一種舵系統(tǒng)模態(tài)試驗方法研究

李寧

摘 要： 導(dǎo)彈的模態(tài)參數(shù)是有限元模型修改、顫振特性分析及氣動伺服彈性分析的依據(jù)，通過模態(tài)試驗獲得。本文對某項目導(dǎo)彈舵系統(tǒng)模態(tài)試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)錘擊法、純模態(tài)方法無法得到滿足要求的模態(tài)指標(biāo)，對模態(tài)試驗方法進行改進研究，發(fā)現(xiàn)施加一定的預(yù)緊力能夠有效提升模態(tài)參數(shù)品質(zhì)，試驗結(jié)果驗證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 舵系統(tǒng)；模態(tài)試驗；預(yù)緊力

1.序言

導(dǎo)彈的模態(tài)參數(shù)是有限元模型修改、顫振特性分析及氣動伺服彈性分析的依據(jù)。導(dǎo)彈的模態(tài)試驗是通過振動響應(yīng)測試獲得導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)的動特性參數(shù)，主要包括導(dǎo)彈固有頻率、振型和阻尼[1]。常用的模態(tài)試驗方法有錘擊法、隨機法、掃頻法和純模態(tài)法等。本文以某項目導(dǎo)彈舵系統(tǒng)模態(tài)試驗為藍本，對試驗結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)錘擊法、純模態(tài)方法無法得到滿足要求的模態(tài)指標(biāo)，需要施加一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力能夠在一定程度上消除舵面—傳動機構(gòu)—舵機連桿的扭轉(zhuǎn)傳動間隙、舵軸與軸承之間的彎曲方向間隙，保持傳動機構(gòu)的接觸面穩(wěn)定，接觸剛度保持穩(wěn)定，從而得到有效的模態(tài)參數(shù)。

2.舵系統(tǒng)模態(tài)試驗方法

導(dǎo)彈舵面模態(tài)試驗時，常常采用錘擊法、隨機法、掃頻法和純模態(tài)法對單獨舵面開展模態(tài)試驗。

2.1錘擊法

舵機處于未加電狀態(tài)，把舵面固定安裝到舵機艙體上，按照固定支撐要求把舵系統(tǒng)安裝在地軌上，使艙體垂直于地面，達到舵系統(tǒng)模態(tài)試驗安裝要求。

采用力錘錘擊舵面，通過加速度傳感器測量舵面的響應(yīng)信號，利用數(shù)據(jù)采集儀設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，利用軟件分析處理，得到舵系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。進行模態(tài)參數(shù)確認，并判斷試驗過程及試驗數(shù)據(jù)是否有效。

2.2隨機法

舵機處于未加電狀態(tài)，試驗安裝同錘擊法模態(tài)試驗方法，按要求安裝激振器，布置傳感器，檢查各設(shè)備工作參數(shù)。

采用觸發(fā)隨機激勵，激振舵面的激勵點，利用設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完畢后，利用軟件分析處理，得到舵系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進行模態(tài)參數(shù)確認，并判斷試驗過程及試驗數(shù)據(jù)是否有效；

2.3掃頻法

舵機處于未加電狀態(tài)，試驗安裝同錘擊法模態(tài)試驗方法，按要求安裝激振器，布置傳感器，檢查各設(shè)備工作參數(shù)。

采用步進式正弦激勵，激振舵面的激勵點，利用設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完畢后，利用軟件分析處理，得到舵系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，進行模態(tài)參數(shù)確認，并判斷試驗過程及試驗數(shù)據(jù)是否有效。

2.4純模態(tài)方法

純模態(tài)方法以掃頻法得到的頻響函數(shù)作為傳遞函數(shù)，通過不斷調(diào)節(jié)激振力大小和激振頻率，找到舵面的前三階純模態(tài)。

采用定頻正弦激振，通過調(diào)節(jié)激振力的大小和頻率，使得MIF值達到0.8以上，測得舵系統(tǒng)的模態(tài)頻率和振型，改變激振力的幅值，測得模態(tài)頻率、結(jié)構(gòu)振動幅值和激振力幅值的曲線。進行模態(tài)參數(shù)確認，并判斷試驗過程及試驗數(shù)據(jù)是否有效。

2.5舵系統(tǒng)工作時模態(tài)試驗方法

在舵機加電狀態(tài)下，采集舵面多個測量點的響應(yīng)信號，通過軟件處理響應(yīng)信號獲得舵系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。舵機通電，測試設(shè)備對舵機施加零位電壓，采用激振器對舵系統(tǒng)施加掃頻激勵，采集測量點響應(yīng)數(shù)據(jù)。進行模態(tài)參數(shù)確認，并判斷試驗過程及試驗數(shù)據(jù)是否有效。

3.試驗分析與方法改進

以某項目導(dǎo)彈模態(tài)試驗為例，某次舵系統(tǒng)模態(tài)試驗得到了導(dǎo)彈舵系統(tǒng)的模態(tài)特性，在試驗過程中存在以下問題：

3.1錘擊法、純模態(tài)方法無法得到滿足要求的模態(tài)指標(biāo)

