【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證

中圖分類號 : 論文編號 1028707 12科分類號 : 082304 碩士學(xué)位論文 復(fù)雜 空間 管道系統(tǒng)動力 特性 分析與實驗驗證 研究生姓名 學(xué)科、專業(yè) 載運工具運用工程 研究方向 管道振動 指導(dǎo)教師 教授 南京航空航天大學(xué) 研究生院 民航 學(xué)院 二 一 二 年 三 月 A of 2012 承諾書 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本人授權(quán)南京航空航天大學(xué)可以有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱 ,可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 (保密的學(xué)位論文在解密后適用本承諾書 ) 作者簽名： 日 期： 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 I 摘 要 飛機導(dǎo)管的泄露和破裂是使用中頻繁出現(xiàn)的故障，嚴重影響到飛機系統(tǒng)的可靠性和安全性。因此，研究飛機復(fù)雜管路系統(tǒng)的振動機理并對其進行振動抑制是有重要的理論意義和現(xiàn)實價值 。本文以一段液壓試驗臺管道和一臺復(fù)雜空間管道系統(tǒng)試驗臺為研究對象，分別建立了空間管道動力學(xué)模型；研究了空間管道的振動機理和動力特性，并用實驗進行了驗證；最后研究了幾種因素對于管道固有頻率 和管道最大應(yīng)力值 的影響。具體研究內(nèi)容如下： 第一、用 軟件對液壓管道試驗臺上的一段空間管道建立三 維空間模型，根據(jù)實際試驗臺情況，將管道的兩端考慮為固定約束，用有限元分析軟件 管道進行模態(tài)分析，得出空間管道的前五階固有頻率和振型。 第二、用錘擊法對該空間管道進行了實驗?zāi)B(tài)分析，在三個方向上分別進行敲擊和拾振，得出了空間管道各個方向上的固有頻率， 綜合提取出空間管道的前五階固有頻率，并同仿真結(jié)果進行對比，驗證了仿真過程的正確性，并得出了空間管道振動的一些規(guī)律。 第三、對復(fù)雜管道進行了計算和實驗?zāi)B(tài)分析，得出結(jié)果對比后，進一步驗證了前面方法的可行性，能夠應(yīng)用于安裝條件復(fù)雜的空間管 道系統(tǒng)。 第四、利用仿真手段分別研究了空間管道內(nèi)流流速 和增加卡箍 對管道固有頻率的影響 以及管道走向?qū)τ诠艿雷畲髴?yīng)力值 和固有頻率 的影響 。 關(guān)鍵詞 ： 復(fù)雜 空間 管道 ， 有限元分析 ， 模態(tài)分析 ， 固有頻率 ， 振型 ， 內(nèi)流流速 ， 管道走向 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 is as of it a of in of of it of of of In a of a a to of on on of as is to of of a be to to do is to to it of it in of to of of do of it be to to on on of 京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 錄 摘 要 . I . 錄 . 、表清單 . 釋表 . 一章 緒論 . 1 題研究的背景和意 義 . 1 內(nèi)外研究的概況及發(fā)展趨勢 . 2 文的主要研究內(nèi)容 . 5 第二章 管道振動及有限元理論 . 6 道振動 . 6 路振動的分類 . 6 道振動的激勵因素 . 6 道的共振 . 7 道振動故障的類型 . 8 道振動分析方法 . 8 限元法 . 8 遞矩陣法 . 8 限元和傳遞矩陣結(jié)合法 . 9 征線法 . 9 道的有限元分析方法 . 9 限元方法簡介 . 9 道系統(tǒng)有限元理論 58 . 11 章小結(jié) . 15 第三章 管道系統(tǒng)動力特性計算分析 . 16 壓管道試驗臺 . 16 型建立 . 16 軟件介紹 . 16 道三維模型 . 17 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 限元軟件介紹 . 