一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置及方法
【專利摘要】一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置及方法，該裝置包括穩(wěn)態(tài)激勵裝置、激光測振儀、測試反光鏡、電動機、穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集分析儀和上位機；穩(wěn)態(tài)激勵裝置用于激勵圓柱殼使其發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動；測試反光鏡反射激光光束到圓柱殼內(nèi)壁上；電動機用于驅動測試反光鏡進行360度旋轉，穩(wěn)壓電源為電動機供電；數(shù)據(jù)采集分析儀實時采集和記錄圓柱殼的振動響應信號并傳送振動響應信號給上位機；上位機對圓柱殼的振動響應信號進行分析及計算，最終繪制出圓柱殼的模態(tài)振型。測試反光鏡旋轉一周后沿圓柱殼內(nèi)腔中心軸線上下移動測試反光鏡，可獲得圓柱殼大量測點的振動響應數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于辨識圓柱殼的模態(tài)振型以及分析圓柱殼在發(fā)生共振時的振動響應特點。
【專利說明】一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于振動測試【技術領域】，具體涉及一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置及方法。
【背景技術】
[0002]圓柱殼是典型的工程結構件，廣泛應用于航空、航天以及其他通用機械裝備，例如航空發(fā)動機的機匣、航天器的各種艙體、造粒機里的轉鼓。獲得圓柱殼的模態(tài)振型對于該類結構件的動力學設計以及振動抑制都有重要的意義。
[0003]長期以來，對圓柱殼模態(tài)振型的測試主要采用通用的實驗模態(tài)分析理論提供的方法，即通過測試各響應點的頻響函數(shù)來辨識模態(tài)振型，其中采用力錘或電磁激振器激勵測試是最常用的方法。傳統(tǒng)的基于各響應點的頻響函數(shù)來獲得模態(tài)振型時，需要不斷的移動激勵點或響應拾取點的位置，導致測試效率低下。以測試包含200個測點的圓柱殼為例，如要完成模態(tài)振型測試，大約需要4?6個小時。另外，由于圓柱殼通常固有頻率間隔密集、模態(tài)之間耦合嚴重，因而這種傳統(tǒng)的測試模態(tài)振型的方法，測試精度不高。
[0004]激光測振是一種新興的振動測試技術，可以通過全場掃描式激光測振儀快速、準確地獲得近似平面結構的模態(tài)振型。但是對于圓柱殼結構，這種全場掃描式激光測振無法滿足測試要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置及方法。
[0006]本發(fā)明的技術方案:
[0007]—種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置，包括:穩(wěn)態(tài)激勵裝置、激光測振儀、測試反光鏡、電動機、穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集分析儀和上位機；
[0008]所述穩(wěn)態(tài)激勵裝置用于激勵圓柱殼使其發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動；
[0009]所述激光測振儀用于發(fā)出激光光束并投射到測試反光鏡上，且通過測試反光鏡返回的激光光束獲得圓柱殼的振動響應；
[0010]所述測試反光鏡用于反射激光光束到圓柱殼內(nèi)壁上；
[0011]所述電動機用于驅動測試反光鏡進行360度旋轉，實現(xiàn)激光束在圓柱殼內(nèi)壁的圓周掃描。
[0012]所述穩(wěn)壓電源用于為電動機供電；
[0013]所述數(shù)據(jù)采集分析儀用于實時采集和記錄圓柱殼的振動響應信號并傳送振動響應信號給上位機；
[0014]所述上位機用于對圓柱殼的振動響應信號進行分析及計算，最終繪制出圓柱殼的模態(tài)振型:
[0015]所述測試反光鏡的中心與圓柱殼內(nèi)腔中心在同一軸線上；測試反光鏡連接電動機的輸出端；電動機的輸入端連接穩(wěn)壓電源；
