本发明涉及一种结构模态试验方法及系统，特别是一种小型复杂结构模态试验方法及系统。
背景技术：
结构是产品的骨架，许多诸如车载、航空、航天、船舶上面的产品应用于较大量级的振动环境条件下，需要产品结构具有一定的抗振特性，具有较高的结构刚度、强度，要求振动条件下形变小，保证设备不损坏并保持较高的基准精度，要求谐振频率高，不容易发生共振。结构模态试验是评估结构动态特性能否满足应用环境需求的重要手段之一，通过模态试验，可以获得结构模态频率、阻尼系数、振型等参数，使结构性能得到定性和定量考核，并对软件模态仿真结果进行有效验模，极大辅助了结构设计，在许多行业中得到非常广泛的应用。
目前，对于结构形式较为简单的结构件，诸如车厢、集装箱、飞船某段舱体等大型结构件和一些音响电器、导航仪、电子舱等小型设备的结构件，内部结构和外形比较规则，建模简单，所需传感器数量少，试验方案和过程容易实现，模态试验方法相对成熟。近年来，随着激光3d打印增材制造技术发展，许多依靠铸造难以实现的小型复杂结构变得容易加工成型，形式和数量得到飞跃式发展。这类结构件具有外形不规则，内部结构形式复杂的特点，并且可能存在多个装调基准面。要精确地用模态试验反映这类结构的动态特性，建模复杂，测量点多，需要传感器数量多，超出了一般模态试验系统能够提供的传感器和测试通道数量，并且数据拟合困难，一般模态试验方法不能满足试验测试需求。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种小型复杂结构模态试验方法及系统，解决现有方法对于小型复杂结构模态试验，试验系统传感器和测试通道不够用，试验数据拟合困难，难以得到精确的结构模态结果的问题。
一种小型复杂结构模态试验方法的具体步骤为：
第一步结构形态分析
对结构件进行结构形态分析。分析该结构件与外部的安装方式、安装基准面，用于确定其与试验台的固定面和固定方式；分析该结构件整体外部形态，外部形态类型包括：圆柱体、椎体、长方体和异形结构，并进一步确定各表面的弧度大小和平面度；分析该结构件的其它基准面的数量、角度和大小；分析该结构件受力面、受力量级、受力量级放大部位和内部敏感部位；确定该结构件模态试验时x、y、z方向外力施加点。
第二步建立试验模型
依据结构形态，首先初步确定测量点的总体布局、方向、间距和数量；其次针对其它基准面、受力面、受力量级放大部位、内部敏感部位增设测量点；然后统计测量点，形成测量点的柱坐标分布表，包括测量点编号和柱坐标(r、θ、z)；最后生成试验测量点三维模型图，模型图中测量点与柱坐标分布表一一对应，从而完成试验建模。
第三步在试验台上固定结构件
选用结构件中的一个安装面作为安装接口，采用直接螺钉安装或转接工装的方式将结构件固定在试验台上。
第四步安装测量传感器
根据试验测量点三维模型图，在结构件实物相应位置上安装测量传感器。当测量点数量超过测试平台能够提供的传感器和测试通道数量时，则采用间隔轮换式分配传感器，即从结构件顶部往下，先按照三维模型图中确定的测量点安装最上面一层传感器，然后往下隔一层，安装第三层传感器，以此类推，标记安装的传感器为ci,j，其中i＝1,2,3......，为传感器对应的层数；j＝1,2,3......，为传感器对应的列数。由于传感器具有一定的质量，对结构响应特性有影响，剩下的测量点不能为空，因此在剩下的每个测量点上安装与传感器质量相等的假负载。标记假负载为pi,j，其中i＝1,2,3......，为假负载对应的层数，j＝1,2,3......，为假负载对应的列数。
从而完成测量传感器的安装，形成传感器与假负载安装表，并与测量点的柱坐标分布表一一对应。
第五步完成模态试验，获取试验数据
在选定的x、y、z方向的外力施加点上，依次在三个方向上施加外力，并将力锤施加力的大小和每个传感器ci,j响应转化成电信号记录下来。
在当前的状态下，每个方向上施加一次力获得一组试验数据，共获得x、y、z方向第一轮三组有效数据。
然后，轮换传感器和假负载，将已测试的测量点换成假负载，将未测试的测量点换成传感器，重复进行测量传感器安装和模态试验，获得第二轮x、y、z方向三组数据；
当仍然有测量点没有覆盖到时，则继续将未测点的假负载换成传感器，已测点换成假负载，完成试验测试，获得第三轮x、y、z方向三组数据。依次类推，最终完成所有测量点测试。
第六步数据拟合，得到模态结果
将所有测量点x方向的传感器响应数据集中汇总进行拟合，得到x方向模态结果，包括模态频率、阻尼系数和振型；同理，依次将y方向、z方向数据进行拟合，分别得到y方向、z方向模态结果。获取该结构完整的结构模态参数。
优选的，其中第二步中试验测量点三维模型图通过i-deas专业软件生成。
优选的，其中第三步中选用x方向安装面为安装接口。
