細長體試件兩點激勵振動試驗形式的選擇與分析

趙懷耘，陳穎，農紹寧

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

細長體試件兩點激勵振動試驗形式的選擇與分析

趙懷耘，陳穎，農紹寧

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

目的明確細長體試件最合適的兩點激勵試驗形式。方法針對某細長體試件的不同試驗形式設計了不同的試驗夾具，隨后針對試件和夾具開展有限元模態分析，并進行兩種形式的兩點激勵振動試驗，研究細長體試件在兩點激勵振動試驗中采用不同試驗形式時的動力學響應差異。結果模態分析和試驗結果表明，試件和夾具組合體在柔性懸掛方式下依然正確反應了試件本身的模態特性，而在夾具固定方式下模態特性卻發生了明顯改變。結論細長體試件的兩點激勵振動試驗更適合采用柔性懸掛方式進行。

兩點激勵振動試驗；夾具固定；柔性懸掛；細長體試件；模態特性

兩點激勵振動試驗通過2臺振動臺激勵試件，這種試驗方法不僅可以提供更大的推力，而且可以使試件的振動載荷分布得更加均勻、合理、真實[1—3]，是力學環境試驗技術的一個重大進步和發展趨勢。對于那些飛機外掛等細長體結構，由于其長細比大、前后條件差異等特點也決定了兩點激勵的試驗方法更適合其振動試驗[4—6]。

兩點激勵振動試驗與傳統的單振動臺振動試驗不僅在試驗原理、控制方式與控制算法上有很大不同，二者在試驗夾具、試件的安裝上也有很大差別。根據試件的安裝固定方式或振動臺激振力傳遞方式的不同，兩點激勵振動試驗通常有兩種方式：一種是將試件通過前、后夾具剛性固定到兩臺振動臺上，振動臺的激振力通過夾具傳遞到試件上的“夾具固定兩點激勵振動試驗”；另一種則是GJB 150.16A程序Ⅳ[7]針對組合式飛機外掛采用的將試件柔性懸掛在實驗室內，振動臺的振動通過激勵桿傳遞到試件上的“柔性懸掛兩點激勵振動試驗”。在兩點激勵振動試驗開展初期，大多數試驗均采用了夾具固定方式[8—11]。隨著GJB 150A的推廣，柔性懸掛方式也逐漸在實際中開始應用。

針對具體試驗應當采用何種試驗形式是開展兩點激勵試驗前首先應解決的問題。文中針對某模擬細長體試件，通過有限元模態分析并開展夾具固定和柔性懸掛兩種形式的兩點激勵振動試驗，對兩種試驗形式進行了分析和選擇。

1 試件與夾具

1.1 模擬試件

模擬試件為一“日”字框架形細長體結構，前、后懸掛點間距為1560 mm。模擬試件基本形式如圖1所示。

1.2 夾具固定兩點激勵振動試驗夾具及安裝狀態

夾具固定兩點激勵振動試驗是通過前、后兩個框架式夾具將試件“剛性”固定到振動臺上，前、后夾具分別與試件前、后懸掛點連接。安裝狀態如圖2所示。

1.3 柔性懸掛兩點激勵振動試驗夾具及安裝狀態

根據GJB 150.16A程序Ⅳ的要求，在柔性懸掛兩點激勵振動試驗時，模擬試件懸掛在結構支撐架下部，結構支撐架彎曲振型的模態頻率至少為試件一階彎曲頻率的2倍。結構支撐架再通過4根柔性掛索柔性懸掛在實驗室內，柔性掛索剛度應使試件及結構支撐架的組合剛體模態頻率在5～20 Hz之間。振動臺的振動通過2根“柔性”激勵桿傳遞到試件上。安裝狀態如圖3所示。

圖3 柔性懸掛兩點激勵振動試驗安裝狀態Fig.3 Installation of the flexible suspension method for two-exciter vibration test

