DASP模態(tài)分析軟件中的世界領(lǐng)先技術(shù)11

第頁1.引言是目前用戶最多的國產(chǎn)模態(tài)軟件?？蛻舭ㄖ锌圃?、中國航天科技集團、中國航天科工集團、中國鐵科院、總裝備部設(shè)計研究院、海軍潛艇部隊大連和葫蘆島基地、工程兵某設(shè)計院、空軍后勤學(xué)院、解放軍工程兵學(xué)院、清華大學(xué)、香港理工大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、同濟大學(xué)、上海交通大學(xué)等。眾多的科研權(quán)威機構(gòu)及企業(yè)成為的用戶，說明品質(zhì)可靠，具有非常好的口碑。參及完成了多項國內(nèi)重大試驗，如長三捆火箭、神州飛船發(fā)射架、長征系列火箭移動發(fā)射平臺、宇航員離心模擬訓(xùn)練機，酒泉西昌太原發(fā)射架、澳星模擬星、火箭發(fā)動機等的模態(tài)分析?；鸺铄X塘橋公鐵兩用橋模態(tài)實驗，力錘激勵烏海黃河橋模態(tài)分析，機車車頭，汽車車身，運機床整機及零部件，U235核分離器、海軍雷達車、核潛艇火炮發(fā)射架、核安全殼模型、、鉆井井架、拉希瓦大壩模型等的模態(tài)分析。此外完成了如中旅大廈，上海盧蒲大橋，楊浦大橋、杭州灣跨海大橋等大型土木結(jié)構(gòu)的環(huán)境激勵模態(tài)試驗。是目前同類國產(chǎn)軟件中實例最多的。2.錘擊激勵的變時基技術(shù)及彈性聚能力錘對大型低頻結(jié)構(gòu)，由于其質(zhì)量大、頻率低，一般難以使用錘擊等脈沖激勵試驗。但是錘擊法不僅操作簡便、效率高、時間短、成本低，而且相對于環(huán)境激勵方法，還可獲取完整的模態(tài)參數(shù)。因此研究，具有非常重要的意義，和非常實用的應(yīng)用價值。東方所通過變時基技術(shù)及高彈性聚能力錘解決了大型低頻結(jié)構(gòu)的錘擊試驗中的問題，彌補了大型結(jié)構(gòu)錘擊法模態(tài)試驗技術(shù)中的空白。2.1彈性聚能力錘傳統(tǒng)力錘難以對大型結(jié)構(gòu)進行激勵，原因在于激勵力的能量太小，并且頻譜具有寬帶的特性,使能量分散。彈性聚能力錘加入彈性聚能裝置，使得激勵力的作用時間大大加長，作用時間可加長1倍以上。不加彈性聚能裝置，激勵力作用時間一般在2-7，加入彈性聚能裝置，作用時間可達21甚至更高。本技術(shù)已經(jīng)取得編號為“201920163125.8”的國家專利。彈性聚能力錘專利證書圖3.2.7彈性聚能力錘原理圖通過如圖所示的彈性聚能力錘原理圖可以看出，新型力錘通過作用時間加長，第一可以使激勵力的總能量增加，第二可以使能量集中到低頻部分。例如，通過彈性聚能裝置，使激勵力的作用時間成為原來的3倍，總能量是原來的3倍左右，能量分布的帶寬只有原來的1/3，在低頻段激勵的能量是原來的9倍，提高了將近一個數(shù)量級（如圖3.2.8所示）。圖3.2.8普通力錘及彈性聚能力錘力波形及力譜圖圖8和圖9則是使用大號彈性聚能力錘在烏海黃河鐵路橋上進行激勵的脈沖力波形和頻譜，其脈沖峰值達到1606，而且持續(xù)時間達到21，其頻譜能量主要集中在40以下。圖10為1型彈性聚能力錘的實物照片，圖11為使用該彈性聚能力錘在實際橋梁上進行錘擊試驗的現(xiàn)場照片。彈性聚能力錘解決了大型結(jié)構(gòu)力錘激勵模態(tài)試驗中激勵源的問題，填補了行業(yè)空白，得到了各行各業(yè)用戶的認可及青睞，某些國外知名廠商也曾多次從我公司購買彈性聚能力錘。2.2變時基技術(shù)傳統(tǒng)的等時基傳遞函數(shù)做瞬態(tài)激勵傳函分析時，激勵及響應(yīng)之間，特征時間及特征頻率的差異太大，激勵是級的，響應(yīng)是幾百級到秒級，因而就存在頻率分辨力（采樣頻率越低，分辨力越高）和時域波形精度（采樣頻率越高，時域波形精度越高）這一對無法克服的矛盾。由于脈沖激勵信號作用時間較短，為確保頻率分辨力，采樣頻率不能太高，從而導(dǎo)致以下幾種情況：采到的激勵信號偏大，采到的激勵信號偏小或激勵信號沒有采上（圖3.2.4）。