原因分析：舵面-傳動機構(gòu)-舵機連桿的扭轉(zhuǎn)傳動間隙、舵軸與軸承之間的彎曲方向間隙較大，造成了舵系統(tǒng)進行錘擊法、純模態(tài)法及工作模態(tài)法時，采用錘擊和激振器激振時，舵系統(tǒng)的運動機構(gòu)在間隙和接觸之間不斷的變化，傳動機構(gòu)接觸面無法有效接觸，接觸剛度不斷的變化，測量得到的模態(tài)特性也因此不斷變化，無法得到有效的模態(tài)特性。特別是純模態(tài)試驗，由于激振器激振力不斷增大，激振會造成傳動機構(gòu)間的接觸面分離，接觸剛度瞬間降低，整個系統(tǒng)的模態(tài)特性發(fā)生瞬間變化，從而無法得到有效的模態(tài)頻率。

因此，為了得到有效的模態(tài)數(shù)據(jù)，需在舵面模態(tài)試驗時在內(nèi)翼、外翼上施加預(yù)緊力，這兩個預(yù)緊力能夠一定程度上消除舵面—傳動機構(gòu)—舵機連桿的扭轉(zhuǎn)傳動間隙、舵軸與軸承之間的彎曲方向間隙，在一定程度上保持傳動機構(gòu)的接觸面穩(wěn)定，接觸剛度保持穩(wěn)定，從而得到有效的模態(tài)參數(shù)。隨著預(yù)緊力的增大，純模態(tài)試驗數(shù)據(jù)判別指標(biāo)越來越好（MIF值）。

3.2施加預(yù)緊力能有效提升模態(tài)試驗數(shù)據(jù)品質(zhì)

施加預(yù)緊力是為了減小舵系統(tǒng)傳動間隙。舵系統(tǒng)由舵機—操縱機構(gòu)—舵面組成，其中操縱機構(gòu)由液壓舵機活塞桿、連桿、帶搖臂軸套、蓋板、軸承、密封件等組成，同時舵面為折疊舵面內(nèi)翼、外翼和折疊機構(gòu)組成，舵系統(tǒng)要想達到控制舵面偏轉(zhuǎn)的目的，舵系統(tǒng)的傳動必然存在間隙。

由于此舵系統(tǒng)無整體預(yù)載，其間隙類型為中心型間隙。對于存在中心型間隙的運動機構(gòu)進行模態(tài)試驗時，只有通過施加預(yù)緊力的方法避開間隙區(qū)域，測量其剛度k0， 從而得到舵系統(tǒng)的剛度特性。而在實際試驗時，隨著預(yù)緊力的增大，傳動機構(gòu)之間的接觸面增大，傳動剛度會逐漸的增大，從而使得測量得到的模態(tài)頻率逐漸增大。隨著預(yù)緊力的逐漸增大，當(dāng)接觸面不在繼續(xù)增加時，模態(tài)頻率趨近于一個穩(wěn)定值，即k0隨著預(yù)緊力增大而不斷增大，但會趨近于一個常量，這個常量為舵系統(tǒng)的理論剛度。

在進行舵系統(tǒng)模態(tài)試驗，預(yù)緊力施加可以有效提升模態(tài)試驗數(shù)據(jù)品質(zhì)，同時預(yù)緊力的大小直接影響了舵系統(tǒng)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，因此為了分析模態(tài)試驗過程中，預(yù)緊力的大小對于模態(tài)試驗結(jié)果的影響，本次試驗中進行了四個預(yù)緊力狀態(tài)的試驗，分別為無預(yù)緊狀態(tài)、內(nèi)翼施加30N預(yù)緊力狀態(tài)、內(nèi)外翼施加50N預(yù)緊狀態(tài)和內(nèi)外翼施加100N預(yù)緊力狀態(tài)。通過試驗狀態(tài)的對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)緊力不斷的增大，試驗試驗數(shù)據(jù)的品質(zhì)逐漸變好，同時舵系統(tǒng)的一、二階頻率逐漸增大，頻差逐漸增大。根據(jù)以往經(jīng)驗，對于舵系統(tǒng)的氣動彈性影響最大的為舵系統(tǒng)的一、二階頻率和頻率差。

分析舵系統(tǒng)模態(tài)試驗結(jié)果，選取模態(tài)頻差最差的幾個工況，并以這些狀態(tài)的試驗結(jié)果為輸入進行氣動彈性仿真，通過分析可以看出，預(yù)緊力的大小直接影響對于氣動彈性分析的判斷。

4.結(jié)語

在實際地面模態(tài)試驗中，如何確定施加預(yù)緊力的大小，一般應(yīng)根據(jù)舵系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)來確定。在地面試驗過程中，受試驗條件所限，一般不會將預(yù)緊力增大到使用載荷，因此地面試驗測量的模態(tài)頻率只會趨近于理論值，但不會得到真實工作狀態(tài)的模態(tài)特性。另一方面，由于舵系統(tǒng)傳動剛度損失，舵系統(tǒng)的理論模態(tài)會逐漸朝單獨舵面的模態(tài)頻率逼近，但是絕不會超過單獨舵面的模態(tài)頻率。

參考文獻

[1]何輝，導(dǎo)彈舵機/舵面系統(tǒng)模態(tài)試驗方法研究[J]，航空制造技術(shù)，2014.