一种浮空器模态测试方法及系统与流程

本发明涉及浮空器模态测试技术领域，尤其涉及一种浮空器模态测试方法及系统。

背景技术：

浮空器是以气球和飞艇为平台的轻于空气的航空器，其中气球是一种无动力的飞行器，通常按其结构形式和有无系留装置分为高空气球和系留气球两类。而飞艇则是一种具有推进装置的浮空器，可以自主提供前进的动力，按结构类型可以分为软式飞艇、硬式飞艇和半硬式飞艇。浮空器的基本结构由鼻锥、囊体、尾翼、设备吊舱和系缆等组成。鼻锥是浮空器在地面系留时的重要承力组件；囊体主要用于充填轻于空气的气体为浮空器提供升力，也是浮空器最典型的结构部件；尾翼的作用主要是为浮空器提供稳定性和操控性；设备吊舱则主要是为工作人员或系统设备提供搭载空间；系缆是系留气球的特有部件，为系留气球的定点系留提供约束，还可为球载设备提供电能，也可为球载设备的数据传输提供通信线路。

浮空器的蒙皮采用柔性薄膜材料，囊体内部充满了压力高于外部空气的氦气以提供升力和产生预应力使其保持一定的外形和刚度以承受一定的外载荷，属于典型的充气薄膜结构。这种膜结构由于其质量轻、张力大的特点普遍存在大变形、低频率和高阻尼的振动特点，这对于结构的外形精度、疲劳强度、承载能力等产生严重的影响。当囊体携带具有跟踪定向功能的载荷时，由于其刚度小，在载荷周期性的驱动反馈激励下，可能诱发自激振动。位于囊体尾部的尾翼因尺度大，囊体体尾部刚度小，在其自身运动和气流的共同作用下，可能引起尾翼的摆振。对飞艇来说，螺旋桨额定转速下的频率与艇体的基频接近，易导致螺旋桨、螺旋桨安装基座和基座附近艇体区域发生共振。这种共振对结构具有很大的伤害，甚至可以直接导致囊体结构破坏。

因此，需要设计一种对浮空器进行模态测试的系统和方法，通过该系统和方法来对浮空器进行识别和评价，从而确定浮空器的振动特性，即浮空器的固有频率和振型，从而使浮空器在设计过程中避免共振，同时明确浮空器对于不同类型的动力载荷的响应情况。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种浮空器模态测试方法及系统，用于确定浮空器的固有频率和振型，能够使浮空器在设计过程中避免共振，同时明确浮空器对于不同动力载荷的响应情况。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种浮空器模态测试方法，至少包括如下步骤：

将浮空器吊起悬挂在封闭空间内；

分别选取所述浮空器的鼻锥位置和吊舱位置作为激励点；

将所述浮空器分为多个截面，在每个截面上布置若干传感器；

分别对鼻锥位置和吊舱位置的激励点进行激励；

对激励过程中产生的激励信号和振动信号进行采集。

进一步地，所述的浮空器模态测试方法还包括：将采集到的所述激励信号和所述振动信号进行信号转换，将转换后的信号数据通过模态分析软件进行处理。

具体地，所述浮空器通过两根绳索进行吊起，所述的两根绳索分别设置在所述浮空器的囊体前后两侧。

具体地，对鼻锥位置进行激励时，其激励方向分别包括沿浮空器的囊体轴向方向、沿浮空器的囊体水平方向以及沿浮空器的囊体竖直向上方向，在每个激励方向上进行三次激励；对吊舱位置进行激励时，其激励方向分别包括沿浮空器的囊体轴向方向、沿浮空器的囊体水平方向以及沿浮空器的囊体竖直向上方向，在每个激励方向上进行三次激励。

具体地，在浮空器的囊体上等分6个截面，在每个截面上环向均匀布置8个传感器；在浮空器的尾翼上等分3个截面，在每个截面上布置3个传感器。

特别地，对所述浮空器进行分批激励测试，所述分批激励测试的步骤包括：

S1、在浮空器的一个截面上布置传感器；

S2、分别对鼻锥位置和吊舱位置的激励点进行激励，采集激励过程中产生的激励信号和振动信号；

S3、将传感器移动至下一个截面上进行布置，重复步骤S2，直至完成所述截面的激励测试。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种浮空器模态测试系统，包括：激振器、传感器、采集仪和计算机，其中所述激振器、所述传感器分别与所述采集仪相连，所述采集仪与所述计算机相连；