[0016]所述激光測振儀連接數(shù)據(jù)采集分析儀，數(shù)據(jù)采集分析儀連接上位機。
[0017]采用所述的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置測試圓柱殼模態(tài)振型的方法，包括如下步驟:
[0018]步驟1:在上位機上對圓柱殼進行有限元分析后獲得該圓柱殼的各階固有頻率，并根據(jù)該圓柱殼的各階固有頻率確定掃頻激勵的掃頻頻率范圍；
[0019]步驟2:啟動激光測振儀，激光光束通過測試反光鏡投射到圓柱殼內(nèi)壁任一點上；同時啟動穩(wěn)態(tài)激勵裝置對圓柱殼進行粗掃，得到圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態(tài)阻尼比；
[0020]步驟2-1:設定粗掃掃頻速度，并在掃頻頻率范圍內(nèi)激勵圓柱殼穩(wěn)態(tài)振動；
[0021]步驟2-2:激光測振儀實時采集圓柱殼的振動響應信號并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集分析儀；
[0022]步驟2-3:數(shù)據(jù)采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點的振動響應信號并傳送給上位機；
[0023]步驟2-4:根據(jù)圓柱殼各測點的振動響應信號，上位機獲得圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態(tài)阻尼比；
[0024]步驟3:根據(jù)圓柱殼的各階固有頻率粗掃值，上位機劃分新的掃頻頻率范圍，對圓柱殼進行精掃；
[0025]步驟3-1:在穩(wěn)態(tài)激勵裝置中設定精掃掃頻速度，且該精掃掃頻速度小于最大掃頻速度，并在所述的各個新的掃頻頻率范圍內(nèi)激勵圓柱殼穩(wěn)態(tài)振動；
[0026]精掃掃頻速度S為:
[0027]S<Sm=C2fn2(I)
[0028]式中，S為精掃掃頻速度，Hz/s ；Sm為最大掃頻速度，Hz/s ； ξ為對應階次的模態(tài)阻尼比；fn為圓柱殼的第η階固有頻率粗掃值，Hz ；η為圓柱殼的固有頻率的階次；
[0029]步驟3-2:激光測振儀實時采集新的圓柱殼振動響應信號并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集分析儀；
[0030]步驟3-3:數(shù)據(jù)采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點新的振動響應信號并傳送給上位機；
[0031]步驟3-4:根據(jù)圓柱殼各測點新的振動響應信號，上位機識別出圓柱殼的各階固有頻率精掃值；
[0032]步驟4:在穩(wěn)態(tài)激勵裝置中設定激勵幅度，穩(wěn)態(tài)激勵裝置分別以圓柱殼的各階固有頻率精掃值以及各階固有頻率精掃值對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼內(nèi)壁同一位置；
[0033]步驟5:激光測振儀分別獲得以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼的振動響應信號和以各階固有頻率精掃值分別對應的非共振區(qū)的任一頻率值分別激勵圓柱殼的振動響應信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機；
[0034]步驟6:經(jīng)過頻譜分析，上位機分別得到以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；[0035]步驟1:上位機對以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值作比較，并根據(jù)圓柱殼共振狀態(tài)幅值判別標準判斷圓柱殼是否處于共振狀態(tài)，是，則執(zhí)行步驟8，否，則執(zhí)行步驟4;
[0036]共振狀態(tài)幅值判別標準:
[0038]式中，
[0039]Clres為以圓柱殼的某階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；d_為以圓柱殼的某階固有頻率所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；b為判別系數(shù)；
