一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置及方法
【专利摘要】一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置及方法，该装置包括稳态激励装置、激光测振仪、测试反光镜、电动机、稳压电源、数据采集分析仪和上位机；稳态激励装置用于激励圆柱壳使其发生稳态振动；测试反光镜反射激光光束到圆柱壳内壁上；电动机用于驱动测试反光镜进行360度旋转，稳压电源为电动机供电；数据采集分析仪实时采集和记录圆柱壳的振动响应信号并传送振动响应信号给上位机；上位机对圆柱壳的振动响应信号进行分析及计算，最终绘制出圆柱壳的模态振型。测试反光镜旋转一周后沿圆柱壳内腔中心轴线上下移动测试反光镜，可获得圆柱壳大量测点的振动响应数据，这些数据可用于辨识圆柱壳的模态振型以及分析圆柱壳在发生共振时的振动响应特点。
【专利说明】一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于振动测试【技术领域】，具体涉及一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置及方法。
【背景技术】
[0002]圆柱壳是典型的工程结构件，广泛应用于航空、航天以及其他通用机械装备，例如航空发动机的机匣、航天器的各种舱体、造粒机里的转鼓。获得圆柱壳的模态振型对于该类结构件的动力学设计以及振动抑制都有重要的意义。
[0003]长期以来，对圆柱壳模态振型的测试主要采用通用的实验模态分析理论提供的方法，即通过测试各响应点的频响函数来辨识模态振型，其中采用力锤或电磁激振器激励测试是最常用的方法。传统的基于各响应点的频响函数来获得模态振型时，需要不断的移动激励点或响应拾取点的位置，导致测试效率低下。以测试包含200个测点的圆柱壳为例，如要完成模态振型测试，大约需要4?6个小时。另外，由于圆柱壳通常固有频率间隔密集、模态之间耦合严重，因而这种传统的测试模态振型的方法，测试精度不高。
[0004]激光测振是一种新兴的振动测试技术，可以通过全场扫描式激光测振仪快速、准确地获得近似平面结构的模态振型。但是对于圆柱壳结构，这种全场扫描式激光测振无法满足测试要求。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的不足，本发明提供一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置及方法。
[0006]本发明的技术方案:
[0007]—种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置，包括:稳态激励装置、激光测振仪、测试反光镜、电动机、稳压电源、数据采集分析仪和上位机；
[0008]所述稳态激励装置用于激励圆柱壳使其发生稳态振动；
[0009]所述激光测振仪用于发出激光光束并投射到测试反光镜上，且通过测试反光镜返回的激光光束获得圆柱壳的振动响应；
[0010]所述测试反光镜用于反射激光光束到圆柱壳内壁上；
[0011]所述电动机用于驱动测试反光镜进行360度旋转，实现激光束在圆柱壳内壁的圆周扫描。
[0012]所述稳压电源用于为电动机供电；
[0013]所述数据采集分析仪用于实时采集和记录圆柱壳的振动响应信号并传送振动响应信号给上位机；
[0014]所述上位机用于对圆柱壳的振动响应信号进行分析及计算，最终绘制出圆柱壳的模态振型:
[0015]所述测试反光镜的中心与圆柱壳内腔中心在同一轴线上；测试反光镜连接电动机的输出端；电动机的输入端连接稳压电源；
[0016]所述激光测振仪连接数据采集分析仪，数据采集分析仪连接上位机。
[0017]采用所述的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置测试圆柱壳模态振型的方法，包括如下步骤:
[0018]步骤1:在上位机上对圆柱壳进行有限元分析后获得该圆柱壳的各阶固有频率，并根据该圆柱壳的各阶固有频率确定扫频激励的扫频频率范围；
[0019]步骤2:启动激光测振仪，激光光束通过测试反光镜投射到圆柱壳内壁任一点上；同时启动稳态激励装置对圆柱壳进行粗扫，得到圆柱壳的各阶固有频率粗扫值和圆柱壳的各阶模态阻尼比；
[0020]步骤2-1:设定粗扫扫频速度，并在扫频频率范围内激励圆柱壳稳态振动；
[0021]步骤2-2:激光测振仪实时采集圆柱壳的振动响应信号并发送给数据采集分析仪；