所述激振器用于激励浮空器的囊体产生振动，并输出激励信号至所述采集仪；所述传感器用于拾取浮空器产生的振动信号，并输出振动信号至所述采集仪；所述采集仪用于采集所述激励信号和所述振动信号并进行信号转换，将转化后的信号输出至所述计算机；所述计算机用于对采集的信号数据进行模态分析处理。

进一步地，在所述激振器与所述采集仪之间连接有信号调理器，所述信号调理器用于避免所述激励信号受到干扰。

具体地，所述激振器采用脉冲锤，所述脉冲锤包括锤头、力传感器和锤柄，其中所述锤头为橡胶锤头。

具体地，所述传感器采用变电容压电式加速度传感器。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的浮空器模态测试方法及系统，通过两点激励测试，也即选取浮空器的鼻锥位置和吊舱位置作为激励点，可以解决由于浮空器囊体结构巨大带来的响应信号衰减导致无法拾取的问题；通过分段测试，也即将浮空器分为多个截面，在各个截面上分别布置传感器，从而能够获得比较准确、全面的测量数据。通过本发明提供的浮空器模态测试方法及系统，能够确定浮空器的固有频率和振型，使浮空器在设计过程中避免共振，同时明确浮空器对于不同动力载荷的响应情况。而模态测试也是进行谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期过程。

附图说明

图1是本发明实施例的浮空器模态测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的脉冲锤结构示意图；

图3是本发明实施例的浮空器截面布置示意图；

图4是本发明实施例的囊体截面传感器布置示意图；

图5是本发明实施例的尾翼传感器布置示意图。

图中：1：囊体；2：鼻锥位置；3：吊舱位置；4：激振器；5：传感器；6：信号调理器；7：采集仪；8：计算机；9：尾翼；10：绳索。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

模态测试和分析是研究结构振动的一条有效途径。在测试过程中，首先需要将待测结构在静止状态下进行人为激振，通过测量激振力与响应并进行分析，得出任意两点之间的传递函数，用模态分析理论通过对试验传递函数的曲线拟合，识别出待测结构的模态参数。

由于浮空器体积和尺寸较大且结构复杂，但相对密度和质量较小，单点激励显得激励能量不够，且在传递过程中损耗较大，因此在距离激励点较远的地方，响应信号较弱，信噪比较小。若加大激振力，则容易产生局部响应过大，造成非线性现象。另外单点激励时，若激励点正好位于某阶模态的节点位置，对该阶模态来说，系统将成为不可控和不可观的，因此将无法辨识该阶模态，就会发生漏失模态的现象。因此，本发明的浮空器模态测试采用两点激励测试，通过两点激励测试能够有效解决由于浮空器囊体结构巨大带来的响应信号衰减导致无法拾取的问题。

当前的模态测试和参数识别方法主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。而多输入多输出系统是建立在“总体”、“同时”辨识的基础之上，因此它能利用所测得的全部信息，减少了人为的干预和判断，辨识精度高，所得的模态参数一致性好。因此，本发明的浮空器模态测试采用多输入多输出方法。

如图1-5所示，本发明实施例选用的测试目标物为系留气球的囊体结构1，则本发明的浮空器模态测试方法，具体包括如下步骤：

将浮空器的囊体1吊起悬挂在封闭空间内，防止空气流动对囊体振动产生干扰。

分别选取所述浮空器的鼻锥位置2和吊舱位置3作为激励点。

将所述浮空器分为多个截面，在每个截面上布置若干传感器5。

分别对鼻锥位置和吊舱位置的激励点进行激励。

对激励过程中产生的激励信号和振动信号进行采集。

将采集到的所述激励信号和所述振动信号进行信号转换，将转换后的信号数据通过模态分析软件进行处理。

具体来说，在进行模态测试时，需要使浮空器囊体处于悬浮状态，而将浮空器囊体结构完全悬浮的工作方式意味着任意一点与地面不产生接触，这一约束条件较难实现，因此可以通过绳索悬挂的方式进行代替，在本发明实施例中，将所述浮空器通过两根绳索10进行吊起，所述的两根绳索分别设置在所述浮空器的囊体前后两侧。虽然这种方式无法完全模拟浮空器的实际工况，但绳索与囊体结构接触面节相对整体来说很小，影响区域也较小，可以近似进行模拟，从而获得较为准确的测量数据。