优选的，其中第五步中记录数据能够通过i-deas软件进行观察。
一种小型复杂结构模态试验系统，包括：结构形态分析模块、试验模型构建模块、结构件固定模块、测量传感器安装模块、模态试验模块和数据拟合模块。结构形态分析模块与试验模型构建模块连接，试验模型构建模块、结构件固定模块均与测量传感器安装模块连接，测量传感器安装模块、模态试验模块和数据拟合模块顺次连接。
结构形态分析模块对结构件进行结构形态分析；试验模型构建模块建立试验模型，确定试验测量点；结构件固定模块将结构件安装固定在试验台上；测量传感器安装模块在结构件实物上安装测量传感器；模态试验模块对结构件进行模态试验；数据拟合模块对模态试验数据进行数据拟合，得到模态结果。
本发明方法能够实现小型复杂结构形式的结构件的模态试验测试，解决了所需测量点多，试验系统提供的传感器和测量通道数量不满足需求的问题。该方法对模态试验系统传感器和测量通道数量要求低，适用与大多数模态试验系统，满足大多类结构形式的结构件试验测试要求。
具体实施方式
实施例1
一种小型复杂结构模态试验方法的具体步骤为：
第一步结构形态分析
对结构件进行结构形态分析。分析该结构件与外部的安装方式、安装基准面，用于确定其与试验台的固定面和固定方式；分析该结构件整体外部形态，外部形态类型包括：圆柱体、椎体、长方体和异形结构，并进一步确定各表面的弧度大小和平面度；分析该结构件的其它基准面的数量、角度和大小；分析该结构件受力面、受力量级、受力量级放大部位和内部敏感部位；确定该结构件模态试验时x、y、z方向外力施加点。
第二步建立试验模型
依据结构形态，首先初步确定测量点的总体布局、方向、间距和数量；其次针对其它基准面、受力面、受力量级放大部位、内部敏感部位增设测量点；然后统计测量点，形成测量点的柱坐标分布表，包括测量点编号和柱坐标(r、θ、z)；最后通过i-deas专业软件生成试验测量点三维模型图，模型图中测量点与柱坐标分布表一一对应，从而完成试验建模。
第三步在试验台上固定结构件
选用结构件中的x方向安装面作为安装接口，采用直接螺钉安装或转接工装的方式将结构件固定在试验台上。
第四步安装测量传感器
根据试验测量点三维模型图，在结构件实物相应位置上安装测量传感器。当测量点数量超过测试平台能够提供的传感器和测试通道数量时，则采用间隔轮换式分配传感器，即从结构件顶部往下，先按照三维模型图中确定的测量点安装最上面一层传感器，然后往下隔一层，安装第三层传感器，以此类推，标记安装的传感器为ci,j，其中i＝1,2,3......，为传感器对应的层数；j＝1,2,3......，为传感器对应的列数。由于传感器具有一定的质量，对结构响应特性有影响，剩下的测量点不能为空，因此在剩下的每个测量点上安装与传感器质量相等的假负载。标记假负载为pi,j，其中i＝1,2,3......，为假负载对应的层数，j＝1,2,3......，为假负载对应的列数。
从而完成测量传感器的安装，形成传感器与假负载安装表，并与测量点的柱坐标分布表一一对应。
第五步完成模态试验，获取试验数据
在选定的x、y、z方向的外力施加点上，依次在三个方向上施加外力，并将力锤施加力的大小和每个传感器ci,j响应转化成电信号记录下来，并通过i-deas软件进行显示观察。
在当前的状态下，每个方向上施加一次力可获得一组试验数据，共可获得x、y、z方向第一轮三组有效数据。
然后，轮换传感器和假负载，将已测试的测量点换成假负载，将未测试的测量点换成传感器，重复进行测量传感器安装和模态试验，获得第二轮x、y、z方向三组数据；
当仍然有测量点没有覆盖到时，则继续将未测点的假负载换成传感器，已测点换成假负载，完成试验测试，获得第三轮x、y、z方向三组数据。依次类推，最终完成所有测量点测试。
第六步数据拟合，得到模态结果
将所有测量点x方向的传感器响应数据集中汇总进行拟合，得到x方向模态结果，包括模态频率、阻尼系数和振型；同理，依次将y方向、z方向数据进行拟合，分别得到y方向、z方向模态结果。获取该结构完整的结构模态参数。
实施例2
一种小型复杂结构模态试验系统，包括：结构形态分析模块、试验模型构建模块、结构件固定模块、测量传感器安装模块、模态试验模块和数据拟合模块。结构形态分析模块与试验模型构建模块连接，试验模型构建模块、结构件固定模块均与测量传感器安装模块连接，测量传感器安装模块、模态试验模块和数据拟合模块顺次连接。
结构形态分析模块对结构件进行结构形态分析；试验模型构建模块建立试验模型，确定试验测量点；结构件固定模块将结构件安装固定在试验台上；测量传感器安装模块在结构件实物上安装测量传感器；模态试验模块对结构件进行模态试验；数据拟合模块对模态试验数据进行数据拟合，得到模态结果。