18 介 . 18 型導(dǎo)入 . 19 態(tài)分析 . 20 態(tài)分析理論 66. 20 態(tài)分析結(jié)果 . 21 章小結(jié) . 26 第四章 管道系統(tǒng)實驗?zāi)B(tài)分析 . 27 驗?zāi)B(tài)分析概述 . 27 擊法 74的基本原理 . 28 用錘擊法進行管路試驗?zāi)B(tài)分析 . 29 驗儀器介紹 . 29 驗?zāi)B(tài)分析過程 . 31 驗結(jié)果分析 . 31 算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)結(jié)果對比 . 33 章小結(jié) . 33 第五章 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)模態(tài)分析 . 35 驗臺簡介 . 35 算模態(tài)分析 . 35 模型的導(dǎo)入 . 35 態(tài)分析結(jié)果 . 36 驗?zāi)B(tài)分析 . 38 驗過程 . 38 驗結(jié)果 . 38 算模態(tài)與實驗?zāi)B(tài)結(jié)果對比 . 40 章小結(jié) . 41 第六章 管道系統(tǒng)流固耦合特性分析 . 42 道系統(tǒng)流固耦合建模 . 42 體受力分析 . 43 道受力分析 . 44 動微分方程 . 45 固耦合 計算軟件 . 45 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 V 速對管道系統(tǒng)固有頻率的影響 . 46 同管道走向?qū)艿老到y(tǒng)最大應(yīng)力值和固有頻率的影響 . 48 同管道走向?qū)艿老到y(tǒng)最大應(yīng)力值的影響 . 49 同管道走向?qū)艿老到y(tǒng)固有頻率的影響 . 50 箍對系統(tǒng)固有頻率的影響 . 51 章小結(jié) . 51 第七章 總結(jié)與展望 . 52 結(jié) . 52 望 . 52 參考文獻 . 53 致 謝 . 58 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 . 59 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 、表清 單 圖 型號飛機液壓導(dǎo)管故障圖 . 11 圖 2. 1 空間直管單元坐標 . 11 圖 2. 2 管單元的局部坐標與系統(tǒng)的整體坐標 . 14 圖 2. 3 i j 時總體剛度矩陣各元素排列 . 15 圖 2. 4 ,各單元剛度矩陣的元素 塊按照所對應(yīng)的節(jié)點號送入總體剛度矩陣的相應(yīng)位置的具體形式如 圖 示 : 圖 2. 2 管單元的局部坐標與系統(tǒng)的整體坐標 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 15 （ 2） i j 時總體剛度矩陣各元素排列 圖 2. 4 ij 時總體剛度矩陣各元素排列 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 16 第三章 管道系統(tǒng)動力特性 計算 分析 研究復(fù)雜管道系統(tǒng)的動力特性對于 有效地避開由于壓力脈動和外界激勵導(dǎo)致的共振具有理論指 導(dǎo)意義。本章以液壓管道試驗臺為例，研究了空間三維管道系統(tǒng)的有限元建模方法及固有頻率和振型的計算方法。 壓管道試驗臺 本章利用液壓系統(tǒng)試驗臺 ，如 圖 a） ，選取一段三維管道為研究對象，如圖 b） 。從理論和實驗兩方面來分析，研究管道系統(tǒng)的一些動力學(xué)特性。 (a) (b) 試驗臺由 上海敏泰液壓有限公司制造，最大壓力 40驗臺上管道較多，而且尺寸 、大小 和復(fù)雜程度都 不盡相同，本文選擇了一根在三個方向都有管段 ，能很好體現(xiàn)管道系統(tǒng)空間復(fù)雜性的管道。 型建立 軟件介紹 （ 作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（ 稱 重要產(chǎn)品。 