圖3.2.4采樣頻率不夠高時，無法準確測量脈沖信號變時基技術(shù)則是用較高的頻率對力脈沖進行采樣，用較低的頻率對響應(yīng)信號進行采樣，兩個采樣頻率的倍數(shù)就是變時倍數(shù)。以下為同樣條件下使用不同方法對一簡支梁的測試分析結(jié)果比較：圖3.2.5兩次等時基采樣及傳函分析圖3.2.6兩次變時基采樣及傳函分析我們可以通過下表來比較兩種方法的準確性：等時基兩次傳函主峰幅值比較變時基兩次傳函主峰幅值比較頻率11.7295.70181.6312.5458.911.8195.49181.1312.1458.7第一次3.562.782.551.596.2715.611.610.27.5125.1第二次17.011.411.09.3628.115.911.710.37.7725.3兩次比值4.784.104.315.894.481.021.011.011.031.01對比圖3.2.5、圖3.2.6及上表可見，由于采樣頻率低，等時基采樣得到的激勵信號波形一致性較差，計算出來的導(dǎo)納值重復(fù)性差，相位不準。需要12次以上平均才能獲得可接受的穩(wěn)定性和相干。而變時基方法每次激勵重復(fù)性很好，只需要3次平均即可獲得較好的相干。變時基技術(shù)改變了傳統(tǒng)的等時基采樣模態(tài)分析方法，獨創(chuàng)地解決了時間分辨率和頻率分辨率的矛盾，顯著提高測量結(jié)果的精度和穩(wěn)定性。相對于傳統(tǒng)方法，大大節(jié)省了試驗時的人力物力。目前，變時基技術(shù)結(jié)合彈性聚能力錘，已在神舟飛船750噸移動發(fā)射平臺模態(tài)試驗，長3捆大型運載火箭模態(tài)試驗，烏海黃河橋模態(tài)試驗，航天員超重訓(xùn)練機模態(tài)試驗，東方紅機車頭模態(tài)試驗等數(shù)十項國家重點項目中，取得了非常好的效果。（注：變時基技術(shù)及彈性聚能力錘為東方所專利技術(shù)，從未轉(zhuǎn)讓或授權(quán)給其他任何組織、單位或個人，未經(jīng)同意，凡涉及剽竊、引用該技術(shù)，北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所都保留追究其法律責任的權(quán)利。）3.精確、快速的頻響函數(shù)計算在模態(tài)試驗中，所有模態(tài)參數(shù)（模態(tài)頻率，模態(tài)阻尼，模態(tài)振型，模態(tài)質(zhì)量及模態(tài)剛度）是通過對頻響函數(shù)進行曲線擬合得到的，因此，計算出準確的頻響函數(shù)是模態(tài)分析中非常重要的一部分，東方所通過多年的實踐積累及深入的理論研究，掌握了多項行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)及算法，這些技術(shù)及算法已在國際模態(tài)會議及權(quán)威期刊上發(fā)表，獲得了行業(yè)專家的認可及好評。3.1錘擊激勵中的“一錘定音”技術(shù)不論是多次觸發(fā)還是連續(xù)隨機激勵，只要脈沖響應(yīng)函數(shù)已知，通過積分，就可計算出理論響應(yīng)曲線，理論響應(yīng)曲線和實測響應(yīng)曲線的誤差，反映了或的估計精度。將此估計精度細化到各條譜線上，即可得到物理意義明顯的新相干函數(shù)。新相干函數(shù)以及反映估計精度的吻合系數(shù)，都由東方所提出，并得到了國際同行的認可。對于多次觸發(fā)，模態(tài)軟件一次即可得到相干函數(shù)，做到了“一錘定音”，試驗效率是其它同類軟件的十倍以上。下圖為一次激勵及五次激勵新相干函數(shù)的對比（圖中綠色曲線），從圖中可以看出，通過一次平均（未平均）得到的新相干函數(shù)及及五次平均后的新相干函數(shù)基本相同，說明了新相干函數(shù)的準確性及可行性?！耙诲N定音”技術(shù)大大提高了試驗效率，并可識別多次激勵中各次激勵的優(yōu)劣，保證得到準確的頻響函數(shù)。