某型航空装备模态测试试验研究

张金奎 赵江 赵永乾

摘要：搭建结构模态测试试验系统，开展某型航空装备模态测试试验，利用纯模态分析技术对试验测试数据进行计算和分析。试验测试结果分析表明，利用纯模态分析技术获得了某型航空装备弹体结构三阶振动和两阶扭转振动模态、振动频率和阻尼比，且模态指示函数均在0.92以上，所测得的振动模态参数精度较高。

关键词：模态测试；试验；振动分析

Keywords：modal test；experiment；vibration analysis

振动特性分析是装备结构设计和结构优化工作中的重要组成部分，是实现结构合理设计、满足装备使用要求的必要手段。试验模态分析技术是一种测量精度高、应用广泛的结构模态检测和结构安全评估方法，其根据测量结构的固有频率、阻尼比、振型、模态刚度、模态质量等参数，与结构正常要求的参数进行相关性等分析，进而判断所测结构的安全程度。本文基于试验模态分析技术，对某型航空装备改造后弹体结构模态特性进行分析，得到改造后弹体结构模态振型、振动频率以及阻尼比，为机载安全性评估提供参考。

1 纯模态法振动模态测试原理

N个自由度结构系统振动模型的二阶线性常微分方程为[1]：

由式（6）可知，对结构施加外激振力，当所施加激振频率等于结构的某一固有频率时，结构即呈现共振现象。纯模态测试的目的就是调整力的分布直至激励力分布达到 要求，使方程达到式（1）的完全解耦状态，结构出现共振。

在试验中通过对激振力和激振频率进行优化调节，可以使结构呈现单一模态的振动。表现在结构上为各个测量点的加速度响应与激振力之间存在π/2的相位差，此时结构的惯性力与弹性力平衡，激振力与结构的阻尼力平衡，且响应的实部趋于零，结构呈现单一模态的相位特征。由此，通过反复调力与移频相结合的技术，使结构上各个测点加速度响应呈上述特征，即相位共振，从而得到结构在某一固有频率下的振型。

为更好地分离和识别模态，将所有响应相位归纳为一个总体目标函数△，并称此标量为模态指示函数，数学表达式如下：

2 模态测试试验设计及系统搭建

某型航空装备经过设计改造，对弹体连接结构进行了改进，并加装了控制设备，改变了弹体刚度和质量分布，结构示意图如图1所示。为了配合改造后振动特性分析与安全性评估，利用试验模态分析技术对弹体结构模态进行测试，获得模态参数。试验支持方式采用橡皮绳悬挂来模拟弹的自由—自由状态，试验件支持示意图见图1。

试验系统由激励系统、测量系统及分析系统组成。试验系统原理示意图如图2所示。试验测量点布置选用弹体全局坐标系，坐标系原点O位于弹体前端面中心，X轴与弹体中心轴平行，顺流向为正；Z轴与X轴垂直，向上为正； Y轴由右手定则确定。坐标系示意图及测量点布置如图3所示。

利用正选扫描法进行初步试验，检查测量点传感器位置及安装方向是否正确并进行初步测量，获得各阶模态及其振动频率，然后利用纯模态测试分析方法对振动频率、振型及阻尼比进行测量计算。

3 模态测试试验结果及分析

模态测试试验进行了1个试验状态，测得5个弹体模态参数，各阶模态参数详见表1所示，其振型图如图4、图5所示。通过自动激励系统，开展弹体结构模态测试试验，实现了三阶弯曲和两阶扭转测试试验，一階弯曲振动频率为98.2Hz，三阶弯曲振动频率为482.58Hz，一阶扭转振动频率为402.28Hz，二阶扭转振动频率为602.35Hz，振动频率较高，其指示函数均在0.92以上，所测得的振动模态参数精度较高。

4 结束语

1）结合模态测试技术，测得了某型弹体结构三阶振动和两阶扭转振动模态参数，其模态指示函数均在0.92以上，所测得的振动模态参数精度较高。

2）通过传感器试验数据处理，获得了各阶振动模态数据，并绘制了各阶振动振型图。

3）利用纯模态测试原理，搭建了结构模态测试试验系统，开展了弹体结构模态测试试验和指示函数分析，测试系统测试精度较高。

参考文献

[1]赵永辉.气动弹性力学与控制[M].北京：科学出版社，2007.

[2]方同，薛璞.振动理论及应用[M].西安：西北工业大学出版社，1998.

作者简介

张金奎，高级工程师，主要从事装备修理技术研究。