飞机壁板结构振动模态测试及结果分析 - 文章

飞机壁板结构振动模态测试及结果分析

作者：董宁娟陈琼

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摘要：试验模态分析已经成为当今结构动态分析的一项主要技术。本文对飞机壁板结构进行自由状态下的模态测试试验，通过利用PolyMAX 模态识别的方法，得到飞机壁板结构的在关心频段内的各种模态参数，对其振动特性有了进一步的了解。为下一步飞机壁板结构的减振降噪工作提供一定的依据。
关键词：飞机壁板；模态试验；参数识别

Modal test and result analysis for aircraft plate
Dong Ningjuan
（Aircraft Strength Research Institute of China, Xi’an, China 710065）
Abstract: Experimental modal Analysis is currently one of the key technologies in structural dynamics analysis. In this paper, modal test was performed on aircraft plate when it is free. All kinds of modal parameters in our care rang frequency was acquired by the means of PolyMAX..it can help us to understand the characteristic of vibration. This work can offer some gist for reducing vibration and noise.
Key Words: aircraft plate; mode experiment; parameters estimation

1 引言

随着航空工业的发展，振动与噪声问题越来越受到人们的关注，飞行器的减振降噪对提高飞行器的性能及飞机驾乘的舒适性和安全性具有举足轻重的作用。飞机壁板结构在外界气流的作用下产生振动，进而对飞机舱内产生振动辐射声。目前已经形成了完整而且有效的飞机壁板结构隔声测量方法，为了进一步了的解其隔声性能，开展了对飞机壁板结构振动模态特性研究。

1B2 模态分析原理

一般结构可离散为一种具有 N 个自由度的线弹性系统，其运动微分方程为：

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方程（1）经拉氏变换，可得：

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传递函数可表示为：

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[M]—质量矩阵，实对称矩阵，正定；[C]—阻尼矩阵，实对称矩阵，半正定；[K]—刚度矩阵，实对称矩阵，正定或半正定。

令p = jω ，振动系统得频响函数矩阵为：

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对于线性系统，多自由度系统的频响函数是多个单自由度系统频响函数的线性组合。要确定全部模态参数αr、ξ 、{Φr} ，实际上只要测量频率响应函数矩阵的一列或一行就够了。

对系统i点进行激励并在j 店测向应，可得传递函数矩阵第i行j 列元素为：

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3 LMS中最小二乘复频域法（PolyMAX）

LMS 公司最新推出的LMS Test.Lab 中PolyMAX 模态识别方法，也称为多参考点最小二乘复频域法（Polyreference least-squares complex frequencydomain method）是目前国际上最流行的模态分析方法中的一种，具有很强的抗噪声干扰能力，更改系统的误差容限，可以很方便的识别出系统得虚假模态，既适于弱阻尼，稀疏模态系统；也适于强阻尼，密集模态系统的参数识别。它是基于最小二乘方法的一种算法，它采用多输入多输出频响函数作为主要数据。实现起来与最小二乘复指数法（LSCE）很接近。

第一步，建立稳态图，以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子；。用LSCF 方法得到的稳态图远比用其它方法得到的稳态图要清晰得多，因此很容易区分物理模态和虚假模态（噪声模态），筛选出定阶的N个物理模态的极点和模态参预因。其通过建立可以线性化的直交矩阵分式模型[]：

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4 测试方案及试验过程

4.1 测试方案

根据模态分析原理可知，只要测量频响函数的一行或一列就可以识别出模态矢量和极点位置并进而得到所有模态参数。在飞机壁板振动模态测试试验中采用了单点激励，多点响应得测试方法。

1）采用江苏联能电子技术有限公司的JZK-10 型激振器对飞机壁板结构进行激励，关心的测量频率范围为0～100Hz，取触发随机信号为激励信号，为了保证激励信号能对壁板结构产生足够的激励，同时为了保证系统的可辨识性（可控和可观），一般要求激励点位置不应靠节线和节点太近。

2）采用PCB333B30 型单向加速度计测量响应信号；

3) 壁板结构采用橡皮绳吊装，近似于自由-自由条件，经测定刚体的共振频率约为2Hz，远低于壁板的第一阶固有频率，对测试影响很小，可忽略不计；

4）测试分析系统采用比利时LMS 公司的Test.Lab 测试分析系统。

4.2 试验过程

在 Test.Lab 中的Geometry 建立飞机壁板模型，如图1 所示。测量模型中各个测点的频响函数，进而
在PolyMAX 模块中进行模态参数识别。

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图1 飞机壁板结构的几何模型

根据飞机壁板结构的几何尺寸以及拥有加速度计的个数，采用分组测试，每组10 个加速度计拾振，并逐批移动加速度计，为减少漏掉模态的机会，全壁板结构测点均匀分布，共设置62 测点，分5 组测量。测试过程中，同时观察信号的时域波形和频谱的一致性确保信号的可靠性。测得的位移模态的汇总频响函数如图2 所示。

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图2 位移模态汇总频响函数图

5 测试结果分析

5.1 模态参数识别

将测试得到的频响函数，在PolyMAX 模块中分析得到在关心频段内的稳态图如图3 所示。稳态图中，o表示未找到极点；f表示在给定精度内频率稳定；v 表示频率和模态参数与因子稳定；d表示频率和阻尼稳定；s 表示3 种参数全部稳定。利用PolyMAX 分析得到的传递函数包络稳态图，如果在有模态的位置出现一列稳定的标识，说明该方法分析得的频率阻尼值稳定。

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图3 用PolyMAX 汇总频响函数稳态图

通过在PolyMAX 中识别模态参数，最终得到各阶模态参数如表1 所示：

表1 利用PolyMAX 方法识别的模态参数与有限元计算比较
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5.2 测试数据验证

为了验证测试数据的准确性，我们对各个测点的频响函数进行了重构，图4 为某一测点的重构图，相关性为96.69%，这说明测试数据为有效的。同时采用模态置信准则（MAC）来估计振型相关性矩阵校验。模态置信准则是两个向量间对应的相关系数，同一物理模态的两个向量的MAC 值一般因该接近于1，而不同模态的两个向量间的MAC 值一般应比较小。通过信号检验，测试信号数据的相干性非常好，这也说明测试数据具有很高的可靠性。

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图4 某测点的频响函数重构图

5.3 试验模态分析

通过测试，得出飞机壁板在关心频段内 0～100Hz 内的各阶模态，图5 反映了其中前8 阶模态振型。

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图5 壁板前8 阶模态振型

通过分析得到的各阶模态的固有频率与振型，可以更好的了解飞机壁板结构的动态特性，结合隔声测量曲线，对其进行减振降噪。

6 结论

利用 PolyMAX 对飞机壁板结构进行了振动模态参数识别。通过模态置信准则和频响函数重构可发现测试数据的可靠性，从而保证了模态参识别结果的准确性。

试验结果显示，飞机壁板结构振动模态测试试验，对于壁板结构的设计优化有很好的验证作用，同时通过将参数识别结果与壁板隔声测量曲线结合起来分析，可为其减振降噪工作提供一定的依据。

[参考文献]
[1] 傅志方，华宏星著。H模态分析理论与应用H。上海交通大学出版社，2000 年7 月
[2] 周云，易伟建。用PolyMAX 方法进行弹性地基板的实验模态分析。振动与冲击，第26 卷第7 期
[3] 刘进明，应怀樵等。时域模态分析方法的研究及软件研发。振动与冲击，第23 卷第4 期(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/5/2011)


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