一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导弹舵系统的模态分析方法，特别是一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法。
【背景技术】
[0002]目前舵系统模态分析主要采用理论分析方法和实验测试方法。理论分析方法一般是进行有限元建模、网格划分及数值求解，从而获得结构的固有频率和主振型。实验测试方法运用动态测试建立结构的物理参数模型，以实测数据为依据，得到系统的固有特性。理论分析方法建模速度快，计算简便，但由于传动链间隙、边界条件等不易模拟，导致结果有可能偏离实际。模态试验分析方法针对实物进行现场测试，因而求得的模态参数十分符合实物的实际情况，但常规试验分析方法有可能丢失系统的主要模态或者由于振型不明显导致结果判定误差。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于提供一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法，解决舵系统模态分析中主模态易丢失和误判的问题。
[0004]—种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法，其具体步骤为:
第一步搭建模态测试分析系统
模态测试分析系统包括:激振器支架、激振器、地轨、舵片、力传感器、舵舱、加速度计、便携式计算机、数据采集装置、舵机、功率放大器和风机。模态分析模块运行在便携式计算机上，模态分析模块用于对舵系统进行模态预分析及对数据采集装置采集的数据进行处理和验证。
[0005]激振器支架与舵舱分别固定在地轨上，舵片固定在舵机的输出轴上，力传感器与加速度计粘附在舵片上，激振器固定在激振器支架上，激振器的激振杆与力传感器固定，激振器的散热口与风机的进气管套接固定。
[0006]便携式计算机与数据采集装置双向连接，数据采集装置的输出端与功率放大器的输入端连接，功率放大器的输出端与激振器的输入端连接，力传感器的输出端和加速度计的输出端与数据采集装置的输入端连接。
[0007]第二步模态分析模块预判舵系统的模态参数
模态分析模块建立舵系统的有限元三维模型，进行网格划分，并依据导弹飞行状态下的空气动力学条件设定系统模型的边界条件，系统边界条件是将舵系统底部设置为固定约束，舵片具有旋转自由度，根据有限元模态分析结果，读取舵系统固有模态频率和振型，固有模态频率为试验频率范围的设置提供参考，固有频率包含在试验频率范围之内，模态振型检验传感器布置是否合理，传感器粘附时于避开舵片振型的节点。
[0008]第三步激振器激励舵系统
功率放大器依据便携式计算机的激振力参数，控制激振器的激振力和激振频率，舵系统受到外界激励后产生振动，风机给激振器散热。
[0009]第四步数据采集装置采集测试数据
舵系统发生颤振后，数据采集装置通过附着在舵系统表面的力传感器和加速度计，采集激振力大小和舵片振动加速度信号，数据采集装置将采集到的测试数据上传给模态分析模块。
[0010]第六步模态分析模块判读测试结果
数据采集装置采集测试数据并得到舵系统频响函数，由模态分析模块分析舵系统动态特性，找出一阶扭转模态，得到舵系统的固有振型和频率。
[0011]第七步模态分析模块验证模态纯度
模态分析模块确定便携式计算机输入信号与输出信号之间的相位差以及无量纲的指示函数InvMIF，当舵系统在某一阶固有频率的激励下发生相位共振时，舵系统频响函数的虚部达到最大值，实部为零，输入激振信号与输出响应信号之间的相位差为90°，此时，InvMIF函数值为I，InvMIF函数值越接近I，则在该阶固有频率下所测模态纯度越高。
[0012]本发明的模态分析方法可以准确识别舵系统主模态并区别弯扭模态，确定描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比和振型等模态参数，提高模态辨识可靠度和准确度。
【附图说明】
[0013]图1一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法所述的模态测试分析系统机械示意图；
图2—种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法所述的模态测试分析系统电路示意图。
[0014]1.激振器支架2.激振器3.地轨4.舵片5.力传感器6.舵舱7.加速度计
8.便携式计算机9.模态分析模块10.数据采集装置11.舵机12.功率放大器13.风机。
【具体实施方式】
[0015]一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法，其具体步骤为:
第一步搭建模态测试分析系统
模态测试分析系统包括:激振器支架1、激振器2、地轨3、舵片4、力传感器5、舵舱6、加速度计7、便携式计算机8、数据采集装置10、舵机11、功率放大器12和风机13。模态分析模块9运行在便携式计算机8上，模态分析模块9用于对舵系统进行模态预分析及对数据采集装置10采集的数据进行处理和验证。
[0016]激振器支架I与舵舱6分别固定在地轨3上，舵片4固定在舵机11的输出轴上，力传感器5与加速度计7粘附在舵片4上，激振器2固定在激振器支架I上，激振器2的激振杆与力传感器5固定，激振器2的散热口与风机13的进气管套接固定。
[0017]便携式计算机8与数据采集装置10双向连接，数据采集装置10的输出端与功率放大器12的输入端连接，功率放大器12的输出端与激振器2的输入端连接，力传感器5的输出端和加速度计7的输出端与数据采集装置10的输入端连接。
