王吉刚，朱宜生，钱文，孙成
（1.中国船舶重工集团第七二三研究所，扬州 225001；
2.中国船舶工业电工设备环境与可靠性试验检测中心，扬州 225001）
随机振动筛选的频率范围在20 Hz～2 kHz之间，其中80～350 Hz为优势频率段。振动工装起到了传递的作用，将振动应力不失真的传递给产品，这就要求振动工装的共振频率尽可能往高频偏移，至少要避开优势频率段。要检查振动工装的振型频率，需将工装刚性固定在振动台面上，而振动台面一阶共振频率通常都在1 kHz左右，如果通过振动台输出激励信号来查找共振频率，在大于1 kHz的频段内振动信号必将失真，从而影响了测试的准确性。
模态试验方法是将激振力直接传递给振动工装，不会受到固定工装台面质量的影响，不会影响工装的动态特性，是一种较好的测量工装高频特性的试验方法。
振动工装外径（x向、y向）750 mm，内径（x向、y向）350 mm，厚度（z向）25 mm，对于板状工装来说，板的厚度方向相对于径向平面尺寸相差较大，因此我们可以将板状工装简化成一个平面结构，仅x、y平面方向布置测点，进行模态试验。在软件的模态界面中，建立XY方向的平面模型，平面外径750 mm、内径350 mm，将Z向作为激励和响应振动方向。测点数根据得到的模态的阶数而定，测点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。此处考虑要获得转接板的前4阶模态，将模型分成16段，如图1所示。
图1 振动工装模型
2.1 激励系统的选择
当前应用最为广泛的激励装置分为激振器激励装置和冲击锤激励装置。
电磁式激振器激励方式有线性扫频正弦激励、随机激励，适用于笨重、大型及阻尼大的试件。力锤激励适用于结构较小、阻尼不大的试件，锤头帽的材质有钢质、铝制、尼龙、橡胶几种，锤头帽越硬，冲击时间越短，力信号频带越宽，应根据分析频带来选择适当的锤头帽，此外在锤击激励的情况下，对力信号和响应信号最好能加力窗或指数衰减窗，能够有效提高信噪比。
由于振动工装结构较为简单且体积较小，因此采用冲击锤激励装置能够满足试验的要求。图2为试验系统简图。
图2 测试系统简图
2.2 传感器的选择与安装
进行模态试验，力传感器和加速度传感器通常是必不可少的。当冲击锤敲击振动工装时，力传感器测量系统的输入力信号，加速度传感器测量系统的输出加速度信号。
力传感器安装在冲击锤锤头的一端，另一端安装配重块，用以调节锤体的重量。
加速度传感器分为电荷型和电压型。电荷型传感器的主要优点是动态范围大，对温湿度变化的影响较小；
电压型传感器需要一个恒流源为其内部电路供电，其内部有集成电路，所以对温湿度变化的影响比较大。表1分别列出了两种加速度传感器的主要特性，一般第一阶共振频率较高的压电加速度计体积较小，质量较轻，灵敏度也较低。
表1 电荷型与电压型加速度传感器特性
加速度传感器的安装方法有胶水连接、螺栓连接、磁铁连接、双面胶粘贴、蜂蜡粘接等。螺接方法效果最好（共振频率大约30 kHz），但是要求在结构上需要的地方打孔。磁铁安装很容易在结构平面上移动，允许的最大频率比前面两种方法低4倍左右。胶水与薄层蜂蜡粘结安装共振频率30 kHz左右，要求平整光滑的安装面。选用胶水连接的安装方法比较简便。
2.3 激振点与测点的确定
由于振动工装为底面螺钉固定，呈圆形对称结构，因此将工装进行16等分，共确定32个测点，并在工装表面按图1的设计要求，分别标上测点号。
本次模态试验采取单点拾振法，在工装第15测点处安装电荷加速度传感器作为拾振点；
第1测点到第32测点（不含第15测点）为激励点，使用冲击锤从第1测点到第32测点依次进行敲击，用以获得31个测点的频响曲线。激励点在选择时应考虑能激起各阶模态为原则，避免选在结构节点处，应选在远离结构低阶模态反节点处。
2.4 测试系统的连接
测试系统由冲击锤、力传感器、加速度传感器、信号调理器、振动数据采集仪、振动工装组成，系统组成详见图2。冲击锤锤头的力传感器的信号线缆连接到振动数据采集仪的通道1，加速度传感器粘贴在工装的第15测点处，传感器线缆连接到振动数据采集仪的通道2。
此外，力传感器、加速度传感器与信号调理器间传感器线的连接同样重要，尽量避免线缆与试件之间相对运动，避免线缆打结、严重拧转等现象，线缆用胶布固定于试件上或其它接触面，避免脚踩或重压。
模态试验时，振动工装的约束固定方式有自由状态、刚性支撑状态、实际使用状态三种。自由状态是用柔性吊绳或空气弹簧将工装支撑起来，能有效避免支撑刚度和环境的振动对测试结果的影响；