軟件以其強大的功能和操作性在當今的三維制圖軟件中占據(jù)較大的市場份額，作為引領(lǐng)世界機械設(shè)計 新方向、新標準而獲得了廣泛的應(yīng)用，是到如今最為成功的三維制圖軟件之一 59。 是首次提出參數(shù)化概念設(shè)計的軟件 ， 特征的相關(guān)性也由它的 單一數(shù)據(jù)庫方法得到了很好的解決。 軟件將功能做成模塊化，只需要安裝用戶關(guān)心的模塊，而不必安裝整個軟件內(nèi)容，這就節(jié)省了許多的資源，擁有很大的靈活性。它所包含的草圖繪制、裝配設(shè)計直到最后的加工待研究管道 圖 3. 1 液壓系統(tǒng)試驗臺及待研究管道 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 處理涵蓋了工程中的大多數(shù)過程，能做到一站式的 服務(wù)，實現(xiàn)工程設(shè)計的并行化 60。 軟件具有下面的這些 特點 61： （ 1） 模型 參數(shù)化， 不管多么復(fù)雜的系統(tǒng)，其幾何模型都可以慢慢劃分為許多的特征，這些特征就稱之為參數(shù)，將模型化分為參數(shù)，最后再由參數(shù)組成為模型，這種方法就被稱為參數(shù)化。能夠使產(chǎn)品設(shè)計得到較大的簡化。 （ 2） 單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)） 建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。 也就是說，在設(shè)計的任意一個環(huán)節(jié)上，改變模型的特征，那么特征就會被存入一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，其他模塊再對這個特征進行調(diào)用時，就能調(diào)入新 的 特征模塊， 這個優(yōu)點使得設(shè)計工作變得更加高效，不用逐一修改各個層次上的系統(tǒng)模型。 道三維模型 管道建模有三種方 法 62：掃描、高級管道和管道模塊 。 （ 1） 曲線掃描：用普通掃描特 征 來創(chuàng)建管道，易掌握，方便實用，簡單的管道可以使用此方法，但復(fù)雜管道的建模 過程過于繁雜，不予推薦。 （ 2） 高級管道：插入高級管道。此方法有一定的局限性，只能在零件模式下使用，裝配模式出不來實體管道。 （ 3） 管道模塊：應(yīng)用程序管道，這是 專用的管道模塊，功能強大，優(yōu)勢明顯。應(yīng)用少，不易掌握。在組件模式下才能實用。 本文使用管道模塊的方法來建立管道模型，方法如下。 （ 1） 進入組件模式，打開管道模塊， 根據(jù)研究對象管道的實際尺寸，在空 間中選取若干能反映管道走向的固定點。 （ 2） 設(shè)置線棧，即定義管道的特征，包括內(nèi)徑，外徑，管壁厚度，剖面類型，彎折半徑，彎折角等等。 （ 3） 創(chuàng)建管線，創(chuàng)建管線名稱，并選取 2 中所定義的線棧類型。 （ 4） 創(chuàng)建管道，默認管道環(huán)境，并在 1 中設(shè)置的若干空間點中選取管道起點，依次將管道上的各點連起來。 （ 5） 創(chuàng)建實體，在管道視圖中右擊管線，生成實體，并保存。 管道外徑 14D 內(nèi)徑 10d 度 4000 kg/性模量為 70E 泊松比為 。其具體尺寸如表 示。 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 18 a b c d e f g h 表 3. 1 待分析管道的三維尺寸 彎管半徑 004010004000得的管道三維圖如圖 示： 限元軟件介紹 介 件 是美國 司推出的融結(jié)構(gòu)、流體、電磁、熱、聲學(xué)為一體的大型通用有限元分析 商業(yè) 軟件， 現(xiàn)如今已經(jīng)推出了 本?，F(xiàn)如今的 件推出了新一代的操作平臺 一代的操作平臺有別于以前的操作界面和其他的有限元通用分析軟件，其最顯著的特點就是擁有更友好的用戶界面，使得分析過程更加直觀。它將各種分析模塊化，需要進行某項分析時，只需點擊這個模塊并拖拽至操作界面上即可，模塊與模塊之間還能通過通過簡單的拖拽方法實現(xiàn)完美的連接，而不需要在軟件內(nèi)完成各種各樣復(fù)雜的設(shè)置，這個優(yōu)點在進行多任務(wù)仿真和多物理場耦合的時候更為突出，節(jié)省了分析者大量的精力，使得分析者能將注意力更多放在問題本身上來，提高了分析的效率。