具体而言，由于锤击法具有快速、方便的特点，对被测试结构无附加质量和刚度约束，因此本发明实施例的激励方式选取锤击法分别对鼻锥位置和吊舱位置进行脉冲激励。在对鼻锥位置进行激励时，其激励方向分别包括沿囊体轴向方向、沿囊体水平方向以及沿囊体竖直向上方向，在每个方向上进行三次激励，每次激励需待上次激励的响应信号基本消失之后开展，防止出现连击。对吊舱位置进行激励时，其激励方向、次数均与鼻锥位置相同。

如图3-5所示，由于浮空器具有复杂的外形结构，因此对囊体1和尾翼9展开分别测试。又鉴于浮空器结构尺寸较大，因此将囊体1和尾翼9进行分段测试。也即，在囊体上等分6个截面，在每个截面上环向均匀布置8个传感器5。在尾翼9上等分3个截面，在每个截面上布置3个传感器5。其中所述传感器5与浮空器的蒙皮粘结牢固。当然，在浮空器上所划分的截面数量以及在每个截面上所布置的传感器数量，可以根据待测浮空器的具体结构以及实际测量需求而进行变化。

由于浮空器的体积较大，如果在每个截面上均布置好传感器后，再进行激励测试，则同时需要较多数量的传感器来进行布置，这种测试方式的试验成本较高。为了解决这一问题，在本发明的进一步实施例中，对所述浮空器进行分批激励测试，具体步骤包括：

S1、在浮空器的一个截面上布置传感器；

S2、分别对鼻锥位置和吊舱位置的激励点进行激励，采集激励过程中产生的激励信号和振动信号；

S3、将传感器移动至下一个截面上进行布置，重复步骤S2，直至完成所述截面的激励测试。

通过上述的分批激励测试方法，有效解决了同时需要多个传感器的难题，进而降低了试验成本。

如图1-2所示，本发明实施例还提供了一种浮空器模态测试系统，包括激振器4、传感器5、采集仪7和计算机8，其中所述激振器4、所述传感器5分别与所述采集仪7相连，所述采集仪7与所述计算机8相连。

所述激振器4用于激励浮空器的囊体1产生振动，并输出激励信号至所述采集仪7。所述传感器5用于拾取浮空器产生的振动信号，并输出振动信号至所述采集仪7。所述采集仪7用于采集所述激励信号和所述振动信号并进行信号转换，将转化后的信号输出至所述计算机8。所述计算机8用于对采集的信号数据进行模态分析处理。

进一步而言，在所述激振器4与所述采集仪7之间还连接有信号调理器6，通过所述信号调理器6能够免除旁路电容的干扰，避免信号受到线路长度的影响。

具体来说，所述激振器采用脉冲锤，通过脉冲锤对激励目标点进行脉冲激励。如图2所示，所述脉冲锤包括锤头、力传感器和锤柄，由于浮空器囊体结构的低频特性，所述锤头采用橡胶锤头。

具体来说，在模态试验的响应测量时，由于压电式加速度传感器具有重量轻、体积小、频响宽和灵敏度高的特点，则所述传感器采用变电容压电式加速度传感器。

使用时，先将所述传感器布置在囊体1的一个截面上，利用脉冲锤对鼻锥位置2的激励点进行激振，激振方向分别为：沿囊体轴向方向、囊体水平方向以及竖直向上方向，每个方向进行三次激励，每次激励需待上次激励的响应信号基本消失之后开展，防止出现连击。当鼻锥位置2激励完毕之后，将脉冲锤移至吊舱位置3进行激励，激励方向和次数与鼻锥位置相同。在吊舱位置3激励完毕之后，则完成单个截面的信号采集工作，然后移动传感器5至下一截面处布置，直至所有截面测试完毕。最后利用计算机8中的模态分析软件对所测得的数据进行处理，完成浮空器模态测试工作。

综上所述，本发明提供的浮空器模态测试方法及系统，能够确定浮空器的固有频率和振型，使浮空器在设计过程中避免共振，同时明确浮空器对于不同动力载荷的响应情况。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。