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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-07-17 16:58
錘擊法模態(tài)試驗(yàn)可以分為兩類：移動(dòng)力錘固定傳感器和移動(dòng)傳感器固定力錘，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
在一個(gè)方向上用單軸加速度傳感器做模態(tài)錘擊試驗(yàn)，當(dāng)我們采用移動(dòng)力錘固定傳感器方法時(shí)，得到頻響函數(shù)FRF矩陣的一行；當(dāng)采用移動(dòng)傳感器固定力錘方法時(shí)，得到FRF矩陣的一列。當(dāng)?shù)玫紽RF矩陣的一列時(shí)，我們可以交換每個(gè)FRF響應(yīng)和激勵(lì)的位置，從而得到FRF矩陣的一行。接著用曲線擬合一列FRF矩陣元素，可以求得試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
然而，一些測(cè)試使用多個(gè)加速度計(jì)或在多個(gè)方向測(cè)量數(shù)據(jù)。盡管基本原理和采用一個(gè)單軸加速度傳感器相同，但在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)必須確保FRF矩陣有完整的行或完整的列。如果所得到的FRF矩陣不包含完整的行或完整的列，則無法得到結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼。
1. 移動(dòng)力錘固定傳感器
響應(yīng)測(cè)量點(diǎn)固定在圖1點(diǎn)3，力錘可以敲擊整個(gè)結(jié)構(gòu)任意位置。這種方法的缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間長，還有就是難以激勵(lì)起復(fù)雜的被測(cè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入的附加質(zhì)量效應(yīng)。
圖1 移動(dòng)力錘試驗(yàn)
2. 移動(dòng)傳感器固定力錘
激勵(lì)點(diǎn)固定在圖2點(diǎn)1，加速度傳感器可以在整個(gè)結(jié)構(gòu)上移動(dòng)。這種方法有助于激勵(lì)起復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的模態(tài)。如果使用多個(gè)加速度傳感器，可以縮短試驗(yàn)次數(shù)。然而，移動(dòng)傳感器會(huì)引入附加質(zhì)量效應(yīng)，影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖2 移動(dòng)傳感器試驗(yàn)
現(xiàn)在我們來看一個(gè)例子，目的是測(cè)試結(jié)構(gòu)的三維模態(tài)。獲取一個(gè)結(jié)構(gòu)的三維模態(tài)需要從三個(gè)方向獲取數(shù)據(jù)。
1. 移動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)（三軸加速度傳感器）固定激勵(lì)點(diǎn)
在固定點(diǎn)（如點(diǎn)1）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)，移動(dòng)三軸加速度傳感器，采集結(jié)構(gòu)在x、y和z三個(gè)方向上的響應(yīng)，從而獲得FRF矩陣完整的一列。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是比較容易激勵(lì)起結(jié)構(gòu)的模態(tài)。然而，移動(dòng)三軸加速度傳感器會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量附加效應(yīng)。為了減輕這種效應(yīng)的影響，可以使用質(zhì)量小的三軸加速度傳感器。
圖3 移動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)（三軸加速度傳感器）
2. 移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)固定響應(yīng)點(diǎn)（三軸加速度傳感器）
將三軸加速度傳感器固定在一個(gè)位置（如點(diǎn)1），移動(dòng)力錘在z方向激勵(lì)結(jié)構(gòu)，得到如圖4的FRF矩陣元素（黑色）。
圖4 移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)（只在z方向激勵(lì)）固定響應(yīng)點(diǎn)（三軸加速度傳感器）
上述FRF矩陣是不完整的，因?yàn)闆]有得到傳遞函數(shù)矩陣的一行。因此用曲線擬合不能夠得到結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
為了得到完整的矩陣，每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)都必須在x、y、z三個(gè)方向上進(jìn)行激勵(lì)。
圖5 移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)（在x、y、z三個(gè)方向激勵(lì)）固定響應(yīng)點(diǎn)（三軸加速度傳感器）