[0022]步骤2-3:数据采集分析仪实时采集并记录圆柱壳各测点的振动响应信号并传送给上位机；
[0023]步骤2-4:根据圆柱壳各测点的振动响应信号，上位机获得圆柱壳的各阶固有频率粗扫值和圆柱壳的各阶模态阻尼比；
[0024]步骤3:根据圆柱壳的各阶固有频率粗扫值，上位机划分新的扫频频率范围，对圆柱壳进行精扫；
[0025]步骤3-1:在稳态激励装置中设定精扫扫频速度，且该精扫扫频速度小于最大扫频速度，并在所述的各个新的扫频频率范围内激励圆柱壳稳态振动；
[0026]精扫扫频速度S为:
[0027]S<Sm=C2fn2(I)
[0028]式中，S为精扫扫频速度，Hz/s ；Sm为最大扫频速度，Hz/s ； ξ为对应阶次的模态阻尼比；fn为圆柱壳的第η阶固有频率粗扫值，Hz ；η为圆柱壳的固有频率的阶次；
[0029]步骤3-2:激光测振仪实时采集新的圆柱壳振动响应信号并发送给数据采集分析仪；
[0030]步骤3-3:数据采集分析仪实时采集并记录圆柱壳各测点新的振动响应信号并传送给上位机；
[0031]步骤3-4:根据圆柱壳各测点新的振动响应信号，上位机识别出圆柱壳的各阶固有频率精扫值；
[0032]步骤4:在稳态激励装置中设定激励幅度，稳态激励装置分别以圆柱壳的各阶固有频率精扫值以及各阶固有频率精扫值对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳内壁同一位置；
[0033]步骤5:激光测振仪分别获得以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳的振动响应信号和以各阶固有频率精扫值分别对应的非共振区的任一频率值分别激励圆柱壳的振动响应信号，并通过数据采集分析仪实时传给上位机；
[0034]步骤6:经过频谱分析，上位机分别得到以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值和以各阶固有频率分别所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值；[0035]步骤1:上位机对以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值和以各阶固有频率分别所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值作比较，并根据圆柱壳共振状态幅值判别标准判断圆柱壳是否处于共振状态，是，则执行步骤8，否，则执行步骤4;
[0036]共振状态幅值判别标准:
[0038]式中，
[0039]Clres为以圆柱壳的某阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值；d_为以圆柱壳的某阶固有频率所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值；b为判别系数；
[0040]步骤8:分别以圆柱壳处于共振状态时对应的激励幅度及对应圆柱壳的各阶固有频率，稳态激励装置激励圆柱壳振动；
[0041]步骤9:从圆柱壳内壁任一起始位置开始，电机驱动测试反光镜旋转任一角度，即激光光束完成该角度对应的圆柱壳一段圆弧内壁的扫描，从而激光测振仪获得该段圆柱壳圆弧内壁测点的振动响应信号，并通过数据采集分析仪将其实时传给上位机；
[0042]步骤10:上位机获得所述圆柱壳一段圆弧内壁测点的振动响应信号的相位，并计算各相邻测点的相位差，根据各个相位差判定圆柱壳是否处于相位共振状态，若各个相位差接近0°或180°，则圆柱壳是处于相位共振状态，执行步骤18，否，则圆柱壳不处于相位共振状态，执行步骤11;
[0043]步骤11:电动机驱动测试反光镜旋转一周，完成一周的激光扫描；激光测振仪获得圆柱壳内壁一周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪实时传给上位机；
`[0044]步骤12:沿圆柱壳内腔中心轴线向上下移动测试反光镜，完成多周的激光扫描；激光测振仪获得圆柱壳内壁多周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪实时传给上位机；
[0045]步骤13:根据圆柱壳内壁测点的振动响应数据，上位机绘制出圆柱壳各阶模态振型；
[0046]步骤13-1上位机对圆柱壳内壁一周测点的振动响应数据及圆柱壳内壁多周测点的振动响应数据进行时域响应信号降噪处理和加窗处理；