[0040]步驟8:分別以圓柱殼處于共振狀態(tài)時對應的激勵幅度及對應圓柱殼的各階固有頻率，穩(wěn)態(tài)激勵裝置激勵圓柱殼振動；
[0041]步驟9:從圓柱殼內(nèi)壁任一起始位置開始，電機驅動測試反光鏡旋轉任一角度，即激光光束完成該角度對應的圓柱殼一段圓弧內(nèi)壁的掃描，從而激光測振儀獲得該段圓柱殼圓弧內(nèi)壁測點的振動響應信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀將其實時傳給上位機；
[0042]步驟10:上位機獲得所述圓柱殼一段圓弧內(nèi)壁測點的振動響應信號的相位，并計算各相鄰測點的相位差，根據(jù)各個相位差判定圓柱殼是否處于相位共振狀態(tài)，若各個相位差接近0°或180°，則圓柱殼是處于相位共振狀態(tài)，執(zhí)行步驟18，否，則圓柱殼不處于相位共振狀態(tài)，執(zhí)行步驟11;
[0043]步驟11:電動機驅動測試反光鏡旋轉一周，完成一周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內(nèi)壁一周測點的振動響應信號并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機；
`[0044]步驟12:沿圓柱殼內(nèi)腔中心軸線向上下移動測試反光鏡，完成多周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內(nèi)壁多周測點的振動響應信號并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機；
[0045]步驟13:根據(jù)圓柱殼內(nèi)壁測點的振動響應數(shù)據(jù)，上位機繪制出圓柱殼各階模態(tài)振型；
[0046]步驟13-1上位機對圓柱殼內(nèi)壁一周測點的振動響應數(shù)據(jù)及圓柱殼內(nèi)壁多周測點的振動響應數(shù)據(jù)進行時域響應信號降噪處理和加窗處理；
[0047]步驟13-2:上位機對時域響應信號降噪處理后的數(shù)據(jù)進行振動響應信號的縮減提取處理；
[0048]步驟13-3:根據(jù)圓柱殼的尺寸參數(shù)和縮減提取處理后獲得的測點數(shù)量，上位機繪制出圓柱殼縮減提取后的測點的線框模型；
[0049]步驟13-4:上位機將某階共振激勵下縮減處理后的振動響應數(shù)據(jù)加載到各自對應的線框模型測點坐標值上，并繪制出各階的模態(tài)振型。
[0050]有益效果:采用本發(fā)明的裝置及方法，在測試反光鏡旋轉一周后，沿圓柱殼內(nèi)腔中心軸線上下移動測試反光鏡，可獲得圓柱殼大量測點的振動響應數(shù)據(jù)。這些振動響應數(shù)據(jù)不僅可以用于準確辨識圓柱殼的模態(tài)振型，而且還可以用于評價和分析圓柱殼在發(fā)生共振時的振動響應特點。另外，采用本發(fā)明的裝置及方法，可快速獲得圓柱殼各階次的模態(tài)振型，顯著提高了圓柱殼模態(tài)振型的測試效率。【專利附圖】

【附圖說明】
[0051]圖1為本發(fā)明一種實施方式的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置的結構示意圖；
[0052]圖2為本發(fā)明一種實施方式的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置的連接示意圖；
[0053]圖3為本發(fā)明一種實施方式的基于激光掃描的獲取圓柱殼模態(tài)振型的方法的流程圖；
[0054]圖4(a)~(f)分別為本發(fā)明一種實施方式的有限元分析獲得的薄壁圓柱殼前6階模態(tài)振型圖；
[0055]圖5為本發(fā)明一種實施方式的掃頻測試中用于精確判定薄壁圓柱殼第一階固有頻率值的三維瀑布圖；
[0056]圖6(a)~(d)分別為本發(fā)明一種實施方式的用于判定薄壁圓柱殼是否處于共振狀態(tài)的4個測點的相位圖；
[0057]圖7為本發(fā)明一種實施方式的第5階共振頻率激勵下薄壁圓柱殼掃描一周獲得的時域響應數(shù)據(jù)圖；