刚性支撑状态是将工装刚性的固定在质量大、刚度高的基础上，分析低阶模态精度较高，高阶模态会因连接刚度变化和基础影响而精度较低，重复性不好；
实际使用状态约束最接近于工装在实际使用时的模态，但由于支撑刚度、边界条件的随机因素，测试的重复性不好，需要多次测量取平均值。
此次模态试验的目的是测量振动工装固定在振动台面上的模态振型，采用实际使用状态的约束固定方式是最合适的，如图3所示，但要注意支撑刚度和约束的边界条件与使用时保持一致。
图3 振动工装固定方式
4.1 采集系统
振动数据采集系统主要配置为一台工作站连接一部多通道数据采集前端，数采前端能够从4通道扩充到64通道，每个输入通道都含有模拟信号适调模块、可编程放大器、模-数转换器、可编程滤波器，另外，数采前端还具有一个或多个输出模块，以便随机、猝发随机、正弦等信号驱动一个或多个激振器。
振动数据采集系统在使用前应经过计量检定且合格。完整而可靠的校准应当包括力和加速度传感器、滤波器、放大器、信号适调器、数采前端等在内的整个测量系统，校准应在需要测试的频率范围内完成。特别注意的是力和加速度传感器经常遇到从高处坠落、力传递元件过载等状况时，特性可能会改变，最好在每次试验前重新校准。
4.2 采集要求
模拟信号采样前应加模拟式抗混淆滤波器，滤波器的截止频率应大于最高分析频率且应尽量接近分析频率，频带外的衰减率应大于48 dB/Oct。采样率fs应根据所处理信号的类型、最高分析频率fmax，硬件条件等来选择，通常为：随机数据：fs=（2.5~4）fmax，瞬态数据：fs=（5~10）fmax，正弦信号：fs=（5~100）fmax，采样点数应保证每帧信号为整周期。
为了控制分析频率，减小数据处理误差和提高分析结果的精度，每次模态分析试验之前都要预处理：
1）正弦信号预处理
利用三角函数的正交特性，采用实、虚部分离计算法，即数字相关滤波法，计算出信号的实、虚部，直接计算输入输出的比值得到的频响函数，加窗处理一般采用汉宁窗；
2）随机信号的预处理
随机信号首先进行加窗处理，一般选用汉宁窗，再进行FFT自谱、互谱分析，经若干次平均，最后计算出频响函数；
3）瞬态信号预处理
瞬态信号应加力窗，响应信号加指数窗进行处理，再进行FFT自谱、互谱分析，经若干次平均，最后计算出频响函数。
4.3 软件参数设置
打开仪器电源，打开DHDAS软件，连接成功后，进入工程管理界面，新建一个工程文件，进入测量界面，在测量、参数设置界面中，设置采样频率为10 kHz，力传感器通道的量程范围设置为5 000 N，加速度传感器的量程范围设置为100 g，此处需多次预测试，根据实际测量情况，最终选择合适的力与加速度信号量程。力、加速度传感器本身为电荷输出型，在单独使用时，需要先接入电荷调理器后才能再接入数据采集仪，因此力、加速度传感器接入通道的输入方式为AC耦合，接着输入传感器的灵敏度及工程单位。
进入储存规则界面，将存储方式选择为连续存储。然后进入信号处理界面，选择频响分析，点击新建按钮，进行频响分析的参数设置。
存储方式为触发，由于频响分析是软件的一个功能模块，该处选择触发，表示为从连续采集的原始数据中，获取满足触发条件的数据。触发方式默认为信号触发，通道选择为AI1-01,即为力传感器所接入的通道。触发量级选择10 %，表示当系统测得力锤敲击的力信号大于所设置量程的10 %时，频响分析达到触发条件，从而获取数据。延迟点数选择负延迟200点，分析点数选择8192，该参数的大小会影响频响曲线中的频率分辨率，可根据实际测试情况调整。
平均方式为线性平均，平均次数为5次，即表示取5次频响数据进行平均处理得到的该测点最终的频响曲线，若测试时间允许，可以再多进行几次取平均，以获得更好的频响曲线。
频响类型设置为H1；
数据过滤规则选择：手动确认/滤除。输入通道添加为AI1-01，测点号为1，方向为Z+；
输出通道添加为AI1-02，测点号为15，方向为Z+。
设置完毕进入测量界面,点击频响布局图标，新建2个实时记录仪图谱和4个2D图谱窗口，如图4所示，将6个图谱的显示信号，分别选择AI1-01力信号、AI1-02加速度信号、AI1-01_trig力信号、AI1-02_trig加速度信号、频响曲线、相干曲线进行显示。可以通过在图形区设计界面中选择数字表图标，用数字表来显示平均次数的值。
图4 频响图谱信号的选择
5.1 频响函数与相干函数
频响函数是输出信号与输入信号的比值，当用最小二乘近似方法估计频响函数时，频响函数用相关系数表示，即为相干函数。