另 外，它具有統(tǒng)一的單元庫以及材料庫， 用戶可以根據(jù)實際情況添加需要的單元、材料以及材料所具有的各種性質(zhì)，最后可以將所添加的材料保存至數(shù)據(jù)庫，方便以后的調(diào)用。 件還具有多種多圖 3. 2 液壓試驗臺管道三維實體模型 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 樣的分析模塊，除了傳統(tǒng)的靜力學(xué)模塊，動力學(xué)模塊，模態(tài)分析模塊，諧響應(yīng)模塊，斷裂力學(xué)模塊等等之外， 過積極并購后的其他軟件，如 體分析軟件， 件等，也都被作為單獨的模塊集成在一個操作平臺中。然后， 件還擁有出色的各類數(shù)據(jù)接口，能將前期繪制的各種類型的模型圖無 縫的導(dǎo)入進軟件，也能將計算的結(jié)果導(dǎo)出為其他格式的結(jié)果文件，與其他軟件方便的進行數(shù)據(jù)交換 63。 真平臺于傳統(tǒng)的黑白屏的仿真平臺相比有如下的特點 64： (1)界面更為友好 。相比以前的黑白屏分析環(huán)境，現(xiàn)如今的分析平臺界面更加友好，更加貼近用戶，用戶可以根據(jù)分析模塊中標示的變化來監(jiān)控分析的每一步，以此來完成分析過程中的各種設(shè)置。 (2)分析過程簡單明了 。以前的分析環(huán)境中，分析過程不那么明顯，新的分析平臺中，軟件將分析過程分為了幾個固定的模塊，完成前一步才能進行后一步的設(shè)置和計 算，一步一步的分析，這樣能非常容易的發(fā)現(xiàn)分析中出現(xiàn)的問題。 (3)集成了較多的分析模塊。新的仿真平臺中集合了以前沒有的流體等其他物理場分析模塊，能在仿真平臺內(nèi)部就可以方便的調(diào)用各個模塊，進行多物理場協(xié)同仿真計算，提高了仿真的效率。 本文使用的是 真平臺，是較為穩(wěn)定，功能也比較完全的一個版本，完全體現(xiàn)了 件發(fā)展的新態(tài)勢，能方便的進行各種分析項目。 型導(dǎo)入 管道的三維模型是在 軟件中繪制的，所以進行分析的第一步是將模型導(dǎo)入進有限元分析軟件中。 善了 與 各 件的 連接問題， 提供的 向參數(shù)互動、強大的全自動網(wǎng)格劃分、項目更新機制、全面的參數(shù)管理和無縫集成的優(yōu)化工具等，使 臺在仿真驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計方面達到了前所未有的高度。 有出色的 口， 模型能很方便的導(dǎo)入到軟件中進行分析， 但應(yīng)該在開始設(shè)置好 的連接配置。 配置方法如下 65： （ 1） 在程序菜單中打開 （ 2） 在 項卡下選擇需要連接的兩種軟件，這里分別選擇 （ 3） 在 項卡中分別選擇 軟件的安裝文件夾和安裝文件夾中 的啟動程序，通常選擇 （ 4） 接下來在 項卡中選擇 到出現(xiàn)三行 時候就完成了整個連接過程。 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 20 下面將進行模型的導(dǎo)入及計算模態(tài)分析的實施。 在 新建一個 鍵點擊 入建立好的模型文件即可進行后續(xù)的分析。導(dǎo)入后的模型如圖 示： 態(tài)分析 態(tài)分析理論 66模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一項技術(shù)，主要用于研究結(jié)構(gòu)本身的一下基本動力特性，如各階固有頻率和振型等。這些特性是其他各類動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析和譜分析等等。動力學(xué)問題 的通用微分方程如下： )( （ 式（ ， M 表示結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣， C 表示結(jié)構(gòu)阻尼矩陣， K 表示結(jié)構(gòu)剛度矩陣； x表示節(jié)點加速度矢量， x 表示節(jié)點速度矢量， x 表示節(jié)點位移矢量； )(示結(jié)構(gòu)激振力矩陣。 在對管道進行模態(tài)分析時，不計結(jié)構(gòu)阻尼和外載荷，系統(tǒng)動力學(xué)方程變?yōu)椋?0 （ 對 n 個自由度管系，位移矢量為： 21， M 、 K 均為 階對稱矩陣。