[0058]圖8為本發(fā)明一種實施方式的激光掃描測試獲得的薄壁圓柱殼的第5階模態(tài)振型圖。
【具體實施方式】
[0059]下面結合附圖對本發(fā)明的一種實施方式作詳細說明。
[0060]本發(fā)明的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置，如圖1所示，包括:穩(wěn)態(tài)激勵裝置、測試反光鏡、電動機、穩(wěn)壓電源、激光測振儀、數(shù)據(jù)采集分析儀和上位機；本實施方式以薄壁圓柱殼為實施對象，其尺寸參數(shù)如表1所示。
[0061]表1薄壁圓柱殼尺寸參數(shù)/_
[0062]
【權利要求】
1.一種基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置，其特征在于:包括:穩(wěn)態(tài)激勵裝置、激光測振儀、測試反光鏡、電動機、穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集分析儀和上位機； 所述穩(wěn)態(tài)激勵裝置用于激勵圓柱殼使其發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動； 所述激光測振儀用于發(fā)出激光光束并投射到測試反光鏡上，且通過測試反光鏡返回的激光光束獲得圓柱殼的振動響應； 所述測試反光鏡用于反射激光光束到圓柱殼內(nèi)壁上； 所述電動機用于驅動測試反光鏡進行360度旋轉，實現(xiàn)激光束在圓柱殼內(nèi)壁的圓周掃描; 所述穩(wěn)壓電源用于為電動機供電； 所述數(shù)據(jù)采集分析儀用于實時采集和記錄圓柱殼的振動響應信號并傳送振動響應信號給上位機； 所述上位機用于對圓柱殼的振動響應信號進行分析及計算，最終繪制出圓柱殼的模態(tài)振型。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置，其特征在于: 所述測試反光鏡的中心與圓柱殼內(nèi)腔中心在同一軸線上；測試反光鏡連接電動機的輸出端；電動機的輸入端連接穩(wěn)壓電源； 所述激光測振儀連接數(shù)據(jù)采集分析儀，數(shù)據(jù)采集分析儀連接上位機。
3.采用權利要求1所述的基于激光掃描的圓柱殼模態(tài)振型測試裝置測試圓柱殼模態(tài)振型的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:在上位機上對圓柱殼進行有限元分析后獲得該圓柱殼的各階固有頻率，并根據(jù)該圓柱殼的各階固有頻率確定掃頻激勵的掃頻頻率范圍； 步驟2:啟動激光測振儀，激光光束通過測試反光鏡投射到圓柱殼內(nèi)壁任一點上；同時啟動穩(wěn)態(tài)激勵裝置對圓柱殼進行粗掃，得到圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態(tài)阻尼比； 步驟2-1:設定粗掃掃頻速度，并在掃頻頻率范圍內(nèi)激勵圓柱殼穩(wěn)態(tài)振動； 步驟2-2:激光測振儀實時采集圓柱殼的振動響應信號并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集分析儀；步驟2-3:數(shù)據(jù)采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點的振動響應信號并傳送給上位機； 步驟2-4:根據(jù)圓柱殼各測點的振動響應信號，上位機獲得圓柱殼的各階固有頻率粗掃值和圓柱殼的各階模態(tài)阻尼比； 步驟3:根據(jù)圓柱殼的各階固有頻率粗掃值，上位機劃分新的掃頻頻率范圍，對圓柱殼進行精掃； 步驟3-1:在穩(wěn)態(tài)激勵裝置中設定精掃掃頻速度，且該精掃掃頻速度小于最大掃頻速度，并在所述的各個新的掃頻頻率范圍內(nèi)激勵圓柱殼穩(wěn)態(tài)振動； 精掃掃頻速度S為: S < Sm =C2J;⑴ 式中，s為精掃掃頻速度，Hz/s ；Sm為最大掃頻速度，Hz/s ； ξ為對應階次的模態(tài)阻尼比；fn為圓柱殼的第η階固有頻率粗掃值，Hz ；η為圓柱殼的固有頻率的階次；步驟3-2:激光測振儀實時采集新的圓柱殼振動響應信號并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集分析儀； 