振动测试(1) 绪-39

飞机动力学试验
飞机模态分析
振动台试验
航空发动机齿轮破坏再现
军用飞机发动机齿轮在飞行 过程中出现断裂。经过模态 分析发现齿轮某一阶工作频 率与发动机工作频率非常接 近。安装在振动台上以此频
率进行激励，1小时以后齿轮出现与实 际工作破坏相同的裂纹，表明是共振引 起破坏。解决方案：改变齿轮厚度。
哈勃望远镜热致振动
动载下，力学量允许极限不同
疲劳、断裂许用应力明显降低
振动信号 X(t)
幅度
相位 0°
-90° -180°
频率 频率
Stress
Stress
Ultimate Strength Yield Strength Proportional Limit
Strain
Endurance Limit Cycles
纳米管传感器
纳米管 的端部为1 个基因，相 当于单自由 度系统，可 通过测量系 统的频率计 算出基因的 质量。—99 年Science杂 志
International Space Station(ISS)
• 发射过程：火箭各位置的推进加速度、振动速度和位移。 • 载人/生物航天器：对推进加速度限制。 • 入轨后姿态控制：姿态敏感器、推进器的喷气量、步进电机调整角度和
工程振动测试分析的任务：
解决工程振动问题—结构设计、设备运行、 产品试制、课题研究、工程质量评定、结构 故障诊断。
最新进展：
电子技术—计算机技术、A/D与D/A转换、记 录存储技术
传感器技术—特殊环境、特殊振动
工程振动测试分析应用领域：
– 结构动力特性试验研究 – 运行中的设备振动状态监测和故障诊断 – 振动与冲击环境模拟试验 – 构件的疲劳强度试验 – 隔振与减振技术研究 – 有关振动利用的研究 – 第一类反问题: 参数识别、系统识别 – 第二类反问题：载荷识别
• 傅志方.振动模态分析与参数辨识.机械工业出 版社,1990
• 曹树谦等,振动结构模态分析-理论实验与应用, 天津大学出版社, 2001
汽车工程
• 汽车平顺性：载人平顺性和运输平顺性。
• 悬挂系统的减振特性：减震器特性，悬架特性，座椅减振 特性，发动机减振器。
• 汽车运行安全性：汽车的主要频率特性，各部件的振动与 车速和路面激励的关系，车架、轴、传动轴及其连接等重 要部件的动态应力评估。
• 碰撞安全性：人体各关键部件的耐冲击特性（最大加速度、 冲击时间、相对位移等），安全带的减振特性，碰撞变形 特性，安全气囊的触发条件。
（3）测量系统：传感器和配套的测量电路
（4）分析环节：对来自测量系统的原始振 动信号进行分析
结构动特性建模方法
理论建模：动力学仿真分析
实验建模：实验模态分析方法
有限元对实验研究的指导作用主要表现在预先试 验分析：确定传感器和激励设备的配置方案、传 感器类型、频响、灵敏度、线性范围、温度特性 等的要求。
4 8 1 .8 8 6 1
IASC-ASCE 基准结构模型试验研究
该基准模型实际结构为如下图所示的一个3维4层钢结构模型， 长宽各为2.5米，高3.6米。
图 基准结构
图 每一层构件编号
图每一层的测点位置及方向
纳米管的振动特性
纳米管 的1阶(A)、2 阶(B)、3阶 (C)振动的振 型。与悬臂 梁振型相同 纳米管的截 面尺度约1纳 米。—99年 Science杂志
• 动力学仿真分析的结果需要得到实验验证。
原型试验/全尺寸模型试验/缩尺动力学相似模型试验/部件试验 (模型相似理论)
实验建模方法
实验建模是通过系统的输入信号和输出响 应之一或全部确定系统动特性模型的方法。 因此又可称为辨识过程，可分为：
– 系统辨识：模型的形式、阶次、参数均未知。 – 参数辨识：模型的形式已知，阶次和参数待定；
课程的主要内容（实验建模）
• 振动信号传感器 • 振动特性参数的测量方法 • 信号分析和信号处理技术 • 机械阻抗法与频响分析 • 结构模态试验分析
课程学习目标
培养对结构进行综合动力学测试分析的基本理论和实验能力
• 掌握常见传感器的原理及应用技术 • 掌握基本的动力学测试的方法 • 掌握基本的信号采集和分析的方法 • 掌握基本的结构模态分析的理论和方法 • 完成6个实验训练
