分析數(shù)值計算結(jié)合試驗測定模態(tài)阻尼法

張海倫

【摘要】模態(tài)阻尼是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)達到每一階模態(tài)振型時所表現(xiàn)出來的一種系統(tǒng)阻尼，從實際應(yīng)用情況來看，模態(tài)阻尼研究結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)特性的一個重要參數(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)值計算和試驗測定問題進行探究。

【關(guān)鍵詞】模態(tài)阻尼比;數(shù)值計算;試驗測定

阻尼作為一項動力指標，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來確定。模態(tài)阻尼比是多自由度系統(tǒng)動力分析中應(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)值計算結(jié)合試驗測定模態(tài)阻尼比的方式，借助程序中關(guān)于模態(tài)截斷語言的指定響應(yīng)分析，通過分離疊加模態(tài)得到純模態(tài)響應(yīng)，進而了解實驗數(shù)據(jù)峰值和數(shù)值分離時頻響峰值譜線關(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)的固有振動特性，線性系統(tǒng)的自由振動被解耦合是N個正交的單自由度振動系統(tǒng)對應(yīng)系統(tǒng)的N個模態(tài)。每一個模態(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)動力學(xué)研究的一個重要概念，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。不同的阻尼擁有不同的機理構(gòu)成，難以應(yīng)用一個統(tǒng)一的規(guī)律來對其進行分析。從運動角度來看，阻尼起到阻礙運動的作用，阻尼的力作用方向和運動方向相反。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、試驗設(shè)計

文章主要是對典型板單元結(jié)構(gòu)進行阻尼比的測試，按照規(guī)定，在有限元建模時板殼網(wǎng)絡(luò)尺寸常一個縱骨間隔距離進行劃分，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是支撐加強結(jié)構(gòu)）

三、數(shù)據(jù)分析

（一）有限元模型的建立和分析

實驗操作應(yīng)用正交各向異性負荷材料，在具體計算的時候要考慮纖維鋪層方向、角度、厚度，在數(shù)值計算的時候需要對試驗?zāi)Ｐ瓦M行整體有限元建模，模擬空氣中的振動情況，模擬試件采用板單元、傳感器進行設(shè)計。數(shù)值計算時要對四塊板進行模態(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)，由此充分驗證試驗?zāi)Ｐ秃头抡婺Ｐ偷妮^高匹配度。

（二）共振激勵計算單一模態(tài)響應(yīng)

對比各個板單元試驗和數(shù)據(jù)計算的振型、固有頻率結(jié)果相一致，在一致之后開展共振激勵計算。針對各個階段振型的特點，按照試驗響應(yīng)的數(shù)據(jù)開展瞬態(tài)分析，實現(xiàn)對頻率范圍內(nèi)數(shù)據(jù)信息的有效轉(zhuǎn)換。試驗過程中采集激振、拾振點信號后按照力幅進行統(tǒng)一規(guī)劃分析，得到最終的頻率響應(yīng)函數(shù)，在數(shù)值計算的時候為單位額外增加共振激振力、激振情況符合實際情況。在應(yīng)用模態(tài)疊加法進行總體響應(yīng)分析。

四、試驗結(jié)果

（一）共振駐留試驗響應(yīng)分析對比

按照試驗順序分步使用力錘施加脈沖激勵、激振器施加諧振激勵，采集指定測點的加速度時序信號。第一，取3次力錘敲擊下激勵一響應(yīng)點頻響曲線的平均值;第二，取激振器作用下形成穩(wěn)態(tài)共振響應(yīng)信號后一段時長數(shù)據(jù)的頻響曲線結(jié)果并進行平均計算。在經(jīng)過比較分析之后發(fā)現(xiàn)，兩個數(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)”計算下有偏差，導(dǎo)致部分階次識別阻尼比偏大。同時，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的結(jié)果。

（二）寬頻帶激勵下阻尼比數(shù)值驗證

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

結(jié)語

綜上所述，從當(dāng)前實踐操作實際情況來看，系統(tǒng)模態(tài)阻尼比的獲取和分析依賴試驗操作，但是當(dāng)前所具備的實驗測試方式在被應(yīng)用到實際工程的時候具備一定的應(yīng)用局限，無法獲取滿足需要的精準阻尼比。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)值計算和試驗分析方式，在模態(tài)選擇語句的作用下來對模態(tài)進行截斷處理，計算出純模態(tài)的響應(yīng)情況，實現(xiàn)對疊加模態(tài)的分離處理，達到了理性的效果。