現(xiàn)在FRF矩陣有三個(gè)完整的行，這是一個(gè)多輸入多輸出的案例。在曲線擬合之前要交換激勵(lì)和響應(yīng)的位置。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，不能對(duì)一個(gè)扁平的表面進(jìn)行三個(gè)方向激勵(lì)。解決這一問題的方法是，在每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)附加一個(gè)塊作為試件的突出結(jié)構(gòu)，可以在x、y、z三個(gè)方向激勵(lì)附加的塊，從而獲得所有自由度的數(shù)據(jù)。該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是每個(gè)激勵(lì)點(diǎn)都要在x、y、z三個(gè)方向激勵(lì)，測(cè)試需要的時(shí)間較長。
這樣，我們已經(jīng)討論了分別使用一個(gè)單軸和三軸加速度傳感器的不同的錘擊試驗(yàn)方法。
接下來，我們討論一下錘擊試驗(yàn)中，使用多個(gè)加速度傳感器會(huì)發(fā)生什么情況。對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)錘擊試驗(yàn)時(shí)，使用一個(gè)傳感器試驗(yàn)時(shí)間會(huì)很長，使用多個(gè)傳感器可以縮短試驗(yàn)時(shí)間。通常，所有的錘擊試驗(yàn)都是單輸入多輸出的試驗(yàn)。在上述移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)并使用一個(gè)單軸加速度傳感器的例子中，力錘在整個(gè)被測(cè)結(jié)構(gòu)上移動(dòng)，加速度傳感器固定在一個(gè)自由度上，這可以看做是單參考點(diǎn)多輸出的例子。類似的，激勵(lì)點(diǎn)固定，一個(gè)單軸加速度傳感器在整個(gè)被測(cè)結(jié)構(gòu)上移動(dòng)，也可以看做是單參考點(diǎn)多輸出的例子。當(dāng)使用三軸加速度傳感器時(shí)，移動(dòng)傳感器可以獲得FRF矩陣的一列，這也是單輸入多輸出的例子。然而，移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)并使用三軸傳感器是一個(gè)多輸入多輸出的例子，因?yàn)樵趚、y、z三個(gè)方向上都有參考點(diǎn)。
當(dāng)移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)并使用多個(gè)單軸加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于多個(gè)傳感器存在多個(gè)參考點(diǎn)，F(xiàn)RF矩陣本質(zhì)上是多輸入多輸出的。
1. 移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)并使用多個(gè)單軸加速度傳感器
圖6 移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)并使用多個(gè)單軸加速度傳感器
使用兩個(gè)固定在點(diǎn)1和點(diǎn)2的單軸加速度傳感器，移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)，得到的FRF矩陣（圖6）有完整的兩行。通過觀察，我們知道矩陣有多個(gè)參考點(diǎn)，所以這是一個(gè)多輸入多輸出的案例。
2. 移動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)并使用多個(gè)單軸加速度傳感器
圖7 移動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)并使用多個(gè)單軸加速度傳感器
對(duì)于移動(dòng)響應(yīng)點(diǎn)的錘擊試驗(yàn)，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)參考點(diǎn)（激勵(lì)點(diǎn)1），所以得到的FRF矩陣本質(zhì)上是單輸入多輸出的。如前所述，使用多個(gè)傳感器可以減少試驗(yàn)的次數(shù)，但是會(huì)引入質(zhì)量附加效應(yīng)。另一種抵消該效應(yīng)的方法是在試件的其它測(cè)量自由度上粘貼附加的質(zhì)量塊，確保在整個(gè)試驗(yàn)過程中沒有時(shí)間變量。
總而言之，有兩種錘擊試驗(yàn)的方法，可以使用單軸或三軸加速度傳感器。試驗(yàn)時(shí)必須保證獲得的FRF矩陣有完整的行或列，如果不能做到這一點(diǎn)，就無法得到試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。為了減小質(zhì)量附加效應(yīng)的影響，應(yīng)該使用質(zhì)量輕的加速度傳感器，此外也可以在其它自由度上粘貼附加的質(zhì)量塊。當(dāng)需要對(duì)試件三個(gè)方向做激勵(lì)時(shí)，可以在三個(gè)方向上錘擊粘貼在試件上的附加質(zhì)量塊。使用多個(gè)加速度傳感器可以減少試驗(yàn)次數(shù)，F(xiàn)RF矩陣是單輸入多輸出還是多輸入多輸出，取決于有一個(gè)參考點(diǎn)還是多個(gè)參考點(diǎn)。
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