[发明专利]一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明适用于充气柔性薄膜结构模态特性的试验分析，具体来说是一种采用力锤激励法测量充气柔性薄膜结构模态振型、相应振动频率及模态阻尼的测试装置及测试方法，用以研究上述结构的振动特性，并可用于指导和验证上述结构的有限元数值仿真分析。

背景技术

近年来，飞艇凭借其在民用和军事领域中的广泛应用前景，成为了当前世界各国研究的焦点。其作为早期预警和超视距飞行平台，具有其他飞行器无法比拟的优势。海湾战争期间，美国通过装备在平流层飞艇上的传感设备首先发现伊拉克进攻科威特的军事行动。而在民用方面，飞艇平台还能应用于如灾害预警、气象观测和导航定位等诸多领域。飞艇作为一种典型的充气柔性薄膜结构，具备空中悬停能力强、能耗低、飞行时间久、有效载重量大、航程远等特点，比其他航空器更便于维护保养。为增加有效负载，飞艇的外蒙皮、充放气囊一般由轻质高强度柔性膜结构组成。充气柔性膜结构本身质量轻，刚度弱且对载荷敏感，因而其力学特性有三个显著特点：第一，膜结构的变形几乎都是非线性大变形；第二，充气膜结构与内外部流场之间有相互耦合作用；第三，柔性飞艇结构刚度低且阻尼小，所以其固有频率在较低范围内密集分布。

正是由于以飞艇为典型代表的充气柔性薄膜结构的固有频率偏低且结构阻尼很小，所以当受到外界激励激发振动时，其结构阻尼无法有效减少动态响应，容易造成结构的振动破坏。因此，对充气柔性结构的固有频率和模态振型的研究具有很强的现实意义。目前，国内外学者针对充气柔性结构的模态研究开展了一系列的理论研究工作，主要集中在两方面：(1)由找形分析获得充气柔性薄膜结构的充气平衡状态的结构构型和应力分布，再进行考虑预应力的模态分析；(2)由找力分析求解给定目标状态对应的应力分布，再计算充气柔性结构的模态振型和固有频率。然而，关于充气柔性薄膜结构模态分析的试验研究还很有限，很难验证数值仿真研究结果的可信性和准确性，还未见到公开发表的针对充气柔性薄膜结构进行模态试验测试的简单、有效和易于操作的测试装置和测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态实验测试装置和测试方法，为充气柔性薄膜结构的固有特性/振动特性分析和安全使用提供可靠的测试方法和测试数据。

本发明采用的技术方案为：一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试装置，包括结构模态试验系统、结构动力学试验系统、充气测压系统、试验用计算机。

所述结构模态试验系统、结构动力学试验系统、试验用计算机通过数据线连接，充气测压系统和试验对象(充气柔性薄膜结构)通过充气软管连接。

结构模态试验系统含4路控制通道，48路采样通道，其采样精度16位。包括信号采集分析仪、带SCSI接口的主机箱、ICP调制输入模块、A/D转换器和DSP数据处理器、信号源输出模块、加速度计校准器组成。结构模态试验系统对加速度传感器输出的加速度电信号、力传感器输出的力信号进行数据采集、信号存储、信号的数模变换和参数计算与分析。

结构动力学试验系统包括激励力锤和加速度传感器，激励力锤与结构模态试验分析系统通过数据线连接，加速度传感器贴于试验对象的薄膜结构中部表面，同样与结构模态试验系统通过数据线连接。通过使用激励力锤敲击试验对象结构的表面，给试验对象施加振动激励，同时将力传感器接收到的激励信号转化为电信号，通过电荷放大器传入信号采集分析仪。加速度传感器将接收到的加速度变化转化为电信号，通过电荷放大器传入结构模态试验分析系统中的信号采集分析仪。

充气测压系统包括气泵、微压计以及软管。其中气泵用于对实验对象进行充气加载，微压计用于测量实验对象内部的气压，气泵和实验对象以及微压计与实验对象均由软管相连接。

试验用计算机用于集成和调用结构模态试验分析系统以及结构动力学试验系统，处理和显示由加速度传感器和力传感器传输来的电信号，将采集到的加速度信号和力信号，根据多参考最小二乘复频域(LSCF)原理，生成频响函数矩阵，经过计算得到试验对象的各阶固有频率及其模态参数，并同时作为计算结果的输出显示终端。

进一步的，加速度的测量采用单向加速度传感器，其本身质量不超过4g。

进一步的，试验前应通过试敲，将信号进行时域和频域分析，以合理配置力锤的顶帽(击打部位的材料)及锤头质量。

进一步的，试验前对所有测点进行通道检查，每次测量单点的敲击次数不少于3次。

另外，本发明还提供一种基于锤击激励法的充气柔性薄膜结构的模态测试方法，步骤如下：

步骤一：安装试验对象；