方程（ 二階常系數(shù)齊次微分方程組，設(shè)各個位移分量都作相同的簡諧振動，圖 3. 3 導(dǎo)入 的管道模型 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 即 s （ 式中， 21為振幅向量， 為振動角頻率， 為振動初相位。由方程（ 2）、（ 得： 02 （ 其中 稱為特征矩陣。齊次線性代數(shù)方程組（ 非零解的充要條件是特征矩陣的行列式為零，即是： 0d （ 方程（ 特征方程，它是 的 n 次方程，有 n 個根n 21，i為結(jié)構(gòu)的第 i 階固有頻率，對應(yīng)于第 i 階固有頻率i，代入式（ 4）中，可得到 n 個非零向量解， 1u ， 2u ， ， 稱為結(jié)構(gòu)的各階振型向量。 態(tài)分析結(jié)果 在 新建一個 導(dǎo)入先前建立好的 管道三維模型，新建一個塊，連接在 ，如圖 示。 雙擊 置材料屬性，新材料命名為 并且設(shè)置材料 密度3/4000 ， 彈性模量為 0 ，泊松比為 。 雙擊 始進行網(wǎng)格劃分。 帶有優(yōu)秀的網(wǎng)格劃分模塊，一般情況下不圖 3. 4 態(tài)分析模塊連接圖 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 22 需要借助其他第三方軟件來進行網(wǎng)格劃分，就能達到不錯的效果。用 法來劃分網(wǎng)格，在這里使用中等質(zhì)量的網(wǎng)格。設(shè)置好后，右擊 擊 單的計算后，網(wǎng)格即劃分完畢，如圖 示。 將管道兩端用 定，并求解。z、 z、 z、 z. 選取前五階的振型圖如圖 圖 示 。其中振型圖都選取了能最清晰反映管道振動變化的視角，第一、二、四階振型圖選取的是 標平面視角，第三、五階振型圖選取的是 標平面視角。 圖 3. 5 管道網(wǎng)格劃分 圖 3. 6 管道第一階固有頻率和振型 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 23 圖 3. 7 管道第二階固有頻率和振型 圖 3. 8 管道第三階固有頻率和振型 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 24 為了便于更好的觀察振型情況，下面選取原管道模型在橫坐標為 X，縱坐標為 Y；橫坐標為 Z，縱坐標為 Y 這兩個視圖上的模 型，如圖 示。 圖 3. 9 管道第四階固有頻率和振型 圖 3. 10 管道第五階固有頻率 圖 3. 10 管道第 五 階固有頻率和振型 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 25 將前五階振型與管道原模型視圖對比后可以得出如下規(guī)律： （ 1） 一階振型主要為管道上端沿 X 方向的變化； （ 2） 二階振型在 X， Y 兩個方向上都變化明顯； （ 3） 三階振型在 Z 方向變化明顯； 圖 3. 11 橫坐標 X 縱坐標 Y 視圖 圖 坐標 Z 縱坐標 Y 視圖 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 26 （ 4） 四階振型在 X， Y 方向變化明顯； （ 5） 五階振型主要在 Z 方向上變化。 章小結(jié) 本章 主要針對了一段液壓管道試驗臺進行了計算模態(tài)分析，得出了管道的各階固有頻率和對應(yīng)的各階振型。首先對三維建模軟件 作了簡要的介紹，并用其建立了實物管道的三維模型；然后介紹了有限元分析軟件 建立好的三維管道模型導(dǎo)入有限元軟件；最后對結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，得出了最后的固有頻率和對應(yīng)的各階振型。 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 27 第四章 管道系統(tǒng)實驗?zāi)B(tài)分析 模態(tài)分析是是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進行描述的一種分析方法 69。根據(jù)方法的不同，模態(tài)分析又可分為基于理論計算的計算模態(tài)分析和基于實驗測試的實驗?zāi)B(tài)分析。