[0018]第二步模态分析模块9预判舵系统的模态参数
模态分析模块9建立舵系统的有限元三维模型，进行网格划分，并依据导弹飞行状态下的空气动力学条件设定系统模型的边界条件，系统边界条件是将舵系统底部设置为固定约束，舵片4具有旋转自由度，根据有限元模态分析结果，读取舵系统固有模态频率和振型，固有模态频率为试验频率范围的设置提供参考，固有频率包含在试验频率范围之内，模态振型检验传感器布置是否合理，传感器粘附时于避开舵片4振型的节点。
[0019]第三步激振器2激励舵系统
功率放大器12依据便携式计算机8的激振力参数，控制激振器2的激振力和激振频率，舵系统受到外界激励后产生振动，风机13给激振器2散热。
[0020]第四步数据采集装置10采集测试数据
舵系统发生颤振后，数据采集装置10通过附着在舵系统表面的力传感器5和加速度计7，采集激振力大小和舵片4振动加速度信号，数据采集装置10将采集到的测试数据上传给模态分析模块9。
[0021]第六步模态分析模块9判读测试结果
数据采集装置10采集测试数据并得到舵系统频响函数，由模态分析模块9分析舵系统动态特性，找出一阶扭转模态，得到舵系统的固有振型和频率。
[0022]第七步模态分析模块9验证模态纯度
模态分析模块9确定便携式计算机8输入信号与输出信号之间的相位差以及无量纲的指示函数InvMIF，当舵系统在某一阶固有频率的激励下发生相位共振时，舵系统频响函数的虚部达到最大值，实部为零，输入激振信号与输出响应信号之间的相位差为90°，此时，InvMIF函数值为I，InvMIF函数值越接近I，则在该阶固有频率下所测模态纯度越高。
【主权项】
1.一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法，其特征在于具体步骤为: 第一步搭建模态测试分析系统 模态测试分析系统包括:激振器支架(I)、激振器(2)、地轨(3)、舵片(4)、力传感器(5)、舵舱(6 )、加速度计(7 )、便携式计算机(8 )、数据采集装置(10)、舵机(11)、功率放大器(12 )和风机(13);模态分析模块(9)运行在便携式计算机(8)上，模态分析模块(9)用于对舵系统进行模态预分析及对数据采集装置(10)采集的数据进行处理和验证； 激振器支架(I)与舵舱(6)分别固定在地轨(3)上，舵片(4)固定在舵机(11)的输出轴上，力传感器(5)与加速度计(7)粘附在舵片(4)上，激振器(2)固定在激振器支架(I)上，激振器(2)的激振杆与力传感器(5)固定，激振器(2)的散热口与风机(13)的进气管套接固定；便携式计算机(8)与数据采集装置(10)双向连接，数据采集装置(10)的输出端与功率放大器(12)的输入端连接，功率放大器(12)的输出端与激振器(2)的输入端连接，力传感器(5 )的输出端和加速度计(7 )的输出端与数据采集装置(1 )的输入端连接； 第二步模态分析模块(9)预判舵系统的模态参数 模态分析模块(9)建立舵系统的有限元三维模型，进行网格划分，并依据导弹飞行状态下的空气动力学条件设定系统模型的边界条件，系统边界条件是将舵系统底部设置为固定约束，舵片(4)具有旋转自由度，根据有限元模态分析结果，读取舵系统固有模态频率和振型，固有模态频率为试验频率范围的设置提供参考，固有频率包含在试验频率范围之内，模态振型检验传感器布置是否合理，传感器粘附时于避开舵片(4)振型的节点； 第三步激振器(2)激励舵系统 功率放大器(12)依据便携式计算机(8)的激振力参数，控制激振器(2)的激振力和激振频率，舵系统受到外界激励后产生振动，风机(13)给激振器(2)散热； 第四步数据采集装置(10)采集测试数据 舵系统发生颤振后，数据采集装置(10)通过附着在舵系统表面的力传感器(5)和加速度计(7)，采集激振力大小和舵片(4)振动加速度信号，数据采集装置(10)将采集到的测试数据上传给模态分析模块(9); 第六步模态分析模块(9)判读测试结果 数据采集装置(10)采集测试数据并得到舵系统频响函数，由模态分析模块(9)分析舵系统动态特性，找出一阶扭转模态，得到舵系统的固有振型和频率； 第七步模态分析模块(9)验证模态纯度 模态分析模块(9)确定便携式计算机(8)输入信号与输出信号之间的相位差以及无量纲的指示函数InvMIF，当舵系统在某一阶固有频率的激励下发生相位共振时，舵系统频响函数的虚部达到最大值，实部为零，输入激振信号与输出响应信号之间的相位差为90°，此时，InvMIF函数值为I，InvMIF函数值越接近I，则在该阶固有频率下所测模态纯度越高。
【专利摘要】本发明公开了一种基于折叠舵面舵系统的模态分析方法，其具体步骤为：搭建包括：激振器支架（1）、激振器（2）、地轨（3）、舵片（4）、力传感器（5）、舵舱（6）、加速度计（7）、便携式计算机（8）、数据采集装置（10）、舵机（11）、功率放大器（12）和风机（13）的模态测试分析系统；模态分析模块（9）预判舵系统的模态参数；激振器（2）激励舵系统，数据采集装置（10）采集测试数据，模态分析模块（9）判读测试结果，模态分析模块（9）验证模态纯度。本发明的模态分析方法可以准确识别舵系统主模态并区别弯扭模态，确定描述结构系统动态特性的固有频率、阻尼比和振型等模态参数，提高模态辨识可靠度和准确度。
【IPC分类】G01M7/02
【公开号】CN105547618
【申请号】CN201510882194
【发明人】郭威, 董洪川, 唐旭东, 杨中巍
【申请人】北京机械设备研究所
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月3日