基于MATLAB和有限元的虚拟振动试验系统

2010-02-23宋琼范宣华胡勇

装备环境工程 2010年6期

宋琼，范宣华，胡勇

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621900）

大型复杂试件的振动试验代价昂贵，为减小试验风险，有必要在正式开展试验前了解关键点响应，进行试验设计（包括合理选择控制方式和控制点等）。研究人员采用有限元软件对产品建模，选择激励点输入驱动力，计算产品的振动响应[1]。若需要了解不同激励点和不同输入驱动力下产品的响应，则需要重复进行复杂的有限元计算，需要花费大量时间。同时，由于仅采用有限元计算进行试验预估，忽略了振动台动圈、功率放大器和振动控制器等试验设备的影响，导致计算与实际试验状态存在差异。

笔者通过探讨振动台动圈、夹具以及试件一体化建模方法以及闭环的振动试验仿真系统，以期获得与真实试验系统更接近的仿真模型，并利用该系统进行试验辅助设计。

1 系统构建

采用有限元软件建立振动台动圈、夹具、试件一体化模型，通过仿真获得振动台动圈激励与试件响应的传递特性。采用MATLAB建立振动控制器和功放数学模型，以有限元仿真获得的传递特性作为被控对象导入控制器模型，形成闭环的虚拟振动试验系统，开展仿真试验，了解不同控制方式和控制点条件下，系统关键点的响应并开展试验设计。系统结构如图1所示。

图1 虚拟振动试验系统结构Fig.1 Structure of virtual vibration system

2 振动台动圈、夹具、试件一体化建模

试件传递特性的准确描述是本系统的关键技术之一。振动试验过程中，动圈电流和磁场作用产生驱动力，通过薄板连接螺钉传递至夹具及试件。由于动圈本身具有振动模态，不能作为一个质点考虑，为了准确描述振动试验中力的传递过程，将试件、夹具及振动台组成的整体结构进行有限元建模[1]。

采用有限元软件MSC.Patran 和MSC.Nastran，对振动台动圈部分进行有限元建模，并对边界条件进行模拟。动圈有限元模型如图2所示。

图2 动圈有限元模型Fig.2 The FEA model of armature

根据模态试验结果调整动圈3个部分的材料参数，使得振动台各部分的材料参数能够反映真实的材料特性。修正后，质量与实际质量一致，模态计算结果与模态试验结果比较接近，固有频率最大相对误差在4%以内。

将振动台有限元模型、夹具和试件有限元模型集成到动圈模型中，得到整个振动系统的有限元模型。通过开展相关试件的振动试验仿真研究,获得各关键点与振动台激励的传递特性，通过开展频域内的模型辨识获得传递函数。

3 振动设备建模

振动设备主要包括振动控制器、功放和振动台，是振动试验系统的加载系统，在虚拟试验系统中采用SIMULINK建立。

振动控制器作为控制系统，根据参考谱和试件响应完成功放驱动电压的生成和更新。主要环节包括：各通道PSD计算、控制PSD计算、误差计算、驱动谱更新、IFFT变换、帧搭接等。采用SIMULINK建立数字式开关功放模型，以振动台电阻和电感作为负载产生电流，与模拟的振动台磁场作用产生驱动力激励，完成驱动力产生的模拟。

4 仿真算例

为了验证随机振动仿真系统功能，以薄板作为试件，夹具底面连接动圈，上部与薄板试件相连，以此结构开展了有限元计算。薄板、夹具、试件的一体化有限元模型如图3所示。

图3 一体化试件有限元模型Fig.3 FEA model of integration test item

对整体模型驱动线圈部分施加一个恒定幅值的激振面力，激振频率范围为10～2 000 Hz，频率间隔为2.5 Hz，进行频率响应计算，根据控制点条件反推驱动线圈部分激振力大小。将反推得到的激振力谱以场的形式作用于驱动线圈，重复进行原频率下的测点响应计算，可得到给定试验条件下的测点仿真结果，进而获得测点与驱动力的传递序列。

导入MATLAB 开展模型辨识，获得各测点传递函数，辨识得到的各点传递函数如图4—图6所示。