各阶振型基本相似,频率相差较小.因此,可认为实验模态分析基本上准确.

图11 第3阶自由模态振型(308.30 Hz)

图12 第4阶自由模态振型(475.59 Hz)

表2 有限元模态分析和试验模态分析的模态频率对比

本文主要测试身管径向的振动情况,以了解其振动情况和炮口指向.从模态振型图可知,第1阶振型中主要是身管中部的径向跳动,但是其炮口的振动较小.第2～4阶振型主要是身管中部(8～12节点处)、中前部(3～7节点处)及中后部(13～17节点处)的组合振动,中前部的振动尤为突出,这3阶振型反映出较大的炮口振动.

4 结 论

通过对某身管的实验模态分析,结论如下:

1)在模态实验之前,有必要对被测试件进行有限元模态分析,以了解其前几阶模态频率的范围和振型的特点,对实验模态中测点的布置和某些参数的设置有指导作用.同时也能与实验模态分析的结果进行对比和验证.

2)通过实验研究,可知第2～4阶振型中反映出较大的炮口振动.为此,可以相应提高中部(8～12节点处)及中前部(13～17节点处)的刚度以减小身管的振动.

3)实验模态分析是研究身管动态特性的有效手段.

[1] 欧阳光耀,王树宗,王德石.火炮身管振动特性及减振研究[J].海军工程学院学报,1999,(2):79.

[2] 陈可,周孔亢,徐凌,等.低速汽车整车模态试验研究[J].机械设计与制造,2007,12(12):31.

[3] 沃德·海伦,斯蒂芬·拉门兹,波尔·萨斯.模态分析理论与实验[M].北京:北京理工大学出版社, 2001.

[4] 李德葆,陆秋海.工程振动试验分析[M].北京:清华大学出版社,2004:240.

[5] 曹树谦,张文德,萧龙翔.振动结构模态分析[M].天津:天津大学出版社,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

[责任编辑:郭 伟]

2010-02-25;修改日期:2010-04-14

赫 雷(1973-),女,辽宁辽阳人,南京理工大学机械工程学院副教授,硕士,研究方向为武器振动与模态分析.