分析數(shù)值計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)測定模態(tài)阻尼法

張海倫

【摘要】模態(tài)阻尼是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)達(dá)到每一階模態(tài)振型時(shí)所表現(xiàn)出來的一種系統(tǒng)阻尼，從實(shí)際應(yīng)用情況來看，模態(tài)阻尼研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù)。為此，文章在闡述模態(tài)阻尼概念的基礎(chǔ)上，就模態(tài)阻尼法的數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測定問題進(jìn)行探究。

【關(guān)鍵詞】模態(tài)阻尼比;數(shù)值計(jì)算;試驗(yàn)測定

阻尼作為一項(xiàng)動(dòng)力指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)在共振區(qū)的響應(yīng)影響十分明顯，阻尼參數(shù)的取值需要通過試驗(yàn)來確定。模態(tài)阻尼比是多自由度系統(tǒng)動(dòng)力分析中應(yīng)用模態(tài)疊加方式來解決響應(yīng)問題的重要參數(shù)，在設(shè)備和環(huán)境的不同影響下，獲取的模態(tài)阻尼比往往具備較大的差異。文章就此提出一種數(shù)值計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)測定模態(tài)阻尼比的方式，借助程序中關(guān)于模態(tài)截?cái)嗾Z言的指定響應(yīng)分析，通過分離疊加模態(tài)得到純模態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而了解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)峰值和數(shù)值分離時(shí)頻響峰值譜線關(guān)系，為模態(tài)阻尼比的修正提供重要參考支持。

一、模態(tài)阻尼概念

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，線性系統(tǒng)的自由振動(dòng)被解耦合是N個(gè)正交的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)對應(yīng)系統(tǒng)的N個(gè)模態(tài)。每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。阻尼是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要概念，在阻尼的作用下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特點(diǎn)。不同的阻尼擁有不同的機(jī)理構(gòu)成，難以應(yīng)用一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)律來對其進(jìn)行分析。從運(yùn)動(dòng)角度來看，阻尼起到阻礙運(yùn)動(dòng)的作用，阻尼的力作用方向和運(yùn)動(dòng)方向相反。從能力角度來看，阻尼是一種消耗結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的能量。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

文章主要是對典型板單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼比的測試，按照規(guī)定，在有限元建模時(shí)板殼網(wǎng)絡(luò)尺寸常一個(gè)縱骨間隔距離進(jìn)行劃分，打造典型的板單元阻尼比測試模型，如圖一所示。

（1是螺栓;2是壓條;3是板單元試件;4是基座;5是支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)）

三、數(shù)據(jù)分析

（一）有限元模型的建立和分析

實(shí)驗(yàn)操作應(yīng)用正交各向異性負(fù)荷材料，在具體計(jì)算的時(shí)候要考慮纖維鋪層方向、角度、厚度，在數(shù)值計(jì)算的時(shí)候需要對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行整體有限元建模，模擬空氣中的振動(dòng)情況，模擬試件采用板單元、傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)值計(jì)算時(shí)要對四塊板進(jìn)行模態(tài)分析，得到八階振型和固有頻率，各板振型相似，固有頻率結(jié)果被控制在較小的范圍內(nèi)，由此充分驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ偷妮^高匹配度。

（二）共振激勵(lì)計(jì)算單一模態(tài)響應(yīng)

對比各個(gè)板單元試驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算的振型、固有頻率結(jié)果相一致，在一致之后開展共振激勵(lì)計(jì)算。針對各個(gè)階段振型的特點(diǎn)，按照試驗(yàn)響應(yīng)的數(shù)據(jù)開展瞬態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)對頻率范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信息的有效轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)過程中采集激振、拾振點(diǎn)信號后按照力幅進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃分析，得到最終的頻率響應(yīng)函數(shù)，在數(shù)值計(jì)算的時(shí)候?yàn)閱挝活~外增加共振激振力、激振情況符合實(shí)際情況。在應(yīng)用模態(tài)疊加法進(jìn)行總體響應(yīng)分析。

四、試驗(yàn)結(jié)果

（一）共振駐留試驗(yàn)響應(yīng)分析對比

按照試驗(yàn)順序分步使用力錘施加脈沖激勵(lì)、激振器施加諧振激勵(lì)，采集指定測點(diǎn)的加速度時(shí)序信號。第一，取3次力錘敲擊下激勵(lì)一響應(yīng)點(diǎn)頻響曲線的平均值;第二，取激振器作用下形成穩(wěn)態(tài)共振響應(yīng)信號后一段時(shí)長數(shù)據(jù)的頻響曲線結(jié)果并進(jìn)行平均計(jì)算。在經(jīng)過比較分析之后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)數(shù)值所獲得的共振峰值存在較大的差異。

半功率法與衰減法識別出的阻尼比在比較的時(shí)候存在一定的偏差，在模態(tài)混疊影響作用下頻域下的半功率帶寬較“純模態(tài)”計(jì)算下有偏差，導(dǎo)致部分階次識別阻尼比偏大。同時(shí)，從修正阻尼比來看，受模態(tài)混疊影響較小，半功率法可以獲得更為精準(zhǔn)的結(jié)果。

（二）寬頻帶激勵(lì)下阻尼比數(shù)值驗(yàn)證

結(jié)合四塊脈沖激勵(lì)試驗(yàn)所得寬頻帶響應(yīng)結(jié)果，與該頻段內(nèi)數(shù)值計(jì)算（取修正后的阻尼比）頻響進(jìn)行對比。根據(jù)對比結(jié)果繪制阿尼修正理論、阻尼比數(shù)值計(jì)算頻響曲線，在對曲線數(shù)據(jù)信息進(jìn)行綜合比對之后，發(fā)現(xiàn)曲線在峰值大小、分布情況上和試驗(yàn)結(jié)果匹配。

結(jié)語

綜上所述，從當(dāng)前實(shí)踐操作實(shí)際情況來看，系統(tǒng)模態(tài)阻尼比的獲取和分析依賴試驗(yàn)操作，但是當(dāng)前所具備的實(shí)驗(yàn)測試方式在被應(yīng)用到實(shí)際工程的時(shí)候具備一定的應(yīng)用局限，無法獲取滿足需要的精準(zhǔn)阻尼比。文章結(jié)合模態(tài)阻尼概念和基本特性，對常用的信號處理局限進(jìn)行分析，明確導(dǎo)致阻尼比誤差的主要原因，之后應(yīng)用數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)分析方式，在模態(tài)選擇語句的作用下來對模態(tài)進(jìn)行截?cái)嗵幚恚?jì)算出純模態(tài)的響應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)對疊加模態(tài)的分離處理，達(dá)到了理性的效果。