例如國內(nèi)某知名電力大學(xué)使用東方所產(chǎn)品對汽輪機轉(zhuǎn)子軸及末級葉片進行模態(tài)測試，在經(jīng)過初步分析得到的振型結(jié)果中某一點的變形不協(xié)調(diào)，檢查該點頻響函數(shù)，發(fā)現(xiàn)由于操作人員失誤使該點頻響函數(shù)誤差較大，圖1所示為三次平均后得到的頻響函數(shù)及相干函數(shù)，圖中最下方為相干函數(shù)，其中綠色曲線為傳統(tǒng)相干函數(shù)，黑色曲線為新相干函數(shù)，可以看出傳統(tǒng)相干在主要峰值處對誤差并不敏感，而新相干函數(shù)說明了三次平均后得到的頻響函數(shù)存在較大誤差。使第二次第三次激勵的數(shù)據(jù)不參及計算，僅使用第一次激勵得到的數(shù)據(jù)進行頻響函數(shù)計算，得到頻響函數(shù)及相干函數(shù)如下圖所示，因為未進行平均，傳統(tǒng)相干在整個頻帶為1，無法判斷頻響函數(shù)的優(yōu)劣，而新相干函數(shù)在能量較大的位置接近于1，圖中右下角的精度指數(shù)（）為100%，說明通過第一次激勵的數(shù)據(jù)計算出的頻響函數(shù)較好。隨后使第一次第三次激勵的數(shù)據(jù)不參及計算，僅使用第二次激勵得到的數(shù)據(jù)進行頻響函數(shù)計算，得到頻響函數(shù)及相干函數(shù)如下圖所示，因為未進行平均，傳統(tǒng)相干在整個頻帶仍為1，無法判斷頻響函數(shù)的優(yōu)劣，而新相干函數(shù)在能量較大的位置較差，圖中右下角的精度指數(shù)（）僅為74.01%，說明通過第二次激勵的數(shù)據(jù)計算出的頻響函數(shù)誤差較大。對第三次激勵的數(shù)據(jù)進行頻響函數(shù)計算，所得到的新相干函數(shù)及精度指數(shù)仍較低，說明第三次激勵的數(shù)據(jù)計算出的頻響函數(shù)誤差也較大。最終使用第一次激勵計算出的頻響函數(shù)作為最終結(jié)果，并重新進行模態(tài)擬合，得到的振型有了較大改善。從上例可以看出，即使試驗人員的經(jīng)驗并不是很豐富，無法保證每次激勵的準確及穩(wěn)定，仍可以通過東方所的“一錘定音”技術(shù)得到準確的頻響函數(shù)。3.2穩(wěn)態(tài)激勵中的頻響函數(shù)精確算法下圖為穩(wěn)態(tài)激勵時頻響函數(shù)計算的示意圖，由積分可知，對激勵1及脈沖響應(yīng)函數(shù)H進行卷積計算可得到長度為1及H兩倍的響應(yīng)Y(1)m及Y(1)r，而對激勵及脈沖響應(yīng)函數(shù)H進行卷積計算可得到響應(yīng)及，傳統(tǒng)算法中，使用Y(1)r及和的傅里葉變換及的傅里葉變換計算脈沖響應(yīng)函數(shù)，這及系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系不符，會引入周期性假設(shè)造成的計算誤差，傳統(tǒng)方式通過使用大量的平均次數(shù)消除此種計算誤差，使試驗周期變長，降低試驗效率。采用迭代算法，考慮初始響應(yīng)的影響，可以快速的得到精確的頻響函數(shù)。下圖及表是迭代次數(shù)和計算時間及吻合的關(guān)系(或點數(shù):2048)，最后一列為最小二乘解卷積法直接計算。從圖表中可以看出，在20次迭代后東方所算法就可以得到97%以上的精度，而用時僅為2.22s，迭代200次后精度可以達到97.87%，及最小二乘法的精度相當，而時間僅為20.03s，比最小二乘法的計算時間提高了很多。圖3.2.1（b）為通過傳統(tǒng)算法得到的理論響應(yīng)及實測響應(yīng)的對比，圖3.2.1（a）為通過東方所算法得到的理論響應(yīng)及實測響應(yīng)的對比，其中藍色曲線為實測響應(yīng)，紅色虛線為理論計算得到的響應(yīng)。從兩圖的計算誤差可以看出，傳統(tǒng)算法的總誤差為33.74%，而東方所算法的誤差僅為0.09%，可見相比于傳統(tǒng)算法，通過得到的頻響函數(shù)更準確。