[0047]步骤13-2:上位机对时域响应信号降噪处理后的数据进行振动响应信号的缩减提取处理；
[0048]步骤13-3:根据圆柱壳的尺寸参数和缩减提取处理后获得的测点数量，上位机绘制出圆柱壳缩减提取后的测点的线框模型；
[0049]步骤13-4:上位机将某阶共振激励下缩减处理后的振动响应数据加载到各自对应的线框模型测点坐标值上，并绘制出各阶的模态振型。
[0050]有益效果:采用本发明的装置及方法，在测试反光镜旋转一周后，沿圆柱壳内腔中心轴线上下移动测试反光镜，可获得圆柱壳大量测点的振动响应数据。这些振动响应数据不仅可以用于准确辨识圆柱壳的模态振型，而且还可以用于评价和分析圆柱壳在发生共振时的振动响应特点。另外，采用本发明的装置及方法，可快速获得圆柱壳各阶次的模态振型，显著提高了圆柱壳模态振型的测试效率。【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1为本发明一种实施方式的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置的结构示意图；
[0052]图2为本发明一种实施方式的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置的连接示意图；
[0053]图3为本发明一种实施方式的基于激光扫描的获取圆柱壳模态振型的方法的流程图；
[0054]图4(a)~(f)分别为本发明一种实施方式的有限元分析获得的薄壁圆柱壳前6阶模态振型图；
[0055]图5为本发明一种实施方式的扫频测试中用于精确判定薄壁圆柱壳第一阶固有频率值的三维瀑布图；
[0056]图6(a)~(d)分别为本发明一种实施方式的用于判定薄壁圆柱壳是否处于共振状态的4个测点的相位图；
[0057]图7为本发明一种实施方式的第5阶共振频率激励下薄壁圆柱壳扫描一周获得的时域响应数据图；
[0058]图8为本发明一种实施方式的激光扫描测试获得的薄壁圆柱壳的第5阶模态振型图。
【具体实施方式】
[0059]下面结合附图对本发明的一种实施方式作详细说明。
[0060]本发明的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置，如图1所示，包括:稳态激励装置、测试反光镜、电动机、稳压电源、激光测振仪、数据采集分析仪和上位机；本实施方式以薄壁圆柱壳为实施对象，其尺寸参数如表1所示。
[0061]表1薄壁圆柱壳尺寸参数/_
[0062]
【权利要求】
1.一种基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置，其特征在于:包括:稳态激励装置、激光测振仪、测试反光镜、电动机、稳压电源、数据采集分析仪和上位机； 所述稳态激励装置用于激励圆柱壳使其发生稳态振动； 所述激光测振仪用于发出激光光束并投射到测试反光镜上，且通过测试反光镜返回的激光光束获得圆柱壳的振动响应； 所述测试反光镜用于反射激光光束到圆柱壳内壁上； 所述电动机用于驱动测试反光镜进行360度旋转，实现激光束在圆柱壳内壁的圆周扫描; 所述稳压电源用于为电动机供电； 所述数据采集分析仪用于实时采集和记录圆柱壳的振动响应信号并传送振动响应信号给上位机； 所述上位机用于对圆柱壳的振动响应信号进行分析及计算，最终绘制出圆柱壳的模态振型。
2.根据权利要求1所述的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置，其特征在于: 所述测试反光镜的中心与圆柱壳内腔中心在同一轴线上；测试反光镜连接电动机的输出端；电动机的输入端连接稳压电源； 所述激光测振仪连接数据采集分析仪，数据采集分析仪连接上位机。
3.采用权利要求1所述的基于激光扫描的圆柱壳模态振型测试装置测试圆柱壳模态振型的方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:在上位机上对圆柱壳进行有限元分析后获得该圆柱壳的各阶固有频率，并根据该圆柱壳的各阶固有频率确定扫频激励的扫频频率范围； 步骤2:启动激光测振仪，激光光束通过测试反光镜投射到圆柱壳内壁任一点上；同时启动稳态激励装置对圆柱壳进行粗扫，得到圆柱壳的各阶固有频率粗扫值和圆柱壳的各阶模态阻尼比； 步骤2-1:设定粗扫扫频速度，并在扫频频率范围内激励圆柱壳稳态振动； 步骤2-2:激光测振仪实时采集圆柱壳的振动响应信号并发送给数据采集分析仪；步骤2-3:数据采集分析仪实时采集并记录圆柱壳各测点的振动响应信号并传送给上位机； 