而描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性的參數(shù)被稱之為模態(tài)參數(shù)。在數(shù)學(xué)理論意義上，模態(tài)參數(shù)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動微分方程的特征值和相對應(yīng)的特征矩陣；在實驗測試意義上來講，模態(tài)參數(shù)是指系統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動測試得到的固有頻率、阻尼和 固有振型 70。模態(tài)分析是對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行動力特性分析的基礎(chǔ)，其他的一些動力特性分析如瞬態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等都是基于模態(tài)分析的。所以模態(tài)分析的研究非常廣泛，在實際應(yīng)用中使用的十分頻繁。 驗?zāi)B(tài)分析概述 實驗?zāi)B(tài)分析是指，在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上人為地加入激振力，通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度等信號的測量，得出實驗數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)計算出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，最后得到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率和各階固有頻率所對應(yīng)的固有振型，即模態(tài)參數(shù)的情況 71。 模態(tài)參數(shù)結(jié)果分為實數(shù)解和復(fù)數(shù)解，根據(jù)解的不同可以將模態(tài)分為實模態(tài)和 復(fù)模態(tài)。本文的研究對象只是實模態(tài)。在結(jié)構(gòu)振動動力學(xué)微分方程中能夠被解耦的被稱之為實模態(tài)。反之，則被稱為復(fù)模態(tài) 72。 實驗?zāi)B(tài)分析是對實際系統(tǒng)振動測試、分析處理數(shù)據(jù)得到最后的模態(tài)參數(shù)的一個過程，能夠準確反映實際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力學(xué)特性，所以在對結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計中有很重要的作用和現(xiàn)實意義。 在實驗?zāi)B(tài)分析中，很重要的一環(huán)是對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)的獲取。因為準確的頻響函數(shù)能夠反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的許多動力學(xué)特性，如固有頻率、系統(tǒng)剛度、系統(tǒng)阻尼等等，頻響函數(shù)于模態(tài)參數(shù)之間有很直接的關(guān)系。所以頻響函數(shù)的獲取是模態(tài)分析中十分關(guān) 鍵的的一個過程。 正是如此，準確獲取頻響函數(shù)也一度成為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究中的熱門問題，吸引了許多研究者和研究機構(gòu)的注意。 發(fā)展到現(xiàn)在，頻響函數(shù)的獲取有三種方法，一種是在固定點激振，在多個點進行測量；一種是在固定點測量，而在多個點進行激振；最后一種是在多個點進行激振，在多個點進行數(shù)據(jù)的測量 73。 前兩種方法是應(yīng)用范圍最廣的一種測試技術(shù)，幾乎能夠應(yīng)用于一切的結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域。 而根據(jù)激振力的不同，又可以分為穩(wěn)態(tài)正弦激勵、瞬態(tài)激勵以及隨機振動激勵三種方法。