力矩、反作用轮调整角度等 • 入轨后振动控制：各位置的加速度；控制力和力矩 • 问题： • 负载限制、发射过程的高g值和入轨后小振动对传感器测量系统的要求 • 地面与太空大温差、太空中向阳和被阳面大温差、出入地球阴影的大温
差对传感器测量系统的要求； • 微重力环境条件对传感器测量系统的影响； • 长时间工作对测量系统可靠性和安全性的要求； • 低频密集模态的测量困难。10Hz以下数百阶模态。
钢筋混凝土梁损伤识别
损 伤 基 频 （ H z ） 二 阶 频 率 （ H z ）
健 康 2 0 9 .0 9 6 5
4 8 7 .2 0 2 4
5 对 孔 2 0 2 .8 8 0 0
4 8 4 .6 3 5 1
7 对 孔 2 0 2 .9 0 6 8
4 8 3 .3 5 8 7
1 0 对 孔2 0 8 .3 0 7 8
第1讲 绪 论
版权所有, 2004 (c) 陆秋海
• 测试的定义
• 测试是 测量 与 试验（实验）的简称。
试验离不开测量，测试中最基本的是测量。
测量是利用各种装置对可观测量（或称被测参）
进行 定性 和 定量 的过程。
测试的目的：获取信息。
• 信息、信号、测试的关系：
1. 信号是传递信息的载体。 2. 测试是得到被测参数信息的技术手段。
全场扫描式激光测振仪
可以对全场进行非接触式振动测量，安装有CCD相机，可直接在计算
机上选定需要专门测量的点。可显示结构全场稳态响应的振型、选定
点的频谱和频响函数等。
(英国Ometron公司)
基于振动特性的结构损伤识别
大型实际工程结构如大型桥梁、大型厂房、海洋平台等在交通、 能源、军事和社会生活等方面有着重要的战略意义。确定结构是否 存在损伤以及损伤的位置和程度已经成为这类结构安全保障的重要 途径。 局部试验方法： （外观检查，声或超声波，磁场探测，射线成像，温度场测试等） 全局方法： （利用结构的振动特性对整个结构进行损伤诊断识别）
采用实验建模的原因
• 实际结构太复杂，难以采用理论简化和进行 精确的动力学仿真分析；
组成部件多，连接关系复杂，甚至有刚体、柔性体及机构耦合； 包含间隙、摩擦等非线性； 包含大位移和大变形等几何非线性； 结构强度、构形、边界条件和受力条件时变； 受复杂风载、运动载荷、热环境条件等共同作用；如发电机组、大桥。
参考书目 (1)
• 李德葆,陆秋海.工程振动试验分析.清华大学 出版社,2004
• 方之楚,杨长俊,余征跃.动态测试与分析技术， 上海交通大学教材,2005
• 李方泽,刘馥清,王正.工程振动测试与分析.高 等教育出版社,1992
参考书目 (2)
• 李德葆,陆秋海.实验模态分析及其 动态测试：在实际工程中，大量的被测量是随 时间变化的动态信号，动态测试泛指各类动态 信号的测量。
• 本课程：固体力学实验（二），振动测试。
振动测试的特点
振动力学量是时间的函数(周期性、随机性、 瞬时） 振动力学量大小与结构固有特性有关。
静态：力幅不变—应变、位移、应力不变 动态：力幅不变—不同频率下响应不同
甩掉了装在天文望远镜上用来定
位观测星体的传感器。
严重影响了天文观测。由于每次
振动需要3-6分钟才能静止，望远
镜的有效观测时间被严重缩短。
帆板振动使直径2.4米的望远镜镜
片扭曲，导致其不能精确聚焦，
影响了图片的拍摄质量。
激光测振仪 －非接触式高精度测量
德国POLYTECH公司
激光测振仪
喇叭的振动
(英国Ometron公司)
工程振动测试方法及分类：
（1）机械式测量
盖格尔测振仪
（2）光学式测振仪
读数显微镜 激光测振仪
（3）电测
优点：（1）频带宽；（2）灵敏度高；（3）动态范围宽；（4）远距 离测量；（5）便于存储和分析信号；（6）多点测量；（7）传感器 多样化。
电测法的基本环节：
（1）测试对象：承受动载荷的动力结构
（2）激励环节：使测试对象产生所需的振 动响应
或仅参数待定。
振动台
落锤冲击
空调风机
力锤（含力传感器），加速度传感器 通过实验确定风机在工作状态下是否可能共振导致高速旋转的叶片与外壁发生刮蹭和碰撞
空 调 风 机 模 态 试 验
汽车动力学试验
采用激振器对整车或部件进行激励 ，激振器端部安装力传感器，通过 安装在车架和车身上的传感器测量 车辆的动力响应。