相干函数在0～1之间变化。若相干函数等于1，表示输入和输出信号之间经过平均后存在着良好的线性关系；
若相干函数小于1，则有可能是在输入信号和输出信号测量中存在着噪声、测量分析过程有泄露、系统因延迟为得到补偿现象等。
频响函数的估计方法有H1、H2、Hv等三种。H2估计法能够将外来噪声对输出的影响减到最小，H1估计法能够将外来噪声对输入的影响减到最小，而Hv估计法给出的是整个频带内最好的估计，但要求的计算量比较大。在共振频率附近，H2近似等于最佳Hv，在反共振频率附近，H1近似等于最佳Hv。如果在共振频率处存在泄漏问题，那么H2或Hv给出的估计都比H1好。
5.2 预采样
在软件示波状态下，用冲击力锤敲击不同测点，观察有无输入输出波形，如果没有波形或者波形不正常，必须检查仪器设备是否连接正确、传感器线缆是否接通、传感器、仪器的工作是否正常等，直至波形恢复正常为止。使用适当的力敲击不同测点，根据信号的大小调节量程范围，确保输入力波形和输出响应波形既不过载也不过小。该操作主要为观察时间信号是否正常，若软件出现保持提示，请不要保存数据。
5.3 正式采样
点击采集按钮，新建测试文件，将文件命名为1，表示从第一个测点开始采集数据。
用力锤敲击工装第1个测点，DHDAS就能显示出加速度与力信号波形，以及频响函数、相干函数曲线，软件跳出是否保存数据窗口，说明一次信号触发完成。若果敲击后无提示窗口，有可能锤击力度不够。点击保存后，系统进入第二次等待触发的状态，继续进行第1测点的敲击并获得第二次触发的频响曲线，如此重复，直至系统完成5次信号触发采集后即完成第一测点的频响曲线的采集。点击停止按钮，完成第一个测点的采集。
力锤敲击板时应干净利落，不要造成对工装的多次连击，否则会导致频响曲线变差。如果需要手动确认、滤除，每次敲击后，软件会提示是否保存此次的采集数据。对于每次采集的试验数据，要根据锤击信号无连击，振动信号无过载的原则对激励信号和响应信号的质量进行判断。
完成第1个测点的采集后，点击信号处理按钮，将力锤通道的测点号该为2。对系统进行平衡清零操作，点击采集按钮，新建测试文件，文件名为2，系统进入等待触发状态，将力锤移动至转接板的第2号测点进行敲击，重复以上步骤，并获取第2测点的频响曲线。
依次完成第3测点至第32测点的频响曲线采集，方法同上描述。
6.1 几何建模和测点匹配
完成所有测点的频响曲线采集后，进入DHDAS软件模态界面，点击圆形图标，自动创建圆形模型，输入模型的外径参数750 mm，内径参数350 mm，圆周角度360 °，圆周分段数16；
点击确定，完成模型创建，并点击节点图标，显示模型的结点。选中模型，点击点标签，根据模型结点与实际测试时的测点情况，进行结点与测点的匹配，结果如图1所示。
6.2 导入频响曲线数据
进入数据界面，先确认试验方法，在界面上方勾选测力法、单点拾振选项，点击添加按钮，所测试的数据将在右侧显示，如图5所示。
图5 数据导入界面
6.3 参数识别
进入参数识别界面，确认识别方法为PolyLSCF，在选择频段中，用两根竖向光标将所需分析的频率段包含在内，左边的竖向光标需移动到最左边0的位置，鼠标上下移动横向光标，确定节点数（大于4），识别频响曲线中峰值，出现黄点标记，如图6所示。
图6 参数识别
点击稳态图计算按钮计算稳态图并进入稳态图界面。界面中可查看已计算的稳态图，稳态图中的s、v分别表示：s表示三组模态参数全部稳定，v代表频率和模态参与因子稳定，移动鼠标至s比较多的频率点上，下方可查看对应鼠标位置的极点信息，单击鼠标左键，选择对应节点，并显示在左侧极点列表中，如图7所示。
图7 稳态图与极点选择
极点选择完成后，点击振型计算按钮，弹出归一化设置方法。采用默认的振型值最大点归一方法，点击确定按钮完成计算，并将结果显示在左下方模态参数列表中，点击保存按钮，保存模态结果。
6.4 振型计算
模态参数计算完毕后，点击振型标签，软件显示出对应模态参数文件下各阶模态振型，移动鼠标至列表中各频率点上，单击鼠标左键，将直接显示对应振型，如图8（a~d）各图所示。
图8 前四阶振型
6.5 模态试验结果（见表2）
表2 试验模态前4阶振型及参数
本文在介绍了模态试验分析的过程与要点的基础上，通过工作中的一次实际试验分析案例，完整的实现了对振动工装的模态分析，具有一定的参考意义。
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