而瞬態(tài)激勵則又可以分為脈沖激勵、階躍激勵和快速正弦掃描激勵三種方式。 最后一種方法對儀器的要求非常高，并且實驗的周期非常長，所以常用于前面兩種方法不復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 28 能處理的大型結(jié)構(gòu)的實驗?zāi)B(tài)分析當中。當然，由于其激振力分布較廣，能夠激勵出更多的系統(tǒng)模態(tài)來，所以它的測量精度要比前面兩種方法要高。但由于前面的一些缺點，這種方法應(yīng)用的并不廣泛。 擊法 74的基本原理 根據(jù)前面對幾種實驗分析方法的介紹，本文將選用錘擊法來進行實驗?zāi)B(tài)分析。利用力錘敲擊結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并一次就可以獲得系統(tǒng)在特定頻率范圍類的響應(yīng)的方法被稱之為錘擊法。錘擊法是一種脈沖激勵試驗方法，具有較寬的頻帶 75。 設(shè)脈沖函 數(shù)為 )(&t ，則設(shè)激勵為單位脈沖函數(shù)，其傅里葉變換為： jw t)(&)( （ 根據(jù) 脈沖函數(shù)的性質(zhì) ，上面方程式中的右邊一項的值為 1，即： 1)& ()( （ 由此可見，脈沖激勵函數(shù)的頻譜為常數(shù)，即脈沖激勵的頻率帶均勻的分布在整個頻率范圍之內(nèi)。 因為錘擊法是 一種脈沖激勵的試驗方法，所以錘擊法的激勵頻率也能分布在這個系統(tǒng)頻率范圍內(nèi)。正因為如此，只要能量足夠，錘擊法可以激振起所有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率。但問題也在這里，由于用力錘敲擊，能量不可能很大，這就造成錘擊法的一些局限性 76。 由第二章的管道振動理論可以知道，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會在激勵力相近于固有頻率時產(chǎn)生共振。而由錘擊法的特點知道，錘擊法的激勵頻帶很寬，能夠激勵出絕大部分的管道的固有頻率， 將力錘內(nèi)力傳感器感受的力信號和系統(tǒng)的響應(yīng)信號進行放大，采樣和 理，獲得與 )()( )(ki (kj 此便可獲得系統(tǒng)的頻響函數(shù) 77 )(/)()( ， ,2,1k (如果僅求結(jié)構(gòu)的固有頻率，只需測量任一點的頻響函數(shù)即可。但若確定振型矢量，則需測量多點。圖 懸臂梁為例，測量四個 點的頻響函數(shù)，即可得到該結(jié)構(gòu)的前三階固有頻率和其對應(yīng)的振型 78。 錘擊法的特點是 79： 圖 4. 1 懸臂梁的前三階固有頻率及其對應(yīng)振型 南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文 29 （ 1） 錘擊法的效率非常高，一次敲擊就能得到系統(tǒng)的各階固有頻率結(jié)果。 （ 2） 錘擊法的準確性十分依賴于測試人員的個人測試經(jīng)驗。敲擊方式掌握不好的話，有可能會造成連擊現(xiàn)象，影響測試的精確性。 用錘擊法進行管路試驗?zāi)B(tài)分析 驗儀器 介紹 實驗儀器主要用到的實驗儀器有：沖擊力錘、 B&K 傳感器、 據(jù)采集前端、自編測試分析系統(tǒng)等。 實驗所使用的力錘型號是 如圖 示 ，其主要性能指標如表 4. 1 力錘參數(shù) 量范圍（ N） 0敏度 度 %FS 1 最大力值時傳感器變形 01 力傳感器固有頻率 5 力傳感器重量 g 52 沖擊力錘重力 500 尺寸 00 80 30 頻率響應(yīng) 錘重量 1 5 號 性 能 指 標 圖 4. 2 力錘 復(fù)雜空間管道系統(tǒng)動力特性分析與實驗驗證 30 實驗采用型號為 B&壓電式加速度傳感器， 如圖 示： 對于一些小型結(jié)構(gòu) ，傳感器的體積和重量對于最后的測試結(jié)果有非常大的影響，測試過程中，傳感器是由 502 膠水通過傳感器底座粘貼于結(jié)構(gòu)體上的，所以對于結(jié)構(gòu)來說，傳感器相當于一個附加質(zhì)量。而附加質(zhì)量就會對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣產(chǎn)生影響，進而影響實驗?zāi)B(tài)分析的準確性 。本實驗的研究對象