步驟3-3:數(shù)據(jù)采集分析儀實時采集并記錄圓柱殼各測點新的振動響應信號并傳送給上位機； 步驟3-4:根據(jù)圓柱殼各測點新的振動響應信號，上位機識別出圓柱殼的各階固有頻率精掃值； 步驟4:在穩(wěn)態(tài)激勵裝置中設定激勵幅度，穩(wěn)態(tài)激勵裝置分別以圓柱殼的各階固有頻率精掃值以及各階固有頻率精掃值分別對應的非共振區(qū)的任一頻率值分別激勵圓柱殼內(nèi)壁任一位置； 步驟5:激光測振儀分別獲得以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼的振動響應信號和以各階固有頻率精掃值分別對應的非共振區(qū)的任一頻率值分別激勵圓柱殼的振動響應信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機； 步驟6:經(jīng)過頻譜分析，上位機分別得到以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值； 步驟7:上位機對以圓柱殼的各階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值和以各階固有頻率分別所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值作比較，并根據(jù)圓柱殼共振狀態(tài)幅值判別標準判斷圓柱殼是否處于共振狀態(tài)，是，則執(zhí)行步驟8，否，則執(zhí)行步驟4 ； 共振狀態(tài)幅值判別標準: dres/dnon ≥ b(2) 式中， dres為以圓柱殼的某階固有頻率激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；d_為以圓柱殼的某階固有頻率所對應的非共振區(qū)的任一頻率值激勵圓柱殼對應的振動響應幅值；b為判別系數(shù)； 步驟8:分別以圓柱殼處于共振狀態(tài)時對應的激勵幅度及對應圓柱殼的各階固有頻率，穩(wěn)態(tài)激勵裝置激勵圓柱殼振動； 步驟9:從圓柱殼內(nèi)壁任一起始位置開始，電機驅動測試反光鏡旋轉任一角度，即激光光束完成該角度對應的圓柱殼一段圓弧內(nèi)壁的掃描，從而激光測振儀獲得該段圓柱殼圓弧內(nèi)壁測點的振動響應信號，并通過數(shù)據(jù)采集分析儀將其實時傳給上位機； 步驟10:上位機獲得所述圓柱殼一段圓弧內(nèi)壁測點的振動響應信號的相位，并計算各相鄰測點的相位差，根據(jù)各個相位差判定圓柱殼是否處于相位共振狀態(tài)，若各個相位差接近0°或180°，則圓柱殼是處于相位共振狀態(tài)，執(zhí)行步驟18，否，則圓柱殼不處于相位共振狀態(tài)，執(zhí)行步驟11 ; 步驟11:電動機驅動測試反光鏡旋轉一周，完成一周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內(nèi)壁一周測點的振動響應信號并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機； 步驟12:沿圓柱殼內(nèi)腔中心軸線向上下移動測試反光鏡，完成多周的激光掃描；激光測振儀獲得圓柱殼內(nèi)壁多周測點的振動響應信號并通過數(shù)據(jù)采集分析儀實時傳給上位機； 步驟13:根據(jù)圓柱殼內(nèi)壁測點的振動響應數(shù)據(jù)，上位機繪制出圓柱殼各階模態(tài)振型；步驟13-1上位機對圓柱殼內(nèi)壁一周測點的振動響應數(shù)據(jù)及圓柱殼內(nèi)壁多周測點的振動響應數(shù)據(jù)進行時域響應信號降噪處理和加窗處理； 步驟13-2:上位機對時域響應信號降噪處理后的數(shù)據(jù)進行振動響應信號的縮減提取處理； 步驟13-3:根據(jù)圓柱殼的尺寸參數(shù)和縮減提取處理后獲得的測點數(shù)量，上位機繪制出圓柱殼縮減提取后的測點的線框模型； 步驟13-4:上位機將某階共振激勵下縮減處理后的振動響應數(shù)據(jù)加載到各自對應的線框模型測點坐標值上，并繪制出各階的模態(tài)振型。
【文檔編號】G01H9/00GK103528667SQ201310509119
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】韓清凱, 孫偉, 李暉, 羅忠, 翟敬宇 申請人:東北大學