模态空间—激振器顶杆对模态试验的影响

2018-04-02 08:33:38· 来源：德国M十P国际公司北京代表处

我用激振器方法对一根简单的悬臂梁进行试验，可得到的模态看起来似乎有些不对？是哪里有问题？我们来考虑一下激振器顶杆的问题。

我用激振器方法对一根简单的悬臂梁进行试验，可得到的模态看起来似乎有些不对？是哪里有问题？
我们来考虑一下激振器顶杆的问题。

作者：Peter Avitabile
翻译：德国M+P国际公司北京代表处

对于试验模态分析，在设置激振器和“顶杆”或“推力杆”的连接装置的过程中，如果不注意，激振器试验会出现一些特别的问题。图1为用激振器对一个简单的悬臂梁做模态试验时的安装示意图，使用顶杆的目的是仅允许轴向力传递到结构上去，通过力传感器测量拉压型载荷的大小。

图1 经典激振器试验配置

顶杆的作用是传递轴向力的同时尽可能减小横向力被传递到系统上，从理论上讲，我们可以通过分离体图知道有多大的力通过激振点传递给结构，因而顶杆及激振器都不会影响被测结构的动态特性。假设顶杆完全没有横向刚度，对于系统的总体动态特性没有影响。这是极其重要的，因为力传感器仅仅测量所施加的轴向载荷，如果有任何其他的载荷（横向载荷或者弯矩载荷）产生，力传感器也并不能测量这些载荷。

下面来描述一下测量的过程，如图1所示，对一根弹性相当强的梁进行激振器测试。然而，由于顶杆相对较短，顶杆的转动刚度可能会影响梁的弹性模态。

让我们观察已进行的一些测量，图2为由短顶杆作用在结构上得到的频响函数，短顶杆引起的转动刚度的影响将更显著，特别是对于测试下的柔性梁。模态测试得到的前两个峰为梁的经典第1阶和第2阶弯曲模态。然而，接下来的两个峰却显示为两个本质上相同的经典第3阶弯曲模态，得到的频响函数仅仅是处于测试下的柔性梁，而不是顶杆。

接下来的测试（以及包括顶杆本身上的测量结果）表明这两个峰实际上是调谐的减振器效应引起的，顶杆与结构第3阶模态振型同相位，而与结构的第4阶模态振型反相位。力传感器仅仅测量激振器沿轴向传递给结构的载荷，而没有测量与梁转动刚度相关的转动效应，它由顶杆引入，但在安装位置，相对于梁而言，顶杆看起来像一根转动的弹簧。为了证实这种想法，在结构的第二次试验中用了一根更长的顶杆。长顶杆有效地减少了作用到被测结构上的转动刚度效应。

图3为使用长顶杆时的频响函数。显然，这次的频响函数更干净并且与期望的梁振型一致，简单进行模态分析就可以看到前三阶模态对应于常规的悬臂梁的模态振型。

图2 短顶杆得到的FRF

图3 长顶杆得到的FRF

显然，因配置的顶杆不同，结构前两阶模态所对应的频率有明显的移动，引起频率变化的原因有很多，可能是质量荷载的影响、顶杆的影响和不同的测试设置的影响等（这些测量结果是由别人提供的，所以我不清楚实际的试验设置——但是影响非常明显）。第3个峰是迥然不同的，由于调谐式减振器的原因，可以清晰地观察到主峰有分叉，测量得到的响应幅值也明显偏小（见调谐减振器理论）。

对于测试系统，如果这个推力杆充当了调谐减振器，则图4展示了可能产生的预期振型。（同样，这些测量结果也是别人提供的，此处用来说明预计存在的影响）。显然，推力杆越短，在结构连接点上，推力杆的转动效应越明显。如果推力杆恰好具有跟主结构的某阶模态相同的频率，那么，这种耦合无疑会产生如图2所示的频响函数。

图4 顶杆调谐效应
（备注：振型没有归一；草绘振型是为了显示顶杆转动刚度与被测结构的耦合效应）

显然，激振器顶杆的长度对准确测量频响函数起着非常重要的作用。如果顶杆太短，那么在测得的频响函数中可以看到刚度强化效应，对于这种情况，很容易看到调谐减振器效应，这种调谐吸振器效应不一定在每一个推力杆使用中都会发生，但在特定的试验中会出现。

图5为长、短顶杆得到的两个频响函数的重叠图。两个测量结果进行比较，表明两种测量得到的系统各阶模态均存在明显差异。