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模态空间系列(八十八)趣味解读模态世界 – 试验需要何种程度的自由?多等程度的自由真的至关重要吗?

发布时间:2022-05-23 15:54:45 浏览量:1973 作者:Peter Avitabile

摘要

模态空间是Peter Avitabile教授发表的系列模态解读文章。Peter Avitabile教授是美国麻省大学洛威尔校区UMASS Lowell机械工程系结构动力学和声学系统实验室的副主任,以及模态分析和控制实验室的主任。Peter Avitabile教授以略带口语化、生动而又幽默的语言,在每篇文章中集中介绍试验模态分析的一个主题,是非常好的试验模态分析的入门文章。它涉及到了试验模态分析的方方面面,是模态试验新手的入门极佳材料,学习它有助于理解什么是试验模态,以及取得高质量的模态参数。

在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译,得到了Peter Avitabile教授的书面授权,Peter Avitabile教授拥有文章全部权利,北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译,请保留本段的描述信息。


正文

模态空间系列(八十八)趣味解读模态世界 – 试验需要何种程度的自由?多等程度的自由真的至关重要吗?


在北京科尚仪器官网发布模态空间系列文章及其中文翻译,得到了Peter Avitabile教授的书面授权,Peter Avitabile教授拥有文章全部权利,北京科尚仪器只为学习教育目的而使用它们。如您转载此系列中文翻译,请保留本段的描述信息。


试验需要何等程度的自由?多等程度的自由真的重要吗?

这点很重要,需要讨论。


嗯 — 现在,我认为对于这个问题大家都会感到困惑。它实际上起源于我们都熟悉的刚体动力学及其相关概念。但我们不要轻易对这些概念不做深究。

我的意思是当根据质量中心的概念来描述物体时,刚体动力学是一个很好的逼近。那么我们得到的是在空间中的一个点,我们只需要这个点来描述与之相关的结构整体运动。

并且这是一个很强的说法,它意味着结构几何外形上的每一点可以根据结构上的某个点来完全确定。因此,如果情况是这样,可以讲我们得到了一个刚体。

那么现在当我们说我们有一个自由-自由系统并且我们得到了描述这个系统的刚体模态,是什么意思?这意味着我们跟地面之间没有丁点的约束并且结构在空间内是完全自由浮起的。如果情况是这样,那么我们能够得到刚体模态,描述物体在空间中能够运动的六种独立方式。沿三个主方向上有三个独立的平动以及沿三个单独方向的三个独立旋转运动。当然我们必须认识到六个独立运动可以由其他的运动线性组合而成为另外一种可能的运动。仅仅是因为我们倾向于按照x,y,z方向来思考,并不意味着刚体运动需要跟其他三个方向隔绝开来 – 任意的线性组合都是可以的。

好 – 那么现在我们学会了这个刚体模态的概念。现在我们来讨论一个简单的梁,我们可以根据有限元模型来进行建模。我们首先假设这个梁截面一致,质量分布一致,那么这个梁没有什么特别之处。为了将讨论进一步简单化,我们只考虑平面运动,但是没有理由我们不能将之扩充为一般的六个自由度。

那么我们首先描述这个平面系统的少数前几阶模态。图1展示了平面梁系统的前四阶模态。注意前2阶是刚体模态,接下来的2阶是系统的弹性体模态。

图1 – 自由-自由梁的各阶模态

注意到第1阶模态是上下运动的沉浮模态,第2阶是绕梁几何中心的摇摆模态。对于一个完全无约束的梁结构自由模态,这正如我们所预期。

现在,我们考虑当在试验室内对梁测试时,梁实际上不能在空间无约束地浮动。于是我们考虑施加一定范围的弹簧刚度到梁的两端。然后进一步让刚度范围从接近于零一直变大为一个很大的刚度,接近于铰接或者完全约束状态。这如图2中所示。

图2 – 弹性支承梁

现在为了将这个问题简化,当增加梁端部的弹簧刚度时,我们只打算观察第1阶模态是如何变化的。要看看随着刚度增加,模态振型发生什么变化。随着刚度增加,模态振型从上到下,如图3所示。