步骤2-4:根据圆柱壳各测点的振动响应信号，上位机获得圆柱壳的各阶固有频率粗扫值和圆柱壳的各阶模态阻尼比； 步骤3:根据圆柱壳的各阶固有频率粗扫值，上位机划分新的扫频频率范围，对圆柱壳进行精扫； 步骤3-1:在稳态激励装置中设定精扫扫频速度，且该精扫扫频速度小于最大扫频速度，并在所述的各个新的扫频频率范围内激励圆柱壳稳态振动； 精扫扫频速度S为: S < Sm =C2J;⑴ 式中，s为精扫扫频速度，Hz/s ；Sm为最大扫频速度，Hz/s ； ξ为对应阶次的模态阻尼比；fn为圆柱壳的第η阶固有频率粗扫值，Hz ；η为圆柱壳的固有频率的阶次；步骤3-2:激光测振仪实时采集新的圆柱壳振动响应信号并发送给数据采集分析仪； 步骤3-3:数据采集分析仪实时采集并记录圆柱壳各测点新的振动响应信号并传送给上位机； 步骤3-4:根据圆柱壳各测点新的振动响应信号，上位机识别出圆柱壳的各阶固有频率精扫值； 步骤4:在稳态激励装置中设定激励幅度，稳态激励装置分别以圆柱壳的各阶固有频率精扫值以及各阶固有频率精扫值分别对应的非共振区的任一频率值分别激励圆柱壳内壁任一位置； 步骤5:激光测振仪分别获得以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳的振动响应信号和以各阶固有频率精扫值分别对应的非共振区的任一频率值分别激励圆柱壳的振动响应信号，并通过数据采集分析仪实时传给上位机； 步骤6:经过频谱分析，上位机分别得到以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值和以各阶固有频率分别所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值； 步骤7:上位机对以圆柱壳的各阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值和以各阶固有频率分别所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值作比较，并根据圆柱壳共振状态幅值判别标准判断圆柱壳是否处于共振状态，是，则执行步骤8，否，则执行步骤4 ； 共振状态幅值判别标准: dres/dnon ≥ b(2) 式中， dres为以圆柱壳的某阶固有频率激励圆柱壳对应的振动响应幅值；d_为以圆柱壳的某阶固有频率所对应的非共振区的任一频率值激励圆柱壳对应的振动响应幅值；b为判别系数； 步骤8:分别以圆柱壳处于共振状态时对应的激励幅度及对应圆柱壳的各阶固有频率，稳态激励装置激励圆柱壳振动； 步骤9:从圆柱壳内壁任一起始位置开始，电机驱动测试反光镜旋转任一角度，即激光光束完成该角度对应的圆柱壳一段圆弧内壁的扫描，从而激光测振仪获得该段圆柱壳圆弧内壁测点的振动响应信号，并通过数据采集分析仪将其实时传给上位机； 步骤10:上位机获得所述圆柱壳一段圆弧内壁测点的振动响应信号的相位，并计算各相邻测点的相位差，根据各个相位差判定圆柱壳是否处于相位共振状态，若各个相位差接近0°或180°，则圆柱壳是处于相位共振状态，执行步骤18，否，则圆柱壳不处于相位共振状态，执行步骤11 ; 步骤11:电动机驱动测试反光镜旋转一周，完成一周的激光扫描；激光测振仪获得圆柱壳内壁一周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪实时传给上位机； 步骤12:沿圆柱壳内腔中心轴线向上下移动测试反光镜，完成多周的激光扫描；激光测振仪获得圆柱壳内壁多周测点的振动响应信号并通过数据采集分析仪实时传给上位机； 步骤13:根据圆柱壳内壁测点的振动响应数据，上位机绘制出圆柱壳各阶模态振型；步骤13-1上位机对圆柱壳内壁一周测点的振动响应数据及圆柱壳内壁多周测点的振动响应数据进行时域响应信号降噪处理和加窗处理； 步骤13-2:上位机对时域响应信号降噪处理后的数据进行振动响应信号的缩减提取处理； 步骤13-3:根据圆柱壳的尺寸参数和缩减提取处理后获得的测点数量，上位机绘制出圆柱壳缩减提取后的测点的线框模型； 步骤13-4:上位机将某阶共振激励下缩减处理后的振动响应数据加载到各自对应的线框模型测点坐标值上，并绘制出各阶的模态振型。
【文档编号】G01H9/00GK103528667SQ201310509119
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】韩清凯, 孙伟, 李晖, 罗忠, 翟敬宇 申请人:东北大学