2 有限元模態計算及分析

振動試驗的考核對象是試件，但試驗夾具不可避免地會參與其中。試件和試驗夾具相互作用，振動試驗中試件表現出的動態特性實際上是試件和夾具組合體的動態特性（忽略振動臺等因素）。因此，文中對模擬試件及其不同兩點激勵試驗形式時的試件與夾具組合體分別開展了有限元模態分析。

2.1 模態計算結果

試件模態計算時試件懸掛點位置施加固定約束。計算結果表明，模擬試件的低階彎曲模態主要包括一階整體彎曲模態（如圖4a所示，頻率為36.4 Hz）及下框板彎曲模態（如圖4b，c所示，頻率分別為155 Hz和167 Hz）。這一計算結果與針對模擬試件進行的模態試驗結果基本一致。

夾具固定方式的有限元計算時，在前、后夾具與振動臺連接部位施加固定約束。計算得到的采用夾具固定方式時模擬試件與夾具組合體的低階彎曲模態如圖5所示，圖5a，b，c所示振型分別對應圖4a，b，c，頻率分別為40，144，107 Hz。

柔性懸掛方式的有限元計算時，在前、后激勵桿與振動臺連接部位施加固定約束。計算得到的采用柔性懸掛方式時試件與夾具組合體的低階彎曲模態如圖6所示，圖6a，b，c所示振型仍分別對應圖4a，b，c，頻率分別為38，157和171 Hz。

圖4 模擬試驗件低階彎曲模態Fig.4 Simulated blending mode shapes of the specimen

圖5 采用夾具固定方式時試件與夾具的低階彎曲模態Fig.5 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the fixture fixing method

圖6 采用柔性懸掛方式時試件與夾具的低階彎曲模態Fig.6 The blending mode shapes of the specimen and the fixture using the flexible suspension method

2.2 結果分析

通過前面的模態分析結果對比可以看出，當采用夾具固定方式時，除整體彎曲模態（約40 Hz）外，試件夾具組合體另外兩階彎曲模態的頻率、振型、受力分布等相比單獨試件均發生了較為明顯的改變。采用柔性懸掛方式時，試件夾具組合體的3個低階彎曲模態均基本沒有改變，仍然保持了模擬試件本身的模態特征。這是由于夾具固定兩點激勵振動試驗的夾具不可能完全剛性，同時兩點激勵試驗的特點也要求夾具能夠在一定程度上能“適應”兩個振動臺運動的不同步。因此前、后夾具在設計時也不能過于剛性（本次夾具固定方式前、后夾具的一階彎曲模態頻率約為150 Hz）。又由于激振力是通過前、后夾具傳遞給試件，因此夾具和試件的相互作用明顯，從而導致試件所表現出的模態相比試件固有模態發生了明顯改變。采用柔性懸掛方式時，試件柔性懸掛在結構支撐架下，結構支撐架可以比較容易地實現其彎曲模態頻率遠大于試件彎曲頻率的要求（本次柔性懸掛方式結構支撐架的一階彎曲模態頻率約為130 Hz），同時振動臺激振力是通過前后兩個柔性激勵桿傳遞到試件，因此在試驗過程中試驗夾具對試件的影響較小，試件夾具組合體依然反應了試件本身的模態特性。

3 兩點激勵振動試驗驗證

3.1 試驗條件

利用兩臺電動振動臺和MIMO控制系統，先后開展了兩種形式的兩點激勵振動試驗。柔性懸掛兩點激勵振動試驗時的控制點及測量點布局如圖3所示（夾具固定兩點激勵振動試驗傳感器布置與此類似）。兩種形式試驗均采用兩臺激勵單點控制方式，控制點（A01，A02）位于試件前、后懸掛點處。隨機振動控制譜如圖7所示，其中前控制點W0=0.008 g2/Hz，后控制點W0=0.01 g2/Hz，試驗方向為垂向，試驗時間為2 min。

圖7 兩點激勵振動試驗控制譜Fig.7 The power spectral density of random vibration in the two-exciter vibration test