图3 – 1阶模态振型的演变

所画的第1阶振型是自由-自由梁的第1阶模态振型。那么随着我们增加梁端部的刚度,固有频率将向上增加,因为刚度上有增加,如所预期。那么如果我们只是增加一点儿刚度,模态振型变化的可能察觉不到。于是我们看到上面第2张图上,模态振型依然跟刚体模态非常相似,但梁上有少许的弯曲。随着刚度增加,观察到第3张图上,振型跟完全刚体的模态实际上不一样了,并且振型开始成更大程度的弯曲,如同系统的第1阶弯曲模态。当增加刚度到更大程度时,第4和第5张图跟刚体模态完全不再相似了,基本上可以讲模态振型完全类似于一个弯曲模态,带有少许一点儿刚体运动。

那么故事到此基本上讲完了。仅仅是当完全自由-自由时,刚体模态才是真正的刚体模态。在梁的端部加入一定程度的刚度时,模态开始从刚体类型的模态向弯曲类型的模态变化,并且刚体和弹性体模态的比例很大程度上依赖于所加刚度的量级以及结构自身的刚度。

这意味着当我们在试验室内按照所谓的自由-自由状态测量任何结构时,得到的实际刚体模态将总是包含一定程度的弹性体模态,实际上并非完全刚体模态。取决于试验如何设置以及自由-自由支撑何等的刚度,这会对这些刚体模态为何等刚度具有直接的影响。我希望这个简单的解释澄清了你可能会有的错误理解。如果你有关于模态分析的任何其他问题,尽管问我好了。


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模态激励全新的解决方案-WaveHitMAX自动脉冲锤  



实验模态分析中必不可少的一环就是模态激励,昊量光电最新推出的这款智能冲击锤的发明为结构动力学应用提供了机械激励的新途径。智能意味着设备内部处理信号模态锤WaveHitMAX保证了测试对象的全自动、可重复和高精度激励,而没有双重打击。用户可以根据不同的阻尼/延迟时间,设置撞击次数、冲击力和撞击之间的延迟时间。所有的预置,如零点或冲击力搜索,都是由锤子自动完成的。用户不再需要手动调整


针对全自动冲击锤的研制,WaveHitMAX采用包括整个运动控制的闭环控制方法解决了这一问题。


 

图1. 用于脉冲锤内部运动控制的传感器-执行器控制回路示意图


对新型冲脉冲锤WaveHitMAX的系统设计进行了改进,使传感器信号作为运动控制单元的主要输入参数。这样,脉冲锤的手臂可以向上移动到试件的命中点,在那里,通过力传感器信号中的特征变化检测到接触事件,手臂的移动方向可以反转。

与半自动冲击锤相比,WaveHitMAX自动脉冲锤具有新的功能。内部信号处理的优点有:

• 全自动单击

• 自动搜索用户自定义的冲击力

• 自动零点搜索

• 确认对质量保证的影响

• 更改锤头与测试对象之间的位置,无需重新设置


WaveHitMAX自动模态力锤可以通过以太网在Windows设备(PC或平板电脑)上通过包含的软件快速、轻松地操作。


                                                                              

 自动模态脉冲锤特点:

• 自动零点搜索

• 可重复的单击激发

• 内部传感器评估和过程控制

• 自动搜索和调整冲击力

• 位置的变化是自动预测的

• 通过附件配置脉冲特性

• 通过远程控制或集成到客户系统中来触发功能

• 在德国设计和组装

• CE认证


1.确保单次激发

双重撞击激励可以在时域和频域检测到

 

2.丰富的配件支持

不同的传感器-尖端-配重的组合。

 

综述上文介绍WaveHitMAX - 第一款用于全自动冲击测试的智能脉冲锤,在全新的AI智能脉冲领域实现真正意义上的全自动智能脉冲锤!


如果您对WaveHitMAX-全自动冲击测试的智能脉冲锤有兴趣,请访问上海昊量光电的官方网页:

https://www.auniontech.com/details-1495.html

 

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Gfai tech GmbH一直在生产和销售"德国制造"的声音和振动测量和分析创新产品超过15年。作为应用计算机科学促进会(GFai)的100%子公司,它始终以行业为导向和以应用为导向。

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