（a）（b）圖3.2.1東方所算法及傳統(tǒng)算法比較3、多樣、準確的模態(tài)擬合方法在得到準確的頻響函數(shù)之后，需要對頻響函數(shù)進行模態(tài)擬合以得到模態(tài)頻率、阻尼及振型等模態(tài)參數(shù)。各種模態(tài)擬合方法各有優(yōu)缺點，在擬合過程中需要使用多種擬合方法互相校驗，以得到最準確可靠地模態(tài)參數(shù)。是同類產(chǎn)品中提供模態(tài)擬合方法最多的。經(jīng)典模態(tài)分析方法中當前較新的方法是（特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法）和（多參考點頻域最小二乘復(fù)指數(shù)法）。具有方法，和方法（功能完全等效于）。這兩種分析方法可用來分析復(fù)雜的模態(tài)和重根，分析精度高。除此之外還包含了由東方所及2019年在第14屆亞太振動會議上提出的方法（多參考點無限長脈沖響應(yīng)濾波參數(shù)識別方法），方法和方法具備完全相同的頻率特征方程。的矩陣的所有系數(shù)是直接得到，方法的矩陣的系數(shù)需要經(jīng)過復(fù)數(shù)運算、運算以及逆矩陣運算，因此方法的穩(wěn)定圖更清晰，圖3.2.2為方法及方法的穩(wěn)定圖比較，觀察圖中黑色方框中的極點，可以看出方法的穩(wěn)定圖更清晰。圖3.2.2方法及方法穩(wěn)定圖比較4、模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化及模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)4.1模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化對(單輸入多輸出)及(多輸入單輸出)優(yōu)化過程為，固定模態(tài)振型，優(yōu)化頻率和阻尼，得到新的頻率阻尼后，提取模態(tài)振型。再進行下一步的優(yōu)化。對優(yōu)化過程為，固定模態(tài)參及因子和模態(tài)振型，優(yōu)化頻率阻尼，得到新的頻率和阻尼后，根據(jù)模態(tài)頻率和阻尼，求模態(tài)參及因子，求出參及因子后，提取模態(tài)振型。再進行下一步的優(yōu)化將不同模態(tài)參數(shù)識別算法的結(jié)果作為初解，經(jīng)過優(yōu)化，可得到統(tǒng)一的理論頻響函數(shù)和實測頻響函數(shù)在最小二乘意義上最為吻合的模態(tài)分析結(jié)果。4.2模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)虛假模態(tài)即數(shù)學(xué)極點在優(yōu)化過程中是不穩(wěn)定的，其走勢有三種可能性，通過分析其走勢，可將其和物理極點區(qū)分出來，并消除掉。（1）向最接近的物理極點靠近，導(dǎo)致一個真正模態(tài)對應(yīng)了兩個極點，兩者振型也趨于一致。（2）阻尼越來越大。（3）極點對應(yīng)的模態(tài)振型所占能量越來越小。模態(tài)分析結(jié)果優(yōu)化以及通過優(yōu)化進行模態(tài)盲分析，一鍵求模態(tài)為東方所獨創(chuàng)提出，適用于，和。其它的模態(tài)盲分析算法是建立在穩(wěn)定圖統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，模態(tài)軟件也包括這些算法，屬于半自動分析。5、基于振動及聲的互易性原理的模態(tài)試驗測試方法對質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)，如電路板，小的金屬圓盤，薄的金屬圓柱等，做模態(tài)試驗時，安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器的附加質(zhì)量將會顯著影響模態(tài)的頻率，使得頻率降低。另外，對圓盤、圓柱等對稱結(jié)構(gòu)，存在嚴格意義上的重根，需要用方法進行試驗。傳統(tǒng)試驗方法需要