3.2 試驗結果與分析

通過對比兩種形式兩點激勵振動試驗的測量數據發現，兩種形式的兩點激勵振動試驗時的一階共振頻率均發生在約40 Hz左右，但隨后幾階的諧振頻率在兩種試驗中卻產生了較為明顯的差別。柔性懸掛兩點激勵振動試驗時在148 Hz及175 Hz附近出現諧振，而夾具固定兩點激勵振動試驗時則是在103 Hz及125 Hz附近出現諧振。A7號測量點在兩種形式兩點激勵振動試驗下的加速度響應譜（其余測量點測得的頻響特性與此基本一致）如圖8所示。對比試驗結果和前面的模態計算結果可以看出，兩種形式試驗結果與模態計算結果基本一致，證明了前文有限元計算和分析的準確性；同時表明柔性懸掛兩點激勵振動試驗比夾具固定方式更能正確反映試件本身的模態特性。

圖8 A7測點加速度響應譜Fig.8 Acceleration response spectra of measuring point A7

振動試驗的對象是試件，盡管在實際試驗中夾具不可避免地會對試件產生作用，但這種影響應該盡可能降低，使試驗真正反映試件本身的特性。因此由前面的模態分析及試驗結果可以得到結論：對于該細長體試件的兩點激勵振動試驗，更適合采用柔性懸掛方式進行。實際上對于所有開展兩點激勵振動試驗的試件來說，由于夾具剛度限制以及激振力傳遞方式等原因，夾具固定兩點激勵振動試驗都很難排除夾具對試件的影響，因此造成試驗結果無法正確反映試件特性。柔性懸掛方式卻相對更容易降低夾具影響，盡可能反映試件特性的要求。綜上所述，細長體試件的兩點激勵振動試驗更適合采用柔性懸掛方式進行。

4 結論

1）由于試驗夾具的影響，試件在振動試驗中表現出的動態特性實際上是試件夾具組合體的動態特性。在進行兩點激勵振動試驗前，通過對試件及夾具按照不同試驗形式開展有限元模態分析，可以選擇合適的試驗形式并指導試驗夾具的修改，以使試驗中夾具對試件的影響降到最小。

2）對于細長體試件的兩點激勵振動試驗，柔性懸掛方式更有利于保持試件本身的模態特性。因此，柔性懸掛方式應成為細長體試件開展兩點激勵振動試驗的首先選擇。

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Selection and Comparative Analysis of Two-exciter Vibration Testing Types for Slender Specimen

ZHAO Huai-yun，CHEN Ying，NONG Shao-ning
（Institute of Systems Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

ObjectiveTo clarify the favorite type of the two-exciter vibration test for a slender specimen.MethodsDifferent test fixtures were designed for different testing types of a selected slender specimen.Finite element method was used to analyze the modal characteristics of the specimen and the fixtures.Two types of two-exciter vibration test were carried out to verify the analysis and the different dynamic responses of the slender specimen in different two-exciter vibration tests were studied.ResultsModal analysis and test results showed that the combination of specimen and fixture in the mode of flexible suspension correctly reflected the specimen’s intrinsic modal characteristics,while the modal characteristics were notably changed in the mode of fixture fixation.ConclusionThe flexible suspension method was more suitable for the slender specimen in two-exciter vibration test.

two-exciter vibration test；fixture fixation；flexible suspension；slender specimen；modal characteristics

2014-08-31；

2014-12-23

2014-08-31；

2014-12-23

國防科工局技術基礎科研項目（H112012A002）

Fund：Supported by the Technical Basis Project of State Administration of Science，Technology and Industry for National Defense（H112012A002）

趙懷耘（1974—），男，山東成武人，博士，高級工程師，主要從事振動環境試驗及結構動力學研究工作。

Biography：ZHAO Huai-yun（1974—），Male，from Chengwu,Shandong，Ph.D.，Senior engineer，Research focus:vibration environment test and structural dynamics.

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.002

TJ03